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新型陶瓷填料用于曝气生物滤池可行性试验研究

2010-08-11王炜亮

土木与环境工程学报 2010年3期
关键词:陶粒滤料滤池

王炜亮

(山东师范大学 a.人口◦资源与环境学院;b.化学化工与材料科学学院,济南 250014)

曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF),是在普通生物滤池的基础上,借鉴给水滤池工艺原理而开发的一种污水处理工艺,具有去除SS、COD、BOD、AOX(有害物质)和脱氮除磷等功能,其去除机理主要有过滤、吸附和生物代谢。曝气生物滤池因其具有体积小、处理效率高、出水水质好、流程简单,不需设置二沉池等优点而倍受广大研究者关注。Ryu等[1]运用4阶段(吸附、硝化、反硝化和深度净化)曝气生物滤池处理低C/N比城市污水,强化脱氮效果,氨氮平均去除率为95%~96%。Liu等[2]发现,上向流曝气生物滤池用于纺织废水二级处理后出水的深度处理时,保持溶解氧浓度4 mg/L,水力负荷从0.13 m3/(m2◦h)提高至0.78 m3/(m2◦h),COD、氨氮和总氮去除率分别从52%、90%和45%降至 38%、68%和 33%;溶解氧浓度从 2.4 mg/L提高到6.1 mg/L时,COD和氨氮去除率分别从39%和64%提高至53%和88%,但总氮变化不明显;试验还发现参与净化的微生物包含自养菌和异养菌,并存在同步硝化反硝化现象。郝晓地等[3]试验发现,内循环可以显著提高曝气生物滤池反硝化效果,在内循环比为150%时,硝化过程中产生的NO3-几乎均能被反硝化完全去除,且增加内循环对COD、SS、浊度等去除效果影响不大。Pujol等[4]发现,上向流曝气生物滤池可高效去除污水中SS、COD、BOD、氨氮,即使在 10 m3/m2◦h 的高负荷条件下,SS的去除率仍在60以上。CHENG等[5]用曝气生物滤池处理富含水溶性VOCs的电子加工企业废水并评估挥发量,结果发现,容积负荷为2.76 kgBOD/(m3◦d)时,可有效去除 COD和甲苯、异丙醇(IPA)等VOCs,COD去除率超过90%,部分VOCs挥发到大气中,异丙醇的挥发量小于0.1%,甲苯的挥发量为30%~40%,二者挥发速率分别为0.003 kg/d和0.007 kg/d。

填料是曝气生物滤池污水处理工艺的核心,新型曝气生物滤池填料开发应用及其机理探讨是近年来的研究热点。胡涛等[6]指出BAF工艺中生物滤料的性能是关键,应多考虑用价廉易得的无机矿物原料和工业废料开发高效廉价的滤料。徐竟成等[7]发现悬浮滤料对氨氮的降解能力较强,但由于对微小絮体的截留能力不足而导致出水COD较高,轻质滤料的截留效果较好但反冲洗难度较大,以悬浮滤料和轻质滤料组成复合滤料层曝气生物滤池是最佳组合。王萍等[8]利用天然黏土和粉煤灰为主要原料制备的曝气生物滤池陶粒滤料比表面积为4.26~7.24 m2/g,容重为0.73~0.74 cm3/g,表面粗糙,物理化学稳定性好。李善评等[9]以高炉瓦斯灰为主要原料、粘土和硅酸钠为添加剂制备了曝气生物滤池填料并将其用于处理酱油废水,在水力停留时间为4 h、气水比6:1、滤层高度为100 cm的情况下,COD的去除率达到70.3%,氨氮的去除率达到74%,色度的去除率达到60%。Francisco等[10]将固体废弃物制成填料用于双层淹没曝气生物滤池,其上层填料是将陶瓷工业废料碾磨成2~5 mm的颗粒,其相对密度为2.18 g/cm3,下层填料是由聚乙烯废塑料经粉碎、淘洗、挤压成型加工制成,其直径为5 mm,相对密度为0.92 g/cm3。该曝气生物滤池在4.87 kgBOD/(m3◦d),3.0 kgSS/(m3◦d)时,出水 BOD浓度低于20 mg/L,SS低于25 mg/L。葛伟青等[11]用曝气生物滤池处理豆制品加工废水,试验发现在海绵铁与陶粒混合质量比为1:3、HRT=1.0 h时其对COD和色度的去除效果均能达到40%以上,向海绵铁中加入陶粒可有效地避免填料板结。SHEN等[12]将丙烯酰胺亲水链嫁接到填料表面,提高了填料表面润湿性能和生物膜附着能力,在进水流量5 L/h,水力停留时间9 h,气水比10:1,表面改性填料曝气生物滤池COD和氨氮去除率分别为83.64%和96.25%,比未改性填料曝气生物滤池去除率高5%~20%。Zhao等[13]发现,污泥飞灰陶瓷颗粒填料曝气生物滤池对COD和氨氮的去除效果优于粘土陶瓷颗粒曝气生物滤池,而且,前者具有较好的抗冲击能力和较快的生物活性恢复能力。Chang等[14]实验发现,曝气生物滤池工艺处理纺织废水中氨氮时,沸石填料优于砂和颗粒活性炭,去除机理主要包括硝化作用、离子交换和同化合成。

曝气生物滤池新型填料研发尚处于起步阶段,新型填料应用于曝气生物滤池的运行参数还有待进一步优化,运行过程机理有待深入探索,且现有研究缺乏对运行成本的核算,传统的曝气生物滤池填料比重大、机械强度差、不利于反冲洗,因此,亟须研发新型高效经济实用的曝气生物滤池填料。该研究最大特点是使用了一种新型粒状陶瓷填料,并将新型陶瓷填料和生物陶粒进行平行对比试验研究,而且进行了运行成本比较。

1 试验条件和方法

1.1 进水水质

曝气生物滤池进水取自某污水处理厂硅藻精土强化一级处理系统出水,进水水质见表1。

表1 进水水质/(mg◦L-1)

1.2 两种填料性能参数对比

试验采用2套并行的曝气生物滤池系统,分别装填球形生物陶粒和新型陶瓷填料。球形生物陶粒以粘土(主要成分为偏铝硅酸盐)为主要原材料,加入适当的化工原料作为膨胀剂,经高温烧制而成,其表观成球形,表面粗糙、比表面积大。新型陶瓷填料主要成分是氧化铝和氧化硅,机械强度高,耐摩擦性能好,表面粗糙,且带一定的正电荷,比重较小。因此,新型陶瓷填料有利于微生物吸附生长和曝气生物滤池系统反冲洗。二者的主要性能参数见表2。

表2 生物陶粒和新型陶瓷填料主要性能参数

1.3 工艺流程和试验装置

曝气生物滤池由透明有机玻璃柱加工而成,柱内径为0.15 m,高 2.8 m,底部为气水混合室,填料高度1.5 m,柱侧壁设有取水口,间距为0.2 m。工艺流程如图1所示。

2 试验结果与讨论

2.1 2种填料挂膜过程分析

微生物在载体表面的附着过程是生物膜形成的关键一步,它将直接影响生物膜的生物及生理功效以及生物膜反应器的启动运行周期,且挂膜过程中,好氧异养菌的增殖速度较快,硝化菌增殖较慢[15-16]。本试验通过接种某污水处理厂回流污泥,采用间歇进水方式,对曝气生物滤池进行闷曝挂膜培养。2周后发现,两柱内填料表面均生长形成半透明状微生物膜,进水方式调为连续进水,进水水量均为4.4 L/h。

表3显示连续进水第3 d和第7 d两系统的运行结果。连续进水第7 d和第3 d时相比,新型陶瓷填料曝气生物滤池CODcr去除率由52.3%提高至76.9%,NH4+-N去除率由47.8%提高至97.3%;生物陶粒曝气生物滤池CODcr去除率由51.3%提高至76.6%,NH 4+-N去除率由47.1%提高至97.1%。2个曝气生物滤池系统在相同的挂膜条件下,填料表面的微生物膜均生长良好,挂膜成功,且两者处理效果相当。

2.2 最佳水力停留时间的研究

在进水水质、曝气量、反冲洗周期等均相同的条件下,2个曝气生物滤池系统的水力停留时间分别为 3 h、2 h、1.5 h和1 h,即新型陶瓷填料BAF工况1-1、工况 1-2、工况1-3和工况 1-4,生物陶粒BAF工况 2-1、工况2-2、工况2-3和工况 2-4,各工况工艺参数详见表4。

表3 两种填料挂膜过程分析

表4 新型陶瓷填料和生物陶粒对比试验各工况工艺参数

表5显示新型陶瓷填料和生物陶粒对比试验运行结果,各工况反冲洗周期均为2 d,溶解氧均为3 mg/L。水力停留时间为3 h、2 h和1 h时,新型陶瓷填料曝气生物滤池CODcr去除率分别为83.8%、81.4%和70.6%,NH4+-N去除率分别为100%、100%和74.6%;生物陶粒曝气生物滤池CODcr去除率分别为83.6%、81.6%和70.8%,NH 4+-N去除率分别为100%、100%和73.8%。可见,2系统工艺条件相同时,对有机污染物质、氮、磷等去除效果相当。

停留时间为3 h和2 h时,2系统出水各指标除NO3--N外,其他均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级标准A标准,处理效果较好,但停留时间长,污水处理系统的基建投资和管理费用高;停留时间为1.5 h时,2系统CODcr去除率均在80%以上,NH4+-N去除率接近100%,处理效果和停留时间为2 h时相当;停留时间降至1 h时,2系统出水BOD5、SS、NH 4+-N超过10 mg/L,各指标去除率明显下降。可见,最佳停留时间为1.5 h。

表5 新型陶瓷填料和生物陶粒对比试验各工况运行结果

2.3 填料高度对污染物质的去除效果考察

图2显示新型陶瓷填料BAF不同水力停留时间下沿填料高度对CODcr的去除效果。3种工况CODcr变化趋势相同,前0.7 m填料的CODcr去除率很高,CODcr浓度降至约40 mg/L。可见,新型陶瓷填料BAF对CODcr的去除主要集中在填料高度的前0.7 m。

图2 不同水力停留时间下沿填料高度对COD的去除效果

图3显示新型陶瓷填料BAF不同水力停留时间下沿填料高度对NH 4+-N的去除效果。可见,前0.7 m填料NH 4+-N的去除不明显,NH 4+-N浓度降至约 30 mg/L,填料高度超过 0.7 m后,NH 4+-N浓度显著下降。结合沿填料高度CODcr浓度变化趋势可知,在填料高度的前0.7 m好氧异养微生物占优,好氧自养硝化细菌和好氧异养细菌竞争营养物质和氧气时处于劣势;填料高度超过0.7 m后硝化菌逐渐取得优势。试验期间发现新型陶瓷填料BAF可以截留污染物质,在填料间生成生物絮体,因此,新型陶瓷填料BAF集填料截留和生物吸附于一身,具有微生物量大、活性高和传质速率快等优点。

图3 不同水力停留时间下沿填料高度对NH4+-N的去除效果

图4显示新型陶瓷填料BAF不同水力停留时间下NO3--N浓度沿填料高度变化趋势。可见,NH 4+-N的硝化反应主要发生在填料高度超过0.7 m后。结合图3分析可知,停留时间为1 h时,出水中仍有NH 4+-N剩余;停留时间为2 h和1.5 h时,出水NH4+-N浓度接近 0 mg/L,而出水NO3--N浓度为30 mg/L,低于进水NH4+-N浓度,是因为部分NH 4+-N被微生物同化作用所利用,另外还可能存在同步硝化反硝化作用。

图4 不同水力停留时间下沿填料高度NO3--N浓度变化

2.4 新型陶瓷填料BAF反冲洗试验研究

与曝气生物滤池底部相通的测压管显示,曝气生物滤池运行过程中水头损失很小,因此用出水水质确定最佳反冲洗周期。水力停留时间为1.5 h,反冲洗周期为3 d时,新型陶瓷填料BAF反冲洗后出水水质变化情况见表6。可见,出水水质在反冲洗后第3 d开始恶化,因此确定最佳反冲洗周期为2 d。

表6 反冲洗后出水水质变化表/(mg◦L-1)

生物陶粒和新型陶瓷填料密度分别为1.56 g/cm3和1.12 g/cm3。反冲洗时,生物陶粒在气水流的作用下,呈板结团状上移,很难散开;新型陶瓷填料呈分散流化状态上移,利于反冲洗。在反冲洗水量和气量均相同,新型陶瓷填料膨胀度为30%时,生物陶粒膨胀度却不足20%;停留时间为1.5 h,反冲洗周期为2 d时,达到同样的反冲洗效果,生物陶粒BAF每次反冲洗耗水量为90 L,而新型陶瓷填料BAF耗水量为60 L。可见,新型陶瓷填料由于其比重小而显示出明显优势:反冲洗耗水量小、冲洗效果好、反冲洗容易、可以节省能耗。

整个试验历经6个月,试验前2系统填料高度均为1.5 m,试验后期生物陶粒粒径明显变小,填料高度降低,降幅为5%,而新型陶瓷填料BAF填料高度降低非常小,降幅为1%。可见,在机械强度方面,新型陶瓷填料优于生物陶粒。

2.5 生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF运行成本比较

根据试验数据,进行生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF运行成本比较。按日处理水量1 000 m3计算,电费0.65元/度,生物陶粒400元/m3,新型陶瓷填料600元/m3,曝气生物滤池气水比3.5:1,二者处理每吨水曝气电耗均为0.047元。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF气水联合反冲洗每次反冲洗耗水量分别为90 L和60 L,反冲洗气体流量分别为15 L/(m2◦s)和10 L/(m2◦s),反冲洗用时均为20 min,反冲洗周期2 d,生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF处理每吨水反冲洗水泵电耗分别为0.000 24元和0.000 17元,反冲洗气泵电耗分别为0.006 5元和0.004 8元。生物陶粒每年补充10%,新型陶瓷填料每年补充2%,生物陶粒BAF和新型陶瓷填料 BAF处理每吨水填料补充费用分别为0.007 3元和0.002 2元。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF处理每吨水运行成本合计分别为0.061元和0.054元,该成本不包括固定资产折旧和设备大修。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF运行成本比较见表7。

表7 生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF运行成本比较

3 结论

1)新型陶瓷填料BAF和生物陶粒BAF最佳水力停留时间均为 1.5 h。最佳工况运行,进水CODcr、NH4+-N 、TP 分别为 135.6 mg/L 、42.1 mg/L、0.69 mg/L时,新型陶瓷填料BAF相应指标去除率依次为81.2%、99.8%、68.1%,生物陶粒BAF相应指标去除率依次为 80.8%、99.5%、66.7%。

2)在相同运行条件下,新型陶瓷填料反冲洗耗水量小、滤料流化状态好、冲洗效果好、反冲洗容易,运行成本低。因此,新型陶瓷填料作为生物陶粒的优化替代产品,是可行的。

3)试验发现新型陶瓷填料BAF对CODcr的去除主要集中在填料高度的前0.7 m,对NH4+-N的去除主要集中在填料高度超过0.7 m后。

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