水解-沸石柱生物濾池深度處理污水的研究

肖博俊,黎 莉,胡文斐

(1.廣東省環境工程裝備總公司,廣東廣州510635;2.龍澄高科技環保有限公司,廣東深圳518057; 3.中國輕工業武漢設計工程有限責任公司,湖北武漢430060)

水資源短缺和水污染成為我國當今最為緊迫的問題,成為我國經濟持續發展的瓶頸[1]。城市污水也是一種寶貴的水資源,將城市污水深度處理并加以回用將是解決水資源短缺并且控制由于城市污水帶來的污染的新思路,能夠加速城市水資源的良性循環。污水回用一般用于景觀水,補充水源,工業用水或者直接排放。但是,由于污水處理過程對于NH+4-N的處理效果不佳,污水中的NH+4-N濃度較高。高濃度的NH+4-N將導致水體的富營養化使得藻類大量繁殖,此外,水中NH+4-N對人體和水生生物有一定的毒性,對魚類的致毒劑量為2.6× 10-6mg/L[2]。

沸石是呈骨架狀結構的多孔性、含水、鋁硅酸鹽晶體,理想的沸石化學式為[3]:Mx/n[AlxSiyO2(x+y)]· p H2O,式中M為堿金屬(如Na,K,Li)和堿土金屬(如Ca,Mg,Ba,Sr),n是陽離子電荷數。沸石比表面積越大,其吸附性越好,對NH+4-N具選擇交換性,因此已被成功地應用于污水處理廠。美國和日本都已經建造了一定規模的天然沸石污水處理廠,利用天然沸石去除城市或工業廢水中的在國內外已得到較為廣泛的研究[4-5]。

試驗是利用沸石作為生物濾池填料,既能夠利用附著在沸石上的微生物降解有機物又能利用微生物和離子交換作用起到對NH+4-N較好的去除效果;并且依靠微生物的作用使得吸附飽和的沸石可以生物再生。本文探討水解酸化-沸石柱生物濾池作為污水深度處理的可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示。

圖1 中試試驗工藝

污水二級出水中有機物的主要成分是微生物分泌的一些胞外物質和來自自來水中的天然有機物,這些有機物可生化性較差[6]。所以在本試驗中二級出水先經過水解罐進行水解預處理,能起到水解大分子、難降解有機物及提高廢水可生化性的作用[7]。

水解罐用有機玻璃加工而成,尺寸為120 cm× 120 cm×140 cm(有效容積為1 350 L)。沸石柱為內徑15 cm,高320 cm的有機玻璃柱,柱內裝填了200 cm,粒徑為20～30 mm的改性斜發沸石,沸石的表面積為4.9 m2/g。沸石下部有15 cm的卵石承托層,并且分布有曝氣管,同時兼作反沖洗進氣管。反應器采用向上流形式,沿柱高分布采樣口,由下端進水,從上端出水,空氣由柱底進入。本試驗采用氣水聯合反沖洗方式,氣沖洗3 min,強度為15 L/ (m2·s);氣水同時反沖洗,時間4 min,氣沖洗強度為15 L/(m2·s),水沖洗強度為5 L/(m2·s);單獨水反沖洗5 min,沖洗強度為5 L/(m2·s),總共12 min左右。試驗中根據水力負荷和氣水比不同,待每個工況運行穩定后,再測定有關指標,長期運行過程中溫度變化不大,每日取樣后進行測試分析。

1.2 試驗水質

試驗在南方某城市污水廠進行,該污水廠采用常規的活性污泥法工藝。試驗以該污水廠的二級污水出水為源水。試驗水質見表1所示。

表1 污水二級出水水質

1.3 水質分析方法

樣品每天取出后立刻進行分析,實驗過程中水質分析均按照國家標準方法進行,具體方法見表2。

表2 水質分析方法

2 結果與討論

2.1 水解酸化實驗效能

試驗中二級出水先經過水解罐進行水解預處理,在常溫過程中迅速將固體物質轉化為溶解態的物質,復雜的大分子有機物降解為易于生物降解的小分子有機物,提高了污水的可生化性。并且在厭氧反應器中由于微生物的生物降解和吸附作用,具有很強的抗沖擊負荷的能力,能為后續生物沸石柱提供穩定的進水水質。反應器中的污泥采用二沉池剩余污泥,通水約1個月后開始檢測二級生化系統的CODCr,N-N,TP去除情況,此時該反應器出水水質已經基本穩定。

該水解酸化段對于CODCr的去除率為8%～20%-N的去除率為6%左右,這說明厭氧處理去除-N效果較差,試驗期間進水ρ(TP)平均值為4.91 mg/L,出水ρ(TP)平均值為4.69 mg/ L,平均去除率為4.9%,這說明系統對 TP的去除率很低,基本上是通過生物同化作用完成的。由于該系統難以提供生物除磷的基本條件,因此磷的去除必須依靠其它工藝來完成。

2.2 沸石柱濾池的掛膜

試驗采用先接種污泥后再通過連續運行的方式[8]。接種污泥先悶曝5 d,然后在進水流量為40 L/h,氣水比為3:1的條件下運行。一段時間后改性沸石表面包裹的生物膜顏色逐漸加深。同時出水CODCr和的去除率均穩定,至此掛膜完成。

圖2 掛膜過程中氨氮變化規律

圖3表示在掛膜過程中2 d,4 d,6 d,8 d和10 d在改性沸石柱不同高度上生物量的變化情況。對比不同高度生物量的變化,發現在沸石柱進水端生物膜含量最高,沿水流方向生物膜量逐漸降低。水中可被微生物利用的有機物沿水流方向不斷的被微生物分解、吸收和利用。因此,進水端微生物含量最高,而沸石柱頂部營養基質不足,限制了微生物的生長。對比不同時間生物量的變化,發現隨著時間的變化,生物量發生了變化。在掛膜初期,生物量較低,6 d后生物量基本達到穩定。所以,通過實驗發現經過5 d的悶曝再加上10 d的運行,沸石柱表面的微生物掛膜成功。

圖3 掛膜過程中生物量變化規律

2.3 不同運行參數對試驗的影響

2.3.1 水力負荷對運行效能的影響

水力負荷是系統運行過程的關鍵性參數之一。一方面,水力負荷的大小直接關系到污水在反應器中的水力停留時間,也就是污水與反應器內微生物作用的平均反應時間。另一方面,水力負荷的大小在控制生物膜厚度、改善傳質方面也有一定的作用,水力負荷的提高,其紊流剪切作用對膜厚的控制以及對傳質的改善有利[9],另外水力負荷還直接關系到系統的能耗。因此,不同的工藝應有其適宜的水力負荷,本研究目的在于通過試驗找出最適合本中試試驗的水力負荷。

試驗條件在氣水比3∶1,試驗水溫為20℃～30℃,改變進水的流量從而改變進水的水力負荷。在不同的水力負荷工況下運行穩定后,測試進出水CODCr,N,TN,SS,計算各污染指標的去除率,從而探索最佳的水力負荷值。

水力負荷對處理效能的影響如圖4所示。隨著水力負荷的增大(即流量的增大),水力停留時間(HRT)縮短,CODCr/-N/TN/SS去除率降低,出水 CODCr//TN/SS濃度變大。同時,水力負荷的增加,加大了對沸石表面的沖刷,有利于膜的更新。但是,水力負荷也不能過大,水力負荷過大對生物膜的沖刷太劇烈,造成生物膜不宜附著在濾料上,同時出于經濟性考慮也不能太大。因此,綜合考慮之后將進水的水力負荷定為2.8 m3/ (m2·h),在以后的試驗中均采用這個水力負荷。

圖4 水力負荷對污染物去除的影響

2.3.2 氣水比對運行效果的影響

氣水比是指曝氣量與進水流量之比,直接影響到曝氣池內的溶解氧(DO)濃度。增大氣水比,可提高混合液中DO的質量濃度,同時使生物膜表面的基質更新加快,促進了基質的傳遞。但氣水比不能太大,因為氧在混合液中的溶解度有限,過大的曝氣量并不能持續提高DO的質量濃度,相反使得動力消耗增加,相應的運行費用也會增加。另外過大的氣水比會表現為氣速過大,產生很大的剪切力使大量微生物膜從填料壁上剝落流失,加劇對生物膜的沖刷,不利于污染物的截留和微生物的增殖[10]。

為了研究氣水比對生物濾池的處理效果的影響。設置試驗條件在水利負荷為2.8 m3/(m2·h),流量為40 L/h的條件下,試驗水溫為25℃～30℃,改變氣水比。在不同的氣水比工況下運行穩定后,測試進出水CODCr,NH+4-N,TN,SS,計算各污染指標的去除率。

氣水比對于污染物去除效果的影響如圖5所示。

隨著氣水比的升高對于SS的去除有稍微的升高,影響較小。隨著氣水的增加對于NH+4-N的去除效能一直增加,這可能是由于大的氣水比造成沸石孔內堵塞的顆粒物能夠得到很好的清洗。但是對于CODCr/TN的影響出現了拐點,當氣水比為3∶1時對于二者的去除效能達到了最大,繼續增加氣水比不但不增加去除效能反而降低,這可能是由于過大的氣水比具有很大的剪切力,使得大量的微生物從沸石表面脫落,不利于CODCr和 TN的轉化。綜合考慮,為了獲得很好的污染物去除效果和沸石表面的動態再生,同時為了節省能量,后續試驗采用在氣水比為3:1的情況下進行運行。

2.4 穩定運行效果

圖5 氣水比對污染物去除的影響

通過對沸石柱運行的影響因素進行分析,得到了最佳運行條件。條件如下:試驗期間進水流量為40 L/h,空床水流速為2.8 m/h,氣水比為3:1,試驗水溫為25℃～30℃。當工況運行穩定后再測定相關指標,當水頭損失達到60 cm時進行反沖洗。通過連續3個月的運行,考察該系統對污水深度處理效能。

沸石柱生物濾池對NH+4-N的去除主要是由上述離子交換和硝化反應共同作用的結果,在運行初期離子交換占主要作用,到掛膜穩定后,硝化作用就會起到主要作用。沸石柱對于NH+4-N的去除效果如圖6所示。

圖6 沸石柱生物濾池對NH+4-N的去除

試驗期間進水 NH+4-N質量濃度為22～35 mg/L,平均質量濃度為28.6 mg/L。沸石柱生物濾池對NH+4-N的平均去除率為84%,較一般的曝氣生物濾池去除NH+4-N的效率要高[11]。處理出水的NH+4-N質量濃度為0.58～3.77 mg/L,平均質量濃度為1.85 mg/L,達到了景觀環境用水水質標準、城市生活雜用水水質標準和工業用水水質標準。由此可見,沸石柱對于NH+4-N的去除具有非常高的效果,并且相當穩定,這也說明了用沸石作為填料的生物濾池在去除NH+4-N的時候不僅僅是依靠沸石的離子交換作用,當穩定運行后,沸石柱上附著的微生物對于NH+4-N的去除起到了關鍵的作用。

污水處理生物反應器對有機物的去除能力是評價反應器性能的最重要指標之一,而CODCr是污水處理中用來表征污水中有機物含量的重要指標。沸石柱生物濾池對于有機物的去除效果見圖7。

圖7 沸石柱生物濾池對CODCr的去除

試驗期間進水 CODCr質量濃度變化范圍為43.8～64 mg/L,平均為53.8 mg/L。由圖7可見進水有機物濃度波動較大而出水卻相當穩定表明沸石柱生物濾池具有良好的抗水質負荷沖擊能力。對于CODCr的去除率變化范圍為71%～85%,平均為78.3%。處理出水CODCr5.94～20.16 mg/L,平均為12.1 mg/L。試驗結果表明沸石柱生物濾池對生活污水中的有機污染物有較好的去除能力,處理水的CODCr滿足回用要求,達到了城市雜用水,景觀用水、工業用水和農業灌溉水的國家標準。

試驗期間TP的變化情況如圖8所示。

圖8 沸石柱生物濾池對TP的去除

試驗期間進水 TP質量濃度1.5～3.2 mg/L,平均質量濃度為2.13 mg/L,出水 TP質量濃度1.18～3.0 mg/L,平均質量濃度1.96 mg/L,去除率為7.98%。從圖8可以看出沸石柱生物濾池運行期間對TP的去除率很低基本上是通過生物同化作用完成的。生物除磷通常要求生物反應器能夠提供厭氧好氧交替進行的運行條件,使得微生物漸次完成釋磷,吸磷,最后通過富磷污泥的排放實現磷的去除。沸石柱生物濾池反應器的結構比較簡單,以好氧生物氧化和物理截留為主要手段難以提供生物除磷的基本條件。故沸石柱生物濾池反應器實現生物除磷比較困難。應當與化學沉淀法相互結合才能達到除磷的目的。

3 結論

(1)通過水解酸化段對于 CODCr的去除率為8%～20%,NH+4-N的去除率為6.1%,TP平均去除率為4.89%。

(2)通過接種污泥的方式對沸石柱進行掛膜,發現效果良好,經過5 d的悶曝再加上10 d的運行,沸石柱表面的微生物掛膜成功。

(3)通過試驗確定了系統最佳水力負荷為2.8 m3/(m2·h),最佳氣水比為3:1。

(4)通過連續3個月的運行發現:系統對于NH+4-N的平均去除率為84%,出水的NH+4-N質量濃度平均值為1.85 mg/L;對于CODCr的去除率平均為78.3%,出水CODCr質量濃度平均為12.1 mg/L,達到多種回用水標準。對于磷的去除效能較差,需要化學沉淀法配合處理。

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