O/A兩級生物砂濾池的二次啟動及其脫氮除碳效果

李思敏,趙南南,付 民,趙 博

(1.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.邯鄲市政污水處理有限責(zé)任公司,河北邯鄲 056002)

O/A兩級生物砂濾工藝是一種后置反硝化工藝,能夠在有效去除CODCr和NH4+-N的同時(shí),達(dá)到反硝化脫氮的目的。然而要充分發(fā)揮該工藝良好的反硝化脫氮效果,缺氧柱的掛膜啟動至關(guān)重要。傅金祥等[1]采用復(fù)合式接種掛膜對O/A式曝氣生物濾池進(jìn)行啟動,取得了良好的效果。周碧波等[2]研究了反硝化生物濾池的掛膜與啟動,以反硝化生物濾池對NO3--N的去除負(fù)荷作為是否掛膜成功的標(biāo)志,為反硝化生物濾池的啟動提供了理論依據(jù)。陸宇駿[3]采用逐步提高負(fù)荷的方式,對A/O生物濾池的快速啟動進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,反應(yīng)器經(jīng)歷了短暫閑置之后能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。

本試驗(yàn)通過逐漸提高濾速,對關(guān)閉近5個(gè)月的O/A兩級生物砂濾池進(jìn)行重新啟動,并對CODCr、NH4+-N、NO3--N 的去除效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用O/A兩級生物砂濾柱串聯(lián),設(shè)O為一級好氧濾柱,A為二級缺氧濾柱,原水由一級好氧濾柱頂部進(jìn)入,好氧濾柱的出水進(jìn)入中間水箱,通過提升泵送往高位水箱,然后自流進(jìn)入二級缺氧濾柱。濾柱采用有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑均為120mm,柱高均為2 000mm,承托層高300mm;柱內(nèi)填裝石英砂濾料,濾料高度1 200mm,濾料粒徑分布為0.6～1.2mm,不均勻系數(shù)K80＜2.0;濾料以上保護(hù)高度500mm,在濾料深 200mm、400mm、600mm、800mm、1 000mm處設(shè)置取樣口,每個(gè)濾柱底部設(shè)有反沖洗水管和氣管。采用穿孔管進(jìn)行曝氣,用轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì)控制氣量。整個(gè)裝置通過PLC實(shí)行自動控制連續(xù)運(yùn)行。

1.2 原水水質(zhì)

試驗(yàn)采用某城市二級處理出水作為原水,原水水質(zhì)情況和檢測方法如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行水力負(fù)荷為3.0m/h,分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段運(yùn)行10d,采用逐漸提高濾速的方式使生物砂濾柱先在常負(fù)荷3.0m/h以下啟動,控制好氧柱的DO濃度在2.0 mg/L左右;缺氧柱不曝氣,控制其DO濃度在0.5～1.0mg/L之間,通過投加外碳源甲醇控制C/N比為5.0左右。第二個(gè)階段運(yùn)行25d,使生物砂濾柱在常負(fù)荷3.0m/h條件下運(yùn)行,控制好氧柱的DO濃度在2.0mg/L左右。缺氧柱不曝氣,控制其DO濃度在0.5～1.0mg/L之間,通過投加外碳源甲醇改變?nèi)毖踔M(jìn)水的C/N比,使缺氧柱分別在C/N比為3.0,4.0,4.5,5.0,5.5條件下運(yùn)行,每個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行5d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 好氧柱對COD及氨氮的去除

O/A兩級生物砂濾池啟動階段原水CODCr和NH4+-N質(zhì)量濃度變化情況以及好氧柱對其去除情況如圖1、圖2所示。

啟動期間進(jìn)水CODCr的變化范圍在21.12～45.73mg/L之間,NH4+-N的變化范圍在13.27～16.05mg/L之間,水溫在 15.8～24.3℃之間,好氧柱的DO濃度控制在2.0mg/L左右,濾速由1.0m/h逐漸提高到3.0m/h。由圖1和圖2可以看出,在啟動初始階段好氧柱對CODCr和NH4+-N的去除率相對較低,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,好氧柱對二者的去除率均逐漸提高并逐漸趨于穩(wěn)定,好氧柱對CODCr和NH4+-N的去除率分別穩(wěn)定在45%和65%以上。

表1 原水水質(zhì)及檢測方法Tab.1 Raw water quality and monitoring methods

但是好氧柱對CODCr和NH4+-N達(dá)到穩(wěn)定去除效果所經(jīng)歷的時(shí)間不同。從圖1中可以看出,好氧柱對CODCr的去除效果趨于穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間為6d,從圖2中可以看出,好氧柱對NH4+-N的去除效果趨于穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間為8d。這主要是由于硝化菌屬于自養(yǎng)菌,增殖速度緩慢且世代周期較長。

本試驗(yàn)以好氧柱對NH4+-N的去除效果趨于穩(wěn)定作為啟動成功的標(biāo)志。和普通的掛膜方式相比,啟動時(shí)間提前了20d左右,這說明經(jīng)歷了短暫閑置以后,濾料表面的生物膜并未死亡,而是以孢子的形式存在,一旦通水運(yùn)行,在短時(shí)間內(nèi)即可恢復(fù)正常。

2.2 缺氧柱對氨氮的去除

目前,對于缺氧柱掛膜啟動的研究較少。異養(yǎng)反硝化是以有機(jī)碳源為供體及營養(yǎng)源,因此有機(jī)碳源對反硝化的影響很大,不同的有機(jī)碳源將導(dǎo)致反硝化速率的差異。由于缺氧柱的進(jìn)水是經(jīng)過好氧生物砂濾柱處理的城市二級處理出水,可生化性較差,能被微生物利用的有機(jī)物量極少。為保證反硝化正常進(jìn)行,需向反硝化柱中投加外碳源,試驗(yàn)中選取甲醇作為外加碳源。外加碳源的投加量必須嚴(yán)格控制,如果外加碳源量過少,反硝化不徹底,總氮排放不能達(dá)標(biāo),如果外加碳源過多,有可能引起出水CODCr超標(biāo)[4-5]。啟動期間,通過投加外碳源甲醇控制C/N比在5.0左右。

從圖3中可以看出,缺氧柱在初期對硝酸鹽氮并沒有明顯的去除作用,這是因?yàn)樵谌毖醴磻?yīng)器啟動的初始階段,兼性細(xì)菌的反硝化能力有一定的滯后性,因?yàn)榇藭r(shí)缺氧柱進(jìn)水的-N濃度很低。這主要是由于缺氧柱的進(jìn)水-N濃度受制于好氧柱的硝化性能。因此在好氧柱硝化性能提高的同時(shí),缺氧柱進(jìn)水的NO3--N負(fù)荷也在不斷增大。由圖3可以看出,在第6d,缺氧柱的反硝化能力進(jìn)入了一個(gè)快速提高的過程,這說明在第6d后反硝化菌增殖較快,隨即在第8d,缺氧柱對-N的去除效果趨于穩(wěn)定,-N去除率達(dá)到30%以上。同時(shí)此后進(jìn)水硝酸鹽濃度與出水硝酸鹽濃度表現(xiàn)出了良好的相關(guān)性,對-N的去除率受濃度變化影響較小,這說明缺氧柱內(nèi)反硝化菌數(shù)量的凈增殖已基本停滯,反硝化微生態(tài)結(jié)構(gòu)已較為穩(wěn)定,可認(rèn)定此時(shí)啟動成功。

3 C/N比對脫氮除碳效果的影響

3.1 C/N比對脫氮效果的影響

本試驗(yàn)通過改變甲醇投加量,使缺氧柱分別在C/N比為3.0,4.0,4.5,5.0,5.5的條件下運(yùn)行,每個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行5d。缺氧柱在不同C/N比條件下對TN的去除效果如圖4所示。

由圖4可以看出,當(dāng)缺氧柱進(jìn)水的C/N比從3.0增加到5.0時(shí),TN的去除率從10%左右提高到30%以上,這說明碳源不足是缺氧柱反硝化脫氮效果較差的主要原因。一般來說,理論上達(dá)到完全反硝化所需的C/N比為3～4,但在實(shí)際工程中該值會受到多種因素的影響,如原水水質(zhì)、生物膜的生長狀態(tài)及操作條件(溫度、水力負(fù)荷、溶解氧濃度)等[6-7]。本試驗(yàn)中由于缺氧柱進(jìn)水是經(jīng)過好氧生物砂濾柱處理的城市二級處理出水,可生化性較差,能被微生物利用的有機(jī)物量極少,因此,為達(dá)到較好的反硝化效果需要投加外碳源以提高C/N比。

當(dāng)C/N比從5.0繼續(xù)增加時(shí),TN去除率提高緩慢。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)缺氧柱進(jìn)水中的碳源充足,有機(jī)碳源已經(jīng)不是生物反硝化脫氮的限制性因素。同時(shí),過高的 C/N比會導(dǎo)致系統(tǒng)出水的CODCr超標(biāo)。因此,綜合考慮確定O/A兩級生物砂濾工藝的最佳C/N比為5.0。

3.2 C/N比對O/A生物砂濾工藝除碳效果的影響

本試驗(yàn)也考察了C/N比生物砂濾柱除碳效果的影響,缺氧柱在不同C/N比條件下對CODCr的去除效果如圖5所示。

由圖5可知,當(dāng)C/N比在3.0～5.5之間變化時(shí),盡管進(jìn)水CODCr濃度變化較大,但O/A兩級生物砂濾工藝對CODCr的處理效果良好,且保持穩(wěn)定,對 CODCr的去除率穩(wěn)定在 45%左右,出水CODCr平均濃度為48.5mg/L。可見C/N比對O/A兩級生物砂濾工藝的除碳效果無明顯影響,說明該處理系統(tǒng)具有一定的耐有機(jī)負(fù)荷沖擊能力和水質(zhì)適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

1)O/A兩級生物砂濾工藝可間斷運(yùn)行,該工藝的二次啟動迅速,通水運(yùn)行后,經(jīng)過8 d的時(shí)間即可恢復(fù)正常。

2)C/N比對該工藝的后置反硝化效果影響明顯,當(dāng)C/N比為5.0時(shí),系統(tǒng)的脫氮效果最好,TN平均去除率穩(wěn)定在30%以上。同時(shí),該工藝對CODCr和-N也具有良好的去除效果,平均去除率分別達(dá)到45%和65%以上,出水TN、CODCr和-N均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3)C/N比對該工藝的除碳效果無明顯影響,這說明該工藝具有一定的耐有機(jī)負(fù)荷沖擊能力和水質(zhì)適應(yīng)能力。

[1] 傅金祥,李 微,劉首永,等.O/A式曝氣生物濾池掛膜啟動試驗(yàn)[J] .沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(5):828-831.

[2] 周碧波,操家順,徐哲明.反硝化生物濾池的掛膜與啟動[J] .環(huán)境科技,2009,22(3):5-7.

[3] 陸宇駿.A/O生物濾池快速啟動的試驗(yàn)研究[J] .山西建筑,2009,35(22):188-189.

[4] 李思敏,唐鋒兵,楊旭東.生物砂濾池對城市二級出水中氨氮的去除效果研究[J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,25(4):45-49.

[5] 董平,矯健,張鑫.堿性過硫酸鉀-水揚(yáng)酸法測定脫水污泥總氮[J] .黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,19(4):258-261.

[6] AESOY A,QDEGAARD H.Denitrification in a packed bed biofilm reactor(biofor)-experiments with different carbon sources[J] .Water Res,1998,32(5):1463-1470.

[7] 李思敏,王俊,宋曉娟.不同混凝劑除磷效果的研究[J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,27(1):32-35.