聚乙烯填料序批式移動床生物膜反應器工藝處理低溫市政污水效能研究

傅金祥 張 桐 丁 麗， 馬學民

(1.沈陽建筑大學遼河流域水污染防治研究院，遼寧 沈陽 110168；2.中核撫順環保科技有限公司，遼寧 撫順 113000)

氮、磷是重要的營養源，但污水中高濃度的氮、磷會導致水體富營養化，不僅給人們的生活帶來很大影響，而且嚴重影響工農業生產[1-2]。迄今為止，與物理化學處理相比，生物脫氮除磷更為有效、成本相對低廉、環保，在污水處理中得到廣泛應用。溫度是影響微生物活性并對污水處理有較大影響的關鍵參數[3-5]。低溫條件下活性污泥沉降性能變差，吸附能力下降，微生物群落結構發生變化。針對這一問題，大多數污水處理廠通常采用投加化學藥劑、降低污染負荷、增加污泥回流和污水停留時間的方法來保證低溫污水達到出水標準[6]。這些措施會增加工程投資和運行成本，因此有必要探索一種更有效的方法來改善傳統工藝在低溫下性能不佳的問題。

序批式移動床生物膜反應器(SBMBBR)是在傳統活性污泥法基礎上[7]，在反應器中投加能懸浮在水中的填料，使微生物在填料表面更好地生長，從而實現對污染物去除的方法。本研究在低溫條件下采用SBMBBR對低溫污水進行處理，提出了最佳運行參數，并對不同規格的聚乙烯填料進行對比分析，為類似條件下污水處理廠改造擴建工程提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。SBMBBR內徑140 mm，外徑150 mm，高 1 m，每隔100 mm均勻設置取樣口(出水口)，便于取樣檢測水質指標。在裝置底部曝氣盤上連接空氣泵，用氣體流量計控制溶解氧(DO)質量濃度(未特殊說明時，缺氧段DO≤0.5 mg/L，好氧段DO為5.0～7.0 mg/L)，裝置運行采用A/O工藝，反應流程依次為進水階段、反應階段、沉淀階段、出水階段、閑置階段。填料采用兩種不同規格和顏色的聚乙烯填料，填料參數見表1。

1—進水口；2—電機；3—出水口；4—填料；5—攪拌槳；6—水泵；7—氣體流量計；8—空氣泵圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2 接種污泥和水質指標

裝置中的污泥采用撫順市某污水處理廠二沉池回流污泥，污泥質量濃度為3 800～4 200 mg/L。進水為人工模擬配水，利用KH2PO4、葡萄糖、NH4Cl、NaHCO3配置，進水水質指標見表2。

1.3 實驗方法和運行條件

共設3組裝置，分別記為R1、R2、R3，其中R1為無填料，R2填充黑色聚乙烯填料，R3填充白色聚乙烯填料。啟動階段每天3個周期，單個周期內缺氧2 h，好氧5 h，沉淀1 h。低溫實驗室溫度保持在4～7 ℃，實際水溫為9～12 ℃。水力停留時間(HRT)為48 h，啟動階段均不投加填料，通過分析3組裝置的污染物平均去除率判斷是否啟動成功。穩定運行階段填料填充率為30%，通過分析污染物的去除效能對R2、R3進行對比研究。改變缺氧、好氧時間，好氧段DO濃度，HRT以確定最佳運行參數。

1.4 檢測方法

COD、氨氮和TP等常規指標采用《水和廢水監測分析方法(第四版)》中的分光光度法測定，儀器為WFJ2100型可見分光光度計；DO和溫度采用便攜式DO儀測定;pH采用便攜式分析儀測定。

2 結果與討論

2.1 啟動研究

低溫使傳統的生物脫氮除磷面臨巨大挑戰[8]，從圖2可以看出反應器在運行64 d時，COD和氨氮的平均去除率分別為73.5%和61.4%，TP的去除率為45.8%，進水COD長期保持在設定的水平，出水COD長期保持在一定范圍內，可初步認為啟動成功[9]。本研究中低溫下污染物去除率較低，這與王振等[10]的研究結果類似(當系統溫度從20 ℃降至10 ℃時，氨氮的去除率由93.7%驟降至48.0%)，說明低溫顯著抑制生物脫氮。分析認為低溫會抑制微生物的活性，使得酶活性降低，細胞膜的流動性也會變差，營養物質吸收和代謝產物分泌受阻，從而抑制了微生物的降解能力。同時長期運行反應器有助于提高系統生物脫氮的能力[11]，即系統內微生物經過長期馴化，適應了處理環境，從而提高了脫氮效能。

2.2 穩定運行研究

啟動成功后向R2、R3中投加填料，在投加填料7 d后可以觀察到填料表面有明顯的生物膜。圖3、圖4分別為R2、R3在穩定運行階段的COD、氨氮、TP去除率。31 d后R2中COD、氨氮、TP的去除率分別為79.4%、71.2%和54.9%，相應的出水質量濃度分別為72.3、9.8、2.3 mg/L。與R1相比，R2處理效果有明顯提升，表明富集生物膜可顯著提高低溫污水脫氮效果。31 d 后R3中COD、氨氮、TP的去除率分別為83.6%、74.4%和60.8%，相應的出水質量濃度分別為57.5、8.7、2.0 mg/L，表明白色聚乙烯填料更利于生物掛膜，可提升對低溫市政污水的處理效果。分析原因為R3中白色聚乙烯填料孔隙率高，具有更好的吸附性，掛膜效果更佳，因此R3處理效果明顯優于R1和R2。

表1 填料參數Table 1 Parameters of the filler

表2 進水水質指標Table 2 Influent water quality index

圖2 啟動期間的COD、氨氮、TP平均去除率Fig.2 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate during start-up

2.3 參數優化研究

2.3.1 缺氧、好氧時間優化

在HRT為48 h，好氧段DO為5.0～7.0 mg/L的條件下，分析缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式和缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h模式下運行27 d的出水效果，結果如圖5所示，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式下R1中COD、氨氮和TP的去除率分別為87.7%、93.5%和59.2%，較缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的模式分別提高了14.2百分點、32.1百分點和13.4百分點，前者相應的出水質量濃度分別為44.4、1.9、2.0 mg/L，其中COD、氨氮出水濃度可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準(≤50、≤8 mg/L)。

缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式(HRT為48 h)運行下，R2中COD、氨氮去除率為90.5%、95.8%，相應的出水質量濃度分別為34.2、1.3 mg/L，均能達到GB 18918—2002一級A排放標準，TP出水質量濃度下降到1.8 mg/L，去除率上升到63.3%；R3中COD、氨氮、TP去除率分別可達92.7%、98.1%和67.3%，相應的出水質量濃度分別為26.5、0.6、1.6 mg/L，R3的低溫污水處理效率較其他兩組反應器更高。延長缺氧時間可顯著提高除磷效率，當缺氧時間延長，吸收儲存有機物且用于后續反應的能量增多，可提供給聚磷菌吸磷的能量也增多，從而使得TP去除率上升；當缺氧時間縮短時，大部分COD被好氧異養菌攝取，好氧異養菌過量繁殖[12]，從而抑制硝化反應，降低脫氮效率。

2.3.2 好氧段DO優化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，HRT為48 h的條件下，改變好氧段DO，使其依次為3.0～4.5、>4.5～6.0、>6.0～7.5 mg/L，每次穩定運行15 d后運行下一好氧段DO濃度。結果表明，COD、氨氮和TP的去除率隨好氧段DO濃度的增加而提高。當好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L時，R1中COD、氨氮和TP的出水質量濃度分別為50.5、1.9、1.9 mg/L；R2和R3中COD的出水質量濃度分別為38.1、32.2 mg/L，氨氮的出水質量濃度分別為1.0、0.8 mg/L，TP的出水質量濃度分別為1.8、1.7 mg/L。低溫環境下，需要更高的好氧段DO，以保證反應器內部污泥的需求和實現微生物的降解作用[13]。當DO濃度低時，硝化作用受到限制，反硝化無充足的底物濃度，這會明顯影響脫氮效果。隨著好氧段DO濃度的提高，好氧吸磷的作用更加明顯，因而TP的出水濃度有所降低。綜合考慮，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L是處理低溫污水最佳的運行條件。

圖3 R2在穩定運行期間的COD、氨氮、TP去除率Fig.3 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R2 during stable operation

2.3.3 HRT優化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L的條件下，改變HRT，使其分別為18、20、21、24、28、34、42、56、82 h，每個HRT穩定運行7 d后分析相應的污染物去除率和出水濃度。結果表明，HRT與COD、氨氮、TP去除率呈正相關，即HRT越小，COD的去除率越低，出水濃度越高。當HRT為82 h時，R1中COD的去除率為88.1%，相應的COD出水質量濃度為41.8 mg/L；當HRT為42 h時，R2和R3中COD的去除率分別為85.5%和87.6%，相應的COD出水質量濃度分別為48.3、41.3 mg/L；此時COD可以達到GB 18918—2002一級A排放標準(≤50 mg/L)。當HRT為28 h時，R1中氨氮的去除率為78.2%，氨氮出水質量濃度為7.4 mg/L；當HRT為24 h時，R2和R3中氨氮的去除率分別為77.6%和84.4%，相應出水質量濃度為7.6、5.3 mg/L；此時氨氮可以達到GB 18918—2002一級A排放標準(≤8 mg/L)。

圖4 R3在穩定運行期間的COD、氨氮、TP去除率Fig.4 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R3 during stable operation

圖5 不同缺氧、好氧時間的處理效果Fig.5 Treatment effect under different anoxic and aerobic time

HRT的變化對去除效率影響較大，脫氮作用隨著HRT的下降而減弱，究其原因：(1)低HRT意味著氮高負荷，會抑制硝化作用，從而影響硝化效果；(2)在低HRT下，利用有機物為碳源進行脫氮的效率較低[14-16]。綜合分析可知，為使反應器在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L的條件下低溫脫氮效果最佳，應取R1中HRT為82 h，R2和R3中HRT為42 h，此時COD、氨氮出水濃度可達到GB 18918-2002一級A排放標準。

3 結 論

(1) 黑色聚乙烯與白色聚乙烯填料可顯著提高低溫污水脫氮效率，穩定運行期間，投加黑色聚乙烯填料的R2中COD、氨氮、TP的去除率分別為79.4%、71.2%和54.9%，污染物去除率較無填料的反應器有所提高。投加白色聚乙烯填料的R3中COD、氨氮、TP的去除率分別為83.6%、74.4%和60.8%，投加白色聚乙烯填料處理效果最佳。

(2) 參數優化研究發現，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h被確定為首選的操作模式。好氧段DO濃度和HRT對低溫脫氮有一定影響。在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的條件下，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L，R1中HRT為82 h時最佳，R2和R3中HRT為42 h時最佳，此時COD、氨氮出水濃度可達到GB 18918—2002一級A排放標準。