深床反硝化生物滤池处理二级生化尾水试验

周 姣,李金城,韦春满,何彩霞,张 琴,刘辉利,程 涛,王淋艺

(桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006)

0 引 言

中央和地方环境保护部门普遍要求地表水水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中准Ⅳ类水,若污水处理厂排放到自然水体中的水含氮化合物过量会导致严重的水体富营养化,对二级生化尾水进行深度脱氮已引起全行业的广泛关注。常规污水处理工艺的二级生化尾水具有低碳高氮的特点,碳源不足导致传统生物脱氮工艺对此类废水的处理效果不佳,深床反硝化生物滤池(deep-bed denitrification biofilter,DNBF)可通过投加碳源和反硝化生物滤池中微生物的作用对低碳氮比污水达到较好的反硝化脱氮效果[1-3]。

1 材料与方法

1.1 深床反硝化生物滤池装置

将污水处理厂二级生化尾水泵入DNBF装置中。 DNBF装置主体为Φ55 mm×2 000 mm的亚克力玻璃柱,两柱串联运行,滤料总高度为2.4 m,实验装置见图1。 滤池结构由下至上依次为承托层、滤料层、清水区、保护区,滤料层每200 mm高度设置一个取样口。 滤柱滤料为石英砂,粒径为2～8 mm。 底部设进水口、反冲洗布水管及布气管。 进水用计量泵泵入,反应器采用上向流的形式,出水由顶部溢流口排放。 挂膜期间采用单独清水冲洗,稳定运行期间采用气水联合反冲洗的方式。

图1 DNBF实验装置Fig.1 Schematic diagram of DNBF experimental system

1.2 供试水质及分析方法

接种污泥取自桂林市某污水处理厂回流污泥。二级生化尾水水质见表1。

取适量填料表面的生物膜,经冷冻干燥脱水等相关预处理,将处理过的填料样品于扫描电镜(日本JSM-6380LV)下进行定性观察。

1.3 外部碳源投加量计算

为弥补二级生化尾水中碳源不足,用乙酸钠作为外加碳源,为异养反硝化菌提供足够能量。乙酸钠的COD当量以0.68 kg COD/kg乙酸钠计,外部碳源投加量及需外部碳源反硝化作用去除氮量的计算参考文献[22]。

Cm=5N,

(1)

N=Ne-Ns。

(2)

乙酸钠费用为3 000元/t,若去除10 mg/L的TN,代入式(1)可得:Cm=5×10=50 mg COD/L。乙酸钠投加量=50/0.68=73.5 mg/L,则乙酸钠投加费用=73.5 g/m3×3元/kg×10-3=0.22元/t水。

2 结果与讨论

2.1 装置启动与挂膜效果

表1 污水处理厂二级出水

Table 1 Secondary effluent of sewage treatment plantwB /(mg·L-1)

图2 挂膜期间浓度变化Fig.2 Concentration of in effluent during filming

2.2 HRT 对DNBF处理效果的影响

图3 不同HRT下DNBF出水污染物浓度变化Fig.3 Variation of pollutants in effluent under different HRT

2.3 碳氮比对DNBF处理效果的影响

2.4 滤料高度与DNBF处理效果的相关性分析

图4 不同C/N下污染物浓度变化Fig.4 Variation of pollutants in effluent under different C/N

表2 滤池中胞外聚合物含量与污染物浓度变化的相关性分析Table 2 Correlation analysis of the contents of EPS and pollutant concentration change in the process of filter

注:**在 0.01 级别(双尾),相关性显著;*在 0.05 级别(双尾),相关性显著。

图5 沿程生物膜上胞外聚合物的动态变化Fig.5 Distribution of biomass and extracellular polymer on fillers

图6 不同滤料高度处污染物浓度变化Fig.6 Variation of pollutants in effluent under different filter heights

挂膜前滤料结构较为简单,随着处理的进行,滤料表面颜色逐渐加深厚度变厚,并形成网状生物膜结构,沿水流方向,生物膜厚度逐渐变薄,颜色变浅,出水端生物膜的SEM表征显示其形态为片状结构。微生物分泌的各种代谢产物以及积累的悬浮物所形成的表面生物膜能使微生物稳定附着于填料表面,沿程生物膜特征的变化与胞外聚合物含量关系密切。刘鹤蒙等[36]研究发现，城市污水管网中EPS含量的增加使细菌更易粘附到载体表面,导致生物膜厚度增加,生物膜厚度与EPS含量变化趋势相似。生物膜是污水中污染物去除的关键,而EPS对生物膜及菌胶团的形成具有至关重要的作用[37]。微生物分泌的胞外蛋白和多糖可以促进微生物之间的粘附作用,在维持生物膜结构完整性方面发挥着重要作用[38]。EPS层与微生物粘附过程之间的关系主要指范德华力相互作用,静电力和表面的疏水性[39-40]。DNBF运行过程中,要定期对生物膜进行反冲洗,防止生物膜过厚导致细胞与基质之间的相互作用减弱,从而引起生物膜内部的微生物活性降低,污染物的去除效率下降。

2.5 DNBF对实际废水的处理效果

在最佳运行条件(外加碳源C/N=4.5,HRT=120 min,滤料高度120 cm)下,对实际二级生化尾水中污染物的去除效果进行分析。

3 结 论

针对城镇二级生化尾水低碳高氮的特点,通过深床反硝化生物滤池对城镇污水厂二级生化尾水进行处理,探讨了外加碳源C/N、水力停留时间和不同滤料高度对含氮污染物及COD 的去除影响,优化DNBF的工艺条件,分析了不同滤料高度的微生物分布对污染物去除的作用及相关性,得到以下结论:

图7 实际二级生化尾水的处理效果Fig.7 Treatment effect of secondary biochemical tail water

(3)通过PEARSON相关系数分析可知,胞外聚合物含量与含氮污染物浓度变化呈极显著正相关(p<0.01),微生物分泌的胞外聚合物是细胞与基质相互作用的重要介质,胞外蛋白和多糖促进微生物之间的粘附作用,在维持生物膜结构完整性方面发挥着重要作用。生物膜的形成和EPS含量变化是深床反硝化生物滤池脱氮、去除污染物的关键。