水解-沸石柱生物滤池深度处理污水的研究

肖博俊,黎 莉,胡文斐

(1.广东省环境工程装备总公司,广东广州510635;2.龙澄高科技环保有限公司,广东深圳518057; 3.中国轻工业武汉设计工程有限责任公司,湖北武汉430060)

水资源短缺和水污染成为我国当今最为紧迫的问题,成为我国经济持续发展的瓶颈[1]。城市污水也是一种宝贵的水资源,将城市污水深度处理并加以回用将是解决水资源短缺并且控制由于城市污水带来的污染的新思路,能够加速城市水资源的良性循环。污水回用一般用于景观水,补充水源,工业用水或者直接排放。但是,由于污水处理过程对于NH+4-N的处理效果不佳,污水中的NH+4-N浓度较高。高浓度的NH+4-N将导致水体的富营养化使得藻类大量繁殖,此外,水中NH+4-N对人体和水生生物有一定的毒性,对鱼类的致毒剂量为2.6× 10-6mg/L[2]。

沸石是呈骨架状结构的多孔性、含水、铝硅酸盐晶体,理想的沸石化学式为[3]:Mx/n[AlxSiyO2(x+y)]· p H2O,式中M为碱金属(如Na,K,Li)和碱土金属(如Ca,Mg,Ba,Sr),n是阳离子电荷数。沸石比表面积越大,其吸附性越好,对NH+4-N具选择交换性,因此已被成功地应用于污水处理厂。美国和日本都已经建造了一定规模的天然沸石污水处理厂,利用天然沸石去除城市或工业废水中的在国内外已得到较为广泛的研究[4-5]。

试验是利用沸石作为生物滤池填料,既能够利用附着在沸石上的微生物降解有机物又能利用微生物和离子交换作用起到对NH+4-N较好的去除效果;并且依靠微生物的作用使得吸附饱和的沸石可以生物再生。本文探讨水解酸化-沸石柱生物滤池作为污水深度处理的可行性。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置与方法

试验装置如图1所示。

图1 中试试验工艺

污水二级出水中有机物的主要成分是微生物分泌的一些胞外物质和来自自来水中的天然有机物,这些有机物可生化性较差[6]。所以在本试验中二级出水先经过水解罐进行水解预处理,能起到水解大分子、难降解有机物及提高废水可生化性的作用[7]。

水解罐用有机玻璃加工而成,尺寸为120 cm× 120 cm×140 cm(有效容积为1 350 L)。沸石柱为内径15 cm,高320 cm的有机玻璃柱,柱内装填了200 cm,粒径为20～30 mm的改性斜发沸石,沸石的表面积为4.9 m2/g。沸石下部有15 cm的卵石承托层,并且分布有曝气管,同时兼作反冲洗进气管。反应器采用向上流形式,沿柱高分布采样口,由下端进水,从上端出水,空气由柱底进入。本试验采用气水联合反冲洗方式,气冲洗3 min,强度为15 L/ (m2·s);气水同时反冲洗,时间4 min,气冲洗强度为15 L/(m2·s),水冲洗强度为5 L/(m2·s);单独水反冲洗5 min,冲洗强度为5 L/(m2·s),总共12 min左右。试验中根据水力负荷和气水比不同,待每个工况运行稳定后,再测定有关指标,长期运行过程中温度变化不大,每日取样后进行测试分析。

1.2 试验水质

试验在南方某城市污水厂进行,该污水厂采用常规的活性污泥法工艺。试验以该污水厂的二级污水出水为源水。试验水质见表1所示。

表1 污水二级出水水质

1.3 水质分析方法

样品每天取出后立刻进行分析,实验过程中水质分析均按照国家标准方法进行,具体方法见表2。

表2 水质分析方法

2 结果与讨论

2.1 水解酸化实验效能

试验中二级出水先经过水解罐进行水解预处理,在常温过程中迅速将固体物质转化为溶解态的物质,复杂的大分子有机物降解为易于生物降解的小分子有机物,提高了污水的可生化性。并且在厌氧反应器中由于微生物的生物降解和吸附作用,具有很强的抗冲击负荷的能力,能为后续生物沸石柱提供稳定的进水水质。反应器中的污泥采用二沉池剩余污泥,通水约1个月后开始检测二级生化系统的CODCr,N-N,TP去除情况,此时该反应器出水水质已经基本稳定。

该水解酸化段对于CODCr的去除率为8%～20%-N的去除率为6%左右,这说明厌氧处理去除-N效果较差,试验期间进水ρ(TP)平均值为4.91 mg/L,出水ρ(TP)平均值为4.69 mg/ L,平均去除率为4.9%,这说明系统对 TP的去除率很低,基本上是通过生物同化作用完成的。由于该系统难以提供生物除磷的基本条件,因此磷的去除必须依靠其它工艺来完成。

2.2 沸石柱滤池的挂膜

试验采用先接种污泥后再通过连续运行的方式[8]。接种污泥先闷曝5 d,然后在进水流量为40 L/h,气水比为3:1的条件下运行。一段时间后改性沸石表面包裹的生物膜颜色逐渐加深。同时出水CODCr和的去除率均稳定,至此挂膜完成。

图2 挂膜过程中氨氮变化规律

图3表示在挂膜过程中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变化情况。对比不同高度生物量的变化,发现在沸石柱进水端生物膜含量最高,沿水流方向生物膜量逐渐降低。水中可被微生物利用的有机物沿水流方向不断的被微生物分解、吸收和利用。因此,进水端微生物含量最高,而沸石柱顶部营养基质不足,限制了微生物的生长。对比不同时间生物量的变化,发现随着时间的变化,生物量发生了变化。在挂膜初期,生物量较低,6 d后生物量基本达到稳定。所以,通过实验发现经过5 d的闷曝再加上10 d的运行,沸石柱表面的微生物挂膜成功。

图3 挂膜过程中生物量变化规律

2.3 不同运行参数对试验的影响

2.3.1 水力负荷对运行效能的影响

水力负荷是系统运行过程的关键性参数之一。一方面,水力负荷的大小直接关系到污水在反应器中的水力停留时间,也就是污水与反应器内微生物作用的平均反应时间。另一方面,水力负荷的大小在控制生物膜厚度、改善传质方面也有一定的作用,水力负荷的提高,其紊流剪切作用对膜厚的控制以及对传质的改善有利[9],另外水力负荷还直接关系到系统的能耗。因此,不同的工艺应有其适宜的水力负荷,本研究目的在于通过试验找出最适合本中试试验的水力负荷。

试验条件在气水比3∶1,试验水温为20℃～30℃,改变进水的流量从而改变进水的水力负荷。在不同的水力负荷工况下运行稳定后,测试进出水CODCr,N,TN,SS,计算各污染指标的去除率,从而探索最佳的水力负荷值。

水力负荷对处理效能的影响如图4所示。随着水力负荷的增大(即流量的增大),水力停留时间(HRT)缩短,CODCr/-N/TN/SS去除率降低,出水 CODCr//TN/SS浓度变大。同时,水力负荷的增加,加大了对沸石表面的冲刷,有利于膜的更新。但是,水力负荷也不能过大,水力负荷过大对生物膜的冲刷太剧烈,造成生物膜不宜附着在滤料上,同时出于经济性考虑也不能太大。因此,综合考虑之后将进水的水力负荷定为2.8 m3/ (m2·h),在以后的试验中均采用这个水力负荷。

图4 水力负荷对污染物去除的影响

2.3.2 气水比对运行效果的影响

气水比是指曝气量与进水流量之比,直接影响到曝气池内的溶解氧(DO)浓度。增大气水比,可提高混合液中DO的质量浓度,同时使生物膜表面的基质更新加快,促进了基质的传递。但气水比不能太大,因为氧在混合液中的溶解度有限,过大的曝气量并不能持续提高DO的质量浓度,相反使得动力消耗增加,相应的运行费用也会增加。另外过大的气水比会表现为气速过大,产生很大的剪切力使大量微生物膜从填料壁上剥落流失,加剧对生物膜的冲刷,不利于污染物的截留和微生物的增殖[10]。

为了研究气水比对生物滤池的处理效果的影响。设置试验条件在水利负荷为2.8 m3/(m2·h),流量为40 L/h的条件下,试验水温为25℃～30℃,改变气水比。在不同的气水比工况下运行稳定后,测试进出水CODCr,NH+4-N,TN,SS,计算各污染指标的去除率。

气水比对于污染物去除效果的影响如图5所示。

随着气水比的升高对于SS的去除有稍微的升高,影响较小。随着气水的增加对于NH+4-N的去除效能一直增加,这可能是由于大的气水比造成沸石孔内堵塞的颗粒物能够得到很好的清洗。但是对于CODCr/TN的影响出现了拐点,当气水比为3∶1时对于二者的去除效能达到了最大,继续增加气水比不但不增加去除效能反而降低,这可能是由于过大的气水比具有很大的剪切力,使得大量的微生物从沸石表面脱落,不利于CODCr和 TN的转化。综合考虑,为了获得很好的污染物去除效果和沸石表面的动态再生,同时为了节省能量,后续试验采用在气水比为3:1的情况下进行运行。

2.4 稳定运行效果

图5 气水比对污染物去除的影响

通过对沸石柱运行的影响因素进行分析,得到了最佳运行条件。条件如下:试验期间进水流量为40 L/h,空床水流速为2.8 m/h,气水比为3:1,试验水温为25℃～30℃。当工况运行稳定后再测定相关指标,当水头损失达到60 cm时进行反冲洗。通过连续3个月的运行,考察该系统对污水深度处理效能。

沸石柱生物滤池对NH+4-N的去除主要是由上述离子交换和硝化反应共同作用的结果,在运行初期离子交换占主要作用,到挂膜稳定后,硝化作用就会起到主要作用。沸石柱对于NH+4-N的去除效果如图6所示。

图6 沸石柱生物滤池对NH+4-N的去除

试验期间进水 NH+4-N质量浓度为22～35 mg/L,平均质量浓度为28.6 mg/L。沸石柱生物滤池对NH+4-N的平均去除率为84%,较一般的曝气生物滤池去除NH+4-N的效率要高[11]。处理出水的NH+4-N质量浓度为0.58～3.77 mg/L,平均质量浓度为1.85 mg/L,达到了景观环境用水水质标准、城市生活杂用水水质标准和工业用水水质标准。由此可见,沸石柱对于NH+4-N的去除具有非常高的效果,并且相当稳定,这也说明了用沸石作为填料的生物滤池在去除NH+4-N的时候不仅仅是依靠沸石的离子交换作用,当稳定运行后,沸石柱上附着的微生物对于NH+4-N的去除起到了关键的作用。

污水处理生物反应器对有机物的去除能力是评价反应器性能的最重要指标之一,而CODCr是污水处理中用来表征污水中有机物含量的重要指标。沸石柱生物滤池对于有机物的去除效果见图7。

图7 沸石柱生物滤池对CODCr的去除

试验期间进水 CODCr质量浓度变化范围为43.8～64 mg/L,平均为53.8 mg/L。由图7可见进水有机物浓度波动较大而出水却相当稳定表明沸石柱生物滤池具有良好的抗水质负荷冲击能力。对于CODCr的去除率变化范围为71%～85%,平均为78.3%。处理出水CODCr5.94～20.16 mg/L,平均为12.1 mg/L。试验结果表明沸石柱生物滤池对生活污水中的有机污染物有较好的去除能力,处理水的CODCr满足回用要求,达到了城市杂用水,景观用水、工业用水和农业灌溉水的国家标准。

试验期间TP的变化情况如图8所示。

图8 沸石柱生物滤池对TP的去除

试验期间进水 TP质量浓度1.5～3.2 mg/L,平均质量浓度为2.13 mg/L,出水 TP质量浓度1.18～3.0 mg/L,平均质量浓度1.96 mg/L,去除率为7.98%。从图8可以看出沸石柱生物滤池运行期间对TP的去除率很低基本上是通过生物同化作用完成的。生物除磷通常要求生物反应器能够提供厌氧好氧交替进行的运行条件,使得微生物渐次完成释磷,吸磷,最后通过富磷污泥的排放实现磷的去除。沸石柱生物滤池反应器的结构比较简单,以好氧生物氧化和物理截留为主要手段难以提供生物除磷的基本条件。故沸石柱生物滤池反应器实现生物除磷比较困难。应当与化学沉淀法相互结合才能达到除磷的目的。

3 结论

(1)通过水解酸化段对于 CODCr的去除率为8%～20%,NH+4-N的去除率为6.1%,TP平均去除率为4.89%。

(2)通过接种污泥的方式对沸石柱进行挂膜,发现效果良好,经过5 d的闷曝再加上10 d的运行,沸石柱表面的微生物挂膜成功。

(3)通过试验确定了系统最佳水力负荷为2.8 m3/(m2·h),最佳气水比为3:1。

(4)通过连续3个月的运行发现:系统对于NH+4-N的平均去除率为84%,出水的NH+4-N质量浓度平均值为1.85 mg/L;对于CODCr的去除率平均为78.3%,出水CODCr质量浓度平均为12.1 mg/L,达到多种回用水标准。对于磷的去除效能较差,需要化学沉淀法配合处理。

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