悬挂式填料反应器针对工业尾水脱氮效果的优化实验研究

艾 森,白志辉,宰涵英,许光链

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050; 2.中国科学院生态环境研究中心,北京 100085; 3.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)

污水处理厂在改善水环境方面起到了重大作用,但其尾水出路问题一直未得到有效解决。污水处理厂尾水指经过污水处理厂各工艺流程处理达标排放,但未达到地表水或者城市内河水质标准,仍存在一定环境风险的出水。总体来讲,污水厂尾水存在氮磷浓度高、低碳氮比、进一步生物降解困难等问题,需要进一步处理。而尾水中的磷可通过优化工艺在污水厂进行较为彻底的去除,这就使得尾水中TN的去除问题更为突出[1]。目前污水厂排放一级A标准中对总氮的要求仍然难以满足《地表水环境质量标准》中的要求,如果直接排入水体,将导致水体富营养化,造成饮用水质的安全威胁和水源地环境的破坏。

近年来人工湿地处理工艺因其独特的生态处理模式和将污染治理与城市景观建设相结合的优点,逐步成为尾水处理的主流方法。然而传统的人工湿地由于只利用植物修复技术和曝气修复技术,在处理以高盐、高氮、低碳为污染特征以及水体具有色度的工业污水处理厂尾水的情况下具有水生植物光合作用较差、工程冬季运行效果较差等缺点[2]。而在众多的强化人工湿地的技术中人工填料生物接触氧化技术因为其具有不受水体色度影响、透光性差、可生长世代时间较长的硝化和反硝化细菌以及不引起二次污染等优势,是一种较好的强化人工湿地工业尾水脱氮的措施[3-5]。以往关于生物接触氧化法的研究主要集中在实验室人工配水或是在处理可生化性较好的生活污水下进行,而对可生化性较差的工业尾水的脱氮方面探索较少[6-10]。因此,针对工业尾水的深度脱氮,有必要探究高效的生物接触氧化技术。

研究选取2种有代表性的市售悬挂填料和一种低廉的原料作为填料,在不同填充率和相同填充率下对比以相同尾水作为进水的情况下,不投加碳源和投加葡萄糖作为碳源2种条件下的脱氮效果。最后在以稻草作为碳源的情况下对比几种设置下的脱氮效果并深入探究新型填料的脱氮效果。为应用于工业尾水脱氮的悬挂式填料生物接触氧化技术的优化提供理论与技术支撑。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

(1) 原水 实验在淮安洪泽尾水湿地输水渠岸边进行,实验原水采用水泵从淮安洪泽尾水湿地输水渠抽入。其水质见表1。

表1 实验期间进水水质

(2) 填料 实验所用3种不同填料均为较常用廉价易得的填料,其中合成纤维填料最为廉价易得,虽然其表面积和孔隙率都很低,但是同样也能挂膜当作生物填料,为了缩减成本,开发新型经济型填料,将其同样选作此次实验填料。3种填料都挂膜成熟。主要性能参数见表2。

表2 填料的性能参数

(3) 反应器 实验在5个直径为60 cm,高140 cm 的塑料圆筒中进行,有效容积为0.4 m3。填料的体积填充率通过水位的增长来确定。反应器的出水流回水渠。实验用水取自洪泽尾水湿地输水渠,输水渠水来自工业污水处理厂经过曝气塘和表面流湿地的出水。实验中5套反应器同时运作,分别记作填充率为1%生物绳填料、2%生物绳填料、5%生物绳填料、5%合成纤维填料、5%弹性填料。

(4) 外加碳源 实验中所用外加碳源葡萄糖为水溶液。稻草秸秆取自当地农户。静态实验中每个反应器均匀插入1.25 kg稻草秸秆。

1.2 实验与检测方法

整个实验采用序批试进出水。未加碳源下设置了HRT=1 d的2个周期和HRT=3 d的1个周期的实验。之后投加葡萄糖进行HRT=1 d的1个周期的实验。最后进行稻草为碳源下8 h的水质变化检测。从实验之前对水质的分析可知水中氮素的存在形式主要为NO3-N和少量难以氨化的有机氮。故整个实验过程只测定COD、NO3-N、DO、pH、温度5个指标。具体测定方法见表3。

表3 水质检测方法

2 结果与讨论

2.1 小试中5个反应器的去除效果

小试中COD质量浓度变化及NO3-N质量浓度变化分别如图1、图2所示。从图1、图2可以看出,在HRT=1 d第1个周期运行中发现3个水质指标的去除率很低,在第2个周期运行中去除率也很低,COD平均去除率仅有25%,而NO3-N平均去除率只有7%,出水的溶解氧质量浓度为3.2 mg/L,依然处于好氧状态。这是由于尾水可生化性较差导致异养好氧细菌难以消耗溶解氧,并营造一个利于异养反硝化的条件。之后HRT=3 d的1个周期运行,发现各项指标的去除率依然很低。5种情况下的去除效果难以进行比较。

图1 小试中COD质量浓度变化Fig.1 COD concentration change in the lab-scale test

图2 小试中NO3-N质量浓度变化Fig.2 NO3-N concentration change in the lab-scale test

投加葡萄糖后发现在HRT=1 d的1个周期的运行后各项指标的去除率大大提高。COD、NO3-N、TN平均去除率分别达到41%、40%、46%,证明了之前的推断:尾水中的有机物主要为难生化降解的有机物,难以被异养反硝化菌所利用,然而葡萄糖作为碳源的工程利用价值较低,不适宜作为提高工业尾水的脱氮效果的外加碳源。

2.2 稻草为碳源下填料脱氮效果对比

静态实验中COD质量浓度变化及NO3-N质量浓度变化分别如图3、图4所示。从图4中看出在进水后NO3-N有一个下降过程,2%生物绳填料下降最快,去除率达到21%,这是由短时间的快速吸附过程所导致的。2%的生物绳填料由于其结构具有的较大比表面积和填充率较低不易结团的性质相对5%和1%的生物绳填料以及其他2种情况与尾水接触最充分、吸附量最大。从图3、图4中看出,进水之后的前3个小时之内5种情况下NO3-N的去除速率较缓慢,COD也维持在一个低速下降的水平。这是由于水中的溶解氧处于好氧状态且异养好氧细菌相对异养厌氧细菌来说附着在填料的最外层,而稻草不断溶出的有机物的传质被异养好氧菌消耗难以进入内层供反硝化细菌利用,导致反硝化速率都不高,难以看出去除效率差异。

图3 静态实验中COD质量浓度变化Fig.3 COD concentration change in the static test

图4 静态实验中NO3-N质量浓度变化Fig.4 NO3-N concentration change in the static test

图4中显示在11:05～15:05之间,5种情况下NO3-N的去除速率比之前加快而且2%的生物绳填料去除率最快,这可归因于此时室外温度达到一天当中最高的35 ℃,异养反硝化活性也随温度升高而提高。2%的生物绳填料相对5%生物绳填料来说,状态较为松散,传质能力更好,又因为生物绳的中心结构相对弹性填料更利于厌氧微生物的生长,所以2%的生物绳填料相对5%的生物绳填料和5%的弹性填料NO3-N去除率较高。

另外从图4中能看出5%合成纤维填料虽然没有孔隙率,但是基本具有仅次于2%生物绳填料的NO3-N去除效果。这是由于这种新型填料是以廉价的废弃地毯为原料制作的,填料表面具有合成纤维丝层,填料表面粗糙而且表面积较大,附着微生物较多,弥补了没有孔隙率的缺点。目前生产中通过改性使得合成纤维丝的亲水性能得到一定改善,有利于微生物附着生长。但是其疏水能力依然较强,使得易于带正电荷的合成纤维丝在水中因为表面产生气泡隔绝了纤维丝与水的接触,不能令静电荷全部释放,而细菌因为携带负电荷,与纤维丝产生了静电吸引,同样增强了填料表面的微生物附着能力,利于生长世代周期较长的反硝化细菌。同时,此种填料质量轻,具有一定的机械强度和生物稳定性,因此是一种具有工程应用前景且经济实用的新型填料。

3 结语

(1) 经过小试可知延长水力停留时间各指标去除效果未发生明显变化,5种情况下的去除效果依然难以进行比较。在外加葡萄糖作为碳源后NO3-N去除能力大幅度提高。脱氮效果与可生化利用的有机碳源的量密切相关,但葡萄糖作为碳源的工程利用价值较低,不宜作为提高工业尾水的脱氮效果的外加碳源。

(2) 2%生物绳填料由于其结构具有较大比表面积和填充率较低不易结团的性质相对5%和1%的生物绳填料以及其他2种情况与尾水接触最充分,在起步阶段吸附效果最好以致起步时NO3-N去除率最大。2%生物绳填料相对5%生物绳填料来说处于较为松散状态,传质能力更好,又因为生物绳的中心结构相对弹性填料更利于厌氧微生物的生长,所以2%生物绳填料相对5%生物绳填料和弹性填料NO3-N去除率较高。

(3) 在整个实验过程中合成纤维填料虽然孔隙率都很低,但表现出了仅次于2%生物绳填料的脱氮能力,主要是因为其表面附有合成纤维丝层,而且质量轻、强度高、生物稳定性好。所以在生物接触氧化应用于工业尾水脱氮中具有广阔的应用前景。