流化床填料在生物脫氮工藝中的利用研究

吳金

摘要 試驗(yàn)使用一種新型流化床載體填料，研究表明運(yùn)行效果良好。新型流化床填料投加率為30%、水力停留時間為7 h時，DO在1.5～2.0 mg/L范圍內(nèi)，可以作為流化床生物膜反應(yīng)器最佳氮磷去除的控制參數(shù)。新型流化床填料對本試驗(yàn)?zāi)M廢水中有機(jī)物及氨氮具有良好的去除效果，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。

關(guān)鍵詞 流化床；填料；生物脫氮；廢水處理

中圖分類號 X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0175-02

生物流化床（biological fluidized beds，BFBs）廢水處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代初期由美國首先開始進(jìn)行研究和應(yīng)用的，它以生物膜法為基礎(chǔ)，吸取了化工操作中的流態(tài)化技術(shù)，形成了一種高效的廢水處理工藝，是生物膜法的重要突破[1]。

以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁環(huán)、玻璃珠、多孔球等一類較小惰性顆粒為載體，微生物棲息于載體表面，形成薄層。生物膜廢水或廢水和空氣的混合液由下而上以一定的速度通過床層，使載體流化，污染物在與懸浮相生物和附著相生物的不斷接觸中得以降解。從原理上講，生物流化床通過載體表面的生物膜發(fā)揮去除作用，但在反應(yīng)器內(nèi)部生物膜隨載體顆粒在水中呈懸浮態(tài)。因此，生物流化床同時具備懸浮生長法的一些特征，是一類既具有固定生長法特征又有懸浮生長法特征的反應(yīng)器，克服了固定床生物膜法中固定床操作存在的易堵塞問題[2-3]。

目前，阻礙該技術(shù)實(shí)用化和工業(yè)化的主要問題是高效的固定化反應(yīng)器及運(yùn)行方式、生物相容性載體的使用壽命及物理特性、高效且有競爭力的微生物種群的選擇[4]。本文試驗(yàn)使用一種新型流化床載體填料，研究表明運(yùn)行效果良好。

1 材料與方法

1.1 載體填料的形式結(jié)構(gòu)與特性

本工藝設(shè)計用的新型流化床載體填料為一種有機(jī)高分子聚合物材料，具有如海綿一樣疏松多孔的立體結(jié)構(gòu)，比表面積大（9 100 m2/m3），粒料尺寸結(jié)構(gòu)均一（10 mm×10 mm×10 mm），無生物毒性，不易生物降解，具有較高的生物親和性和親水性，同時抗磨損性能強(qiáng)。因載體濕密度略小于水，投入水中后的初期多為漂浮狀態(tài)，隨著生物量的逐漸附著生長，其整體密度變得略大于水而逐漸變?yōu)閼腋』蛳鲁翣顟B(tài)，極易隨著水體的流動而呈現(xiàn)流化狀態(tài)。新型流化床載體填料外觀及其在反應(yīng)槽內(nèi)狀態(tài)見圖1。

填裝密度在此是指填料載體在反應(yīng)器中所占的體積比例，本次采用30%的體積比來投加，此時反應(yīng)器中的填料載體的比表面積約占3.03 m3/L。

1.2 工藝流程

本工藝為常規(guī)活性污泥處理工藝，進(jìn)水原水為含氮廢水，原水呈堿性，經(jīng)過pH值調(diào)節(jié)后進(jìn)入混凝沉淀，沉淀出水進(jìn)入生物流化床反應(yīng)槽，最終進(jìn)入二沉池沉淀后清水外排至監(jiān)測點(diǎn)。系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)電氣全自動化控制，通過溶氧儀檢測水中溶氧量，控制供氧鼓風(fēng)機(jī)的啟停。工藝流程圖見圖2。

1.3 活性污泥的培養(yǎng)與馴化

通過接種生活污水處理廠的剩余污泥來縮短污泥的培養(yǎng)周期，因工廠生產(chǎn)工藝原因，排入本設(shè)備原水有其特殊性，進(jìn)水有機(jī)底物含量相對較低，而氮素含量相對偏高，磷含量較少，幾乎不含有，所以需要投加適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)物及磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)來平衡水體底物濃度，將水中主要底物的含量比控制在適當(dāng)?shù)姆秶g，同時提高廢水生化性。投加的營養(yǎng)物質(zhì)主要是葡萄糖和磷酸二氫鉀，用以提高水中BOD5及P含量。系統(tǒng)原水與調(diào)整后進(jìn)水水質(zhì)見表1。

在污泥的培養(yǎng)過程中，載體填料宜分少量多次投加，每次投加前最好在上一次投加的填料能夠隨著曝氣攪拌進(jìn)入流化狀態(tài)為宜。

1.4 參數(shù)設(shè)置

①系統(tǒng)總進(jìn)水量為120 m3/d。②污泥負(fù)荷：根據(jù)序批式反應(yīng)器的特點(diǎn)，結(jié)合填料載體的優(yōu)點(diǎn)可以將污泥量控制在4 500 mg/L以上。③pH值：因脫氮工藝中，硝化細(xì)菌氧化1 g氨氮大約需要消耗7.14 g的CaCO3堿度，而還原1 g硝態(tài)氮，約產(chǎn)生3.57 g CaCO3堿度，所以在脫氮過程中，會消耗一定的堿度，因此要控制反應(yīng)器中的堿度，將pH值控制在8左右，確保硝化過程中的堿度消耗。④TKN/MLSS：控制在0.02～0.03 kg/（kg·d）。⑤BOD5/TN：>8。⑥溶解氧：溶解氧控制在1.5～2.0 mg/L，可利用溶氧儀通過PLC控制聯(lián)動鼓風(fēng)機(jī)的啟停，來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器中溶解氧含量的控制。溶解氧不宜過高，水中溶解氧充足會導(dǎo)致填料中間不易形成厭氧區(qū)域。在污泥培養(yǎng)初期，為獲得大量污泥，可適當(dāng)提高溶氧量；當(dāng)填料上附有大量活性污泥菌落體，好氧污泥培養(yǎng)成熟，載體附著效果明顯后（圖3），可適當(dāng)調(diào)整供氧量，促使載體填料內(nèi)部形成厭氧區(qū)域（圖4），繁殖厭氧菌群，但供氧量需控制適當(dāng)，過小容易使整個載體填料上的菌群變成厭氧菌群，致使填料載體整體變成黑色，內(nèi)部伴有腐臭味。

載體布滿活性污泥菌群停留時間：反應(yīng)槽有效容積17 m3，停留時間約7 h。

1.5 水質(zhì)分析方法

COD：重鉻酸鉀法；TN：過硫酸鉀-紫外分光光度法；NH4+-N：納氏試劑光度法；TP：過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法[5]。

2 結(jié)果與分析

出水水質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型流化床填料對本試驗(yàn)?zāi)M廢水中有機(jī)物及氨氮具有良好的去除效果，pH=7.3條件下，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為83.1%、93.8%、67.7%和57.1%。流化床生物膜反應(yīng)器填料投加率為30%、水力停留時間為7 h時，DO在1.5～2.0 mg/L范圍內(nèi)，可以作為MBBR最佳氮磷去除的控制參數(shù)。

3 討論

流化床載體的脫氮原理在于生物相附著于載體填料中，通過載體的立面結(jié)構(gòu)使不同位置上附著生長不同的優(yōu)勢菌種，載體的外表面及近表面可以獲得較多溶解氧而使硝化細(xì)菌成為優(yōu)勢菌種，而隨著載體內(nèi)部的逐漸深入溶解氧的逐漸消耗，內(nèi)部形成一個相對密閉的厭氧環(huán)境，厭氧反硝化細(xì)菌在此成為了優(yōu)勢菌種，整個載體形成一個共生協(xié)作團(tuán)體，消化細(xì)菌通過硝化作用消耗溶解氧為反消化細(xì)菌提供厭氧環(huán)境，同時生成硝酸鹽傳遞至載體內(nèi)部，進(jìn)行反硝化脫氮，整個載體形成一個微型的AO工藝，使得原本在2個反應(yīng)器中分開進(jìn)行的反應(yīng)能夠在一個反應(yīng)器中完成[6-7]。

反應(yīng)器中投加載體填料，可提高反應(yīng)器中的污泥濃度，提高污泥的耐沖擊負(fù)荷，生物相附著在載體中生長，不隨反應(yīng)器的出水而流出，理論上是無限地延長了污泥的泥齡，而生物相附著在載體上，不隨出水流出能保證污泥量，使反應(yīng)器中保持一個較高的生物污泥量，同時省去的污泥回流環(huán)節(jié)，節(jié)約成本與能源。載體流化床工藝適合污水生物處理工藝，具有良好的COD去處功能的同時具備生物脫氮功能，適用于含氮廢水的脫氮處理。

4 參考文獻(xiàn)

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