一種磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填料

董進(jìn)波,趙文青,解清杰

(1.江蘇滿江春城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212008;2.江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

對(duì)于涉及微生物的生物凈化水質(zhì)工程,其中特別需要設(shè)置微生物掛膜的載體,因此微生物掛膜的掛膜填料裝置會(huì)直接影響到水質(zhì)凈化的效果。傳統(tǒng)生物膜法的原理是在水處理構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置填料作為生物載體,待其掛膜后,污水流過填料。污水中的有機(jī)物被微生物分解,從而達(dá)到凈水目的[1]。填料作為其中重要的組成部分,是形成密集和多樣化的微生物群落,加強(qiáng)降解效率的關(guān)鍵[2-3]。因此,填料的開發(fā)和選擇一直以來是污水處理的研究重點(diǎn)[4]。

目前,水處理中常用的填料為有機(jī)聚丙烯纖維、聚氨酯纖維及無機(jī)沸石等。王廣州等[5]發(fā)現(xiàn),以聚丙烯纖維、沸石為填料去除黑臭湖水中氨氮時(shí),其去除率分別可達(dá) 89.7%,50.5%。曹新等對(duì)比發(fā)現(xiàn),相較于沸石,聚丙烯纖維具有更好的生物親和性[6]。張莉紅等對(duì)比不同載體的掛膜效果發(fā)現(xiàn),聚氨酯纖維的啟動(dòng)掛膜快,處理效果好[7]。然而,生產(chǎn)有機(jī)纖維類載體的過程會(huì)生成危害環(huán)境的副產(chǎn)物,且此纖維難降解,易造成二次環(huán)境污染[8]。與之相比,無機(jī)玄武巖纖維是通過礦石破碎熔融后拉制而成的,生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有毒氣體,對(duì)環(huán)境友好;同時(shí),無機(jī)玄武巖纖維具有較大面積和獨(dú)特生化特性,對(duì)污水處理效果較優(yōu)[9]。

1 填料的開發(fā)

1.1 技術(shù)方案

一種磁場強(qiáng)化的生物巢填料,包括安裝套和圓環(huán)部。安裝套內(nèi)安裝有永磁體,安裝套和圓環(huán)部之間連接有多個(gè)巢絲單元。

1.2 裝置的設(shè)計(jì)

如圖1生物巢填料示意圖所示。

圖1 生物巢填料示意圖

一種磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填料,包括安裝套2和圓環(huán)部4。安裝套2內(nèi)安裝有永磁體3。安裝套2和圓環(huán)部4之間連接有多個(gè)巢絲單元5。巢絲單元5呈孔雀翎型。巢絲單元5與安裝套2連接的一端匯聚,與圓環(huán)部4連接的一端發(fā)散。多個(gè)巢絲單元5呈圓環(huán)形等間距分布。安裝套2由塑料制成。安裝套2的高度在15～20 cm之間;圓環(huán)部4的外徑在10～15 cm之間,內(nèi)徑在4～6 cm之間。永磁體3為磁棒,磁場強(qiáng)度不少于50 mT。另外還包括拉繩1,安裝套2固定于拉繩1處。圖2為圖1中A區(qū)域的放大部分,更清楚地展示了磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填料的重要組成部分。污水處理廠中常見的生物巢填料的俯視圖如圖3所示。

圖2 A區(qū)域放大圖

圖3 生物巢填料俯視示意圖

如圖4和圖5所示,安裝套2的頂端固定有圓環(huán)形的頂部環(huán)形板2.1。頂部環(huán)形板2.1處具有多個(gè)第一通孔2.2,第一通孔2.2用于與生物巢絲單元5的匯聚端固定連接。圓環(huán)部4上表面處具有多個(gè)呈環(huán)形等間距分布的連接區(qū)域4.1,連接區(qū)域的數(shù)量等于生物巢絲單元5的數(shù)量且兩者一一對(duì)應(yīng)。連接區(qū)域4.1用于與生物巢絲單元5的發(fā)散端連接,生物巢絲單元5的發(fā)散端和連接區(qū)域4.1之間通過粘結(jié)膠連接,連接區(qū)域4.1處具有多個(gè)凸起4.2。安裝套2呈桶狀,安裝套2的頂端具有上方圓形通孔,底端具有下方圓形通孔。永磁體3為圓柱形磁棒,且具有被拉繩1穿過的貫穿通道。上方圓形通孔的直徑大于永磁體3的外徑,且下方圓形通孔的直徑小于永磁體3的外徑。安裝套2的底端固定有多個(gè)彈片2.4,彈片2.4的一端與安裝套2的底端固定連接,另一端呈尖刺狀且刺入所述拉繩1。安裝套2的頂端具有多個(gè)呈環(huán)形等間距分布的第二通孔2.3,多個(gè)第二通孔2.3包圍上方圓形通孔,第二通孔2.3和拉繩1之間通過連接繩(圖中未畫出)連接。

圖4 生物巢填料第一視角示意圖

圖5 生物巢填料第二視角示意圖附圖標(biāo)記:1拉繩;2安裝套;2.1頂部環(huán)形板;2.2第一通孔;2.3第二通孔;2.4彈片;2.5底部圓環(huán)板;2.6第一連接孔;3永磁體;4圓環(huán)部;4.1連接區(qū)域,4.2凸起;4.3第二連接孔;5巢絲單元;6塑料棒;6.1第一繩;6.2第二繩。

2 填料的應(yīng)用

生物巢填料是用于河道治理或污水處理中掛膜用的磁性生物巢填料。生物巢絲固定于固定環(huán)上(固定環(huán)外徑10～15 cm,內(nèi)徑5 cm),可有效地控制該絲上長滿生物膜后,互相粘連磁棒外,包裹固定于固定繩上。內(nèi)核是一個(gè)磁棒,其磁場作用可以促進(jìn)生物膜上微生物的凈化性能提升。生物巢填料外形像由多個(gè)倒扣的碗串起來一樣,在碗中心有一顆磁性材料。這顆磁性材料的磁場覆蓋整個(gè)碗的區(qū)域,從而增強(qiáng)整體的磁化效果。磁場作用可以促進(jìn)生物膜上微生物的凈化性能提升。多個(gè)生物巢填料呈列分布,并且整個(gè)裝置具有多列生物巢填料,從而生物巢填料可以覆蓋整個(gè)的所需要處理的水域。磁場在所在水域中分布也比較均勻,從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)生物巢填料區(qū)域的覆蓋,更加有效促進(jìn)生物膜上微生物的凈化性能提升,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的快速凈化,并且保持持續(xù)的凈化能力。

由于增加了安裝套的固定結(jié)構(gòu)和巢絲單元的固定結(jié)構(gòu),從而使得巢絲的固定更加方便,從而使得多個(gè)巢絲單元的分布呈整體上的發(fā)散狀態(tài),更加有利于掛膜。并且對(duì)于永磁體的安裝很方便,支架被拉繩穿過且放置于安裝套內(nèi)即可,根據(jù)需要可以在安裝套內(nèi)填充有填充膠。并且安裝套的固定,只需將繩子穿過安裝套,并拉至合適的位置即可,安裝非常方便。另外安裝套還通過連接繩與拉繩固定,固定更加穩(wěn)定。

圖6是在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,安裝套2的底端固定有圓環(huán)形的底部環(huán)形板2.5。底部環(huán)形板2.5處具有呈環(huán)形等間距分布的多個(gè)第一連接孔2.6。圓環(huán)部4處具有多個(gè)呈環(huán)形等間距分布的第二連接孔4.3。第一連接孔2.6的數(shù)量等于第二連接孔4.3的數(shù)量且兩者一一對(duì)應(yīng),相對(duì)應(yīng)的第一連接孔2.6和第二連接孔4.3之間連接有連接單元。連接單元包括與第一連接孔2.6連接的第一繩6.1、與第二連接孔4.3連接的第二繩6.2以及連接在第一、二繩之間的塑料棒6。

圖6 生物巢填料示意圖

對(duì)安裝套和圓環(huán)部的位置進(jìn)一步進(jìn)行了限制,使得安裝套和圓環(huán)部之間通過連接單元限位,一方面塑料棒保證了一定的剛性,另一方面第一、二繩保證了一定的柔性。從而使得圓環(huán)部能夠整體上保證處于水平狀態(tài),從而更加有利于各個(gè)巢絲單元的穩(wěn)定性,有利于掛膜。

河水和湖水凈化處理后的水主要用于環(huán)衛(wèi)及綠化用水。河水經(jīng)過初期格柵過濾沉淀(內(nèi)含提升泵),再通過過濾器的加藥消毒,最后排泥至市政污水管網(wǎng),剩下的水通過紫外線消毒,進(jìn)入蓄水池。加水機(jī)加水時(shí),從蓄水池抽水進(jìn)入灑水車,灑水車再用來綠化或者環(huán)衛(wèi)用水。污水經(jīng)過污水處理廠處理后,達(dá)標(biāo)的水主要用于環(huán)衛(wèi)及綠化用水。污水廠二級(jí)出水經(jīng)過混凝沉淀后通過過濾設(shè)施進(jìn)行過濾。使用磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填的污水處理工藝出水水質(zhì)可達(dá)回用水水質(zhì)要求,處理效率高。

3 效果評(píng)價(jià)

生活污水水質(zhì)變化較大,有機(jī)物濃度、氮磷含量高,包含大量的油脂和殘留食物。

3.1 所測(cè)試的污水處理廠概況

某污水處理廠處理后的水質(zhì)達(dá)到國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)后排放。通過數(shù)據(jù)分析可知,此污水處理廠來水主要分為 3 個(gè)分支,分別為A、B、C泵站。其中C泵站來水本底值較低,其余兩個(gè)泵站來水本地?cái)?shù)據(jù)較高。盡管如此,最后進(jìn)入此污水處理廠的平均COD質(zhì)量濃度也偏低,低于要求的 260 mg/L。初步判斷存在大量的外水(如河水、地下水等)進(jìn)入污水系統(tǒng),隨之進(jìn)入污水處理廠。此污水處理廠的污水處理規(guī)模為4萬m3/d,原計(jì)劃設(shè)計(jì)規(guī)模為8.0萬m3/d。

3.2 所測(cè)試的水質(zhì)

為進(jìn)一步評(píng)估此污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)污水管網(wǎng)設(shè)施對(duì)居民生活污水的收集情況,采用污水收集率(式3-1)來計(jì)算污水處理廠對(duì)服務(wù)范圍內(nèi)的生活污水收集情況。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》,人均日生活污染物排放量取 0.9 g/(人·d)。

城鎮(zhèn)居民生活污水集中收集率=

(1)

向污水處理廠排水的城區(qū)人口=

(2)

根據(jù)此污水處理廠 2018 年實(shí)際進(jìn)水水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可知,該污水處理廠平均日進(jìn)水量 39 694 m3/d,進(jìn)水平均 TP 濃度為 2.38 mg/L。此污水處理廠服務(wù)人口取 18.5 萬,則污水集中收集率為 56.8%。如表1所示。

表1 某污水處理廠水質(zhì)數(shù)據(jù)

為確定生活污水本底值,對(duì)排查范圍內(nèi)的典型生活小區(qū)及商業(yè)體等污水排放口進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,源頭排水戶排入市政管網(wǎng)污水 COD指標(biāo)呈現(xiàn)出典型生活污水指標(biāo)特征,13 個(gè)源頭取樣點(diǎn)平均 COD 質(zhì)量濃度為 282 mg/L(最高質(zhì)量濃度達(dá)到811 mg/L,最低濃度為 37 mg/L),其中A泵站、B泵站、C泵站范圍源頭取樣點(diǎn)平均 COD質(zhì)量濃度分別為 365,222和259 mg/L;平均 BOD5質(zhì)量濃度分別為 183,111和 129 mg/L。相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見表2。

表2 某污水處理廠范圍內(nèi)源頭小區(qū)出口水質(zhì)質(zhì)量濃度

3.3 采取工藝

采用UCT工藝(圖7),工藝流程為:粗格柵——進(jìn)水泵房——細(xì)格柵——旋流沉沙池——UCT生化池——沉淀池——紫外消毒。在AAO工藝中,硝酸鹽氮回流進(jìn)入?yún)捬醭?會(huì)降低厭氧池的除磷效果。UCT生化池為處理系統(tǒng)的核心部分,該工藝不會(huì)影響厭氧池除磷效果,同時(shí)增加了從缺氧池到厭氧池混合液回流,以保證污水處理效果。

圖7 某污水廠處理工藝流程圖

3.4 去除效果分析

如表3所示,將其作為水質(zhì)的基本檢測(cè)參數(shù),檢測(cè)時(shí)長為1個(gè)月。孔雀翎型的生物巢填料給微生物提供了固定的附著場所,同時(shí)對(duì)氣泡有切割和阻擋的作用。在使用磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填料之后,污水處理廠處理過的污水達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。如下表所示。試驗(yàn)結(jié)果表明: 與原填料相比,該條件下的污水處理工藝可減少20%以上的剩余污泥量,處理費(fèi)用降低10%。該工藝中的孔雀翎型生物巢填料可有效去除COD、BOD5、TN和TP。各指標(biāo)的出水質(zhì)量濃度分別在50,10,15,0.5 mg/L以下,去除率均達(dá)到90%以上,滿足排放要求。

表3 檢測(cè)指標(biāo)與檢測(cè)方法

4 結(jié)論

盡管現(xiàn)有的填料種類多、作用力強(qiáng),但是這些填料在使用上仍然存在一些缺點(diǎn)。例如,大部分填料比表面積小或者可利用面積小,因此掛膜效果差;污泥量多,微生物種類少,填料易造成堵塞,影響生物處理效果。這些填料不僅傳質(zhì)效率低,而且掛膜后比重難以控制,其成本費(fèi)用高。因此,本文設(shè)計(jì)了一種磁場強(qiáng)化的孔雀翎型生物巢填料,能夠提高生物巢填料的傳質(zhì)、掛膜和水處理能力。在此基礎(chǔ)上,可了解到未來生物巢填料的研究趨勢(shì)。同時(shí)克服部分生物填料的缺點(diǎn),提高污水處理廠的污水處理效率。