甜菜碱强化生物砂滤池低温污水处理性能研究

2023-11-11陈丽华陈渔兵

陕西水利 2023年11期

陈丽华，冯锋，陈渔兵

（浙江中控信息产业股份有限公司,浙江杭州 310051）

1 引言

生物砂滤池是一类在传统砂滤池基础上开发出来的高效污水净化反应器,它通过接种微生物的方式使砂类滤料颗粒表面形成一层富含微生物群体的生物膜,可利用滤料颗粒和生物膜的协同作用对污水中的有机物、氮、磷等污染物进行有效去除,成为近年来颇具应用潜力的污水处理技术类型[1-2]。然而,在冬季或其他温度偏低的情况下,生物砂滤池将面临低温冲击带来的负面影响,系统内的有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌、除磷菌等微生物的新陈代谢速率将明显变慢,导致污水处理效率降低,运行性能下降。因此,探寻强化生物砂滤池低温条件下运行性能的方法,对该工艺的发展具有重要意义。

目前,低温对污水处理的影响已被广泛关注,强化低温污水处理的方法也不断被提出。然而,关于生物砂滤池低温污水处理性能强化方法的研究目前还鲜见报道。

本文采用生物砂滤池处理生活污水,选取甜菜碱作为外源强化剂,首先考察低温对其污水处理性能的影响,再在低温条件下投加不同浓度的甜菜碱,探索能有效强化低温污水处理性能的甜菜碱投加方式。

2 材料与方法

2.1 生物砂滤池结构

生物砂滤池采用柱体结构为主体,池高100 cm,内径50 cm,池内由上往下依次为布水层（10 cm,不填充任何滤料）、缓冲层（5 cm,填充粒径为10mm～15 mm 的碎石和卵石）、生物滤料层（80 cm,填充生物滤料,将粒径为0.3mm～0.5 mm 的天然河砂、火山岩砂按照60%、40%的质量占比搅拌均匀后作为滤料,滤料采用污水厂二沉池回流污泥进行接种而得到生物滤料）、排水层（5 cm,填充粒径为10mm～15 mm 的碎石和卵石）。采用旋转布水器均匀进水,排水层底部设有排水口用于处理后出水的排放。

2.2 运行方案

为减小实际污水水质波动对研究结果的影响,采用实际生活污水加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等调配后使进水COD、NH4+-N、TN、TP 浓度分别保持在300 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、4 mg/L 左右,每天运行2 个周期,每个周期淹水期为4 h,落干期为8 h,水力负荷为1.0 m/d。

考察低温对生物砂滤池污水处理性能的影响时,分为Ⅰ、Ⅱ两个运行阶段,其中阶段Ⅰ运行时的温度控制为25℃,阶段Ⅱ运行时,将温度分别降至15℃（B1 反应器）和10℃（B2反应器）,直至运行结果较为稳定为止。考察甜菜碱投加对低温污水处理效果的影响时,先在低温条件下稳定运行一段时间,再在每个运行周期布水时,在进水中加入不同浓度（0.2 mmol/L、0.4 mmol/L、0.6 mmol/L、0.8 mmol/L、1.0 mmol/L、1.2 mmol/L、1.5 mmol/L）的甜菜碱,考察其出水水质和污染物的去除情况,探讨甜菜碱对低温污水处理性能的增强效果。

2.3 分析方法

每天第2 个运行周期结束时,取适量水样分析COD 和NH4+-N 含量,具体测试方法按照《水和废水监测分析方法（第四版）》的要求进行。

3 结果与讨论

3.1 低温运行情况

由常温运行向低温运行转变过程中生物砂滤池对污水中COD 的去除情况见图1。从图1 可以看到,25℃稳定运行（阶段Ⅰ）时,生物砂滤池有着良好的COD 去除效率,平均去除率达到91%左右。当温度降至15℃时,由于受到低温冲击,系统内的异养微生物活性受到抑制,新陈代谢速率变缓,COD出水浓度逐渐升高,去除率则逐渐下降,运行至第23 d 后基本趋于稳定,出水COD 浓度均值为44.7 mg/L,相比25℃运行时增加了20.3 mg/L,相应的COD 去除率均值为81.2%,相比25℃运行时下降了6.8%。当温度由25℃降至10℃时,异养微生物受到的抑制作用进一步增大,部分甚至停止活动,导致污水中的COD 不能被有效去除,该温度条件运行稳定后COD 出水浓度和去除率均值分别为81.2 mg/L 和72.9%,前者相比25℃运行时升高了56.6 mg/L,后者相比25℃运行时降低了18.9%。由此可见,低温会对生物砂滤池的COD 去除性能产生不利影响,且温度越低,不利影响的程度越大,出水效果越差。

图1 低温条件下的COD 去除情况

图2 反映了由常温向低温运行后生物砂滤池对污水中NH4+-N 去除情况的变化。由图2 可知,NH4+-N 去除情况的变化规律与COD 基本相似,在受到低温冲击后,呈现出明显的NH4+-N 出水含量增加、去除效率降低的现象。阶段Ⅱ稳定运行期间,15℃、10℃运行时的生物砂滤池的NH4+-N 出水浓度均值分别为10.2 mg/L、15.6 mg/L,相比25℃运行时分别升高了8.5 mg/L、13.9 mg/L,而NH4+-N 去除率均值分别降至74.5%、60.9%,相比25℃运行时分别下降了21.1%、34.9%。可以看出,与COD 的去除情况相比,低温冲击对NH4+-N 去除的影响更大,这与NH4+-N 转化相关的功能菌（亚硝化菌、硝化菌等）对温度的变化更为敏感有关。

图2 低温条件下的NH4+-N 去除情况

3.2 甜菜碱对15℃低温运行的影响

甜菜碱投加对15℃低温运行时生物砂滤池去除COD 的影响见图3,其中不同甜菜碱投加量下的COD 去除情况见图3（a）,最佳甜菜碱投加量下的COD 去除情况见图3（b）。由图3（a）可知,当甜菜碱的投加量为0.2 mmol/L 时,COD 出水含量均值由44.1 mg/L 降至40.3 mg/L,COD 去除率均值由85.3%提升至86.6%,可见甜菜碱的投加能改善15℃低温条件下生物砂滤池对COD 的去除性能。继续增大甜菜碱的投加浓度,COD 的出水含量进一步下降,相应的COD 去除率进一步提高,当甜菜碱投加量达到0.8 mmol/L 时,COD 的出水含量均值仅为24.2 mg/L,去除率均值达到了91.9%,与25℃温度条件下运行情况接近,这表明该甜菜碱投加量能有效增强异养微生物代谢有机物的能力。当甜菜碱投加量超过0.8 mmol/L时,COD 去除效率进一步得到提升,但增幅较小,综合考虑投加成本和污染控制,选择0.8 mmol/L 作为最佳投加量。由图3（b）可知,在最佳甜菜碱投加量下,COD 去除率稳步回升,运行至第9 d 时恢复到90%以上,可见该甜菜碱投加量下运行9 d 即可强化生物砂滤池在15℃低温运行时的COD 去除性能。

图3 甜菜碱投加对15℃低温运行时COD 去除的影响

图4 显示了甜菜碱投加对15℃低温运行时NH4+-N 去除效果的影响,其中不同甜菜碱投加量下的NH4+-N 去除情况见图（4a）,最佳甜菜碱投加量下的NH4+-N去除情况见图（4b）。由图4（a）可知,甜菜碱的投加能促进生物砂滤池在15℃低温条件下对NH4+-N的去除。当甜菜碱投加量为0.8 mmol/L时,NH4+-N的平均出水含量为1.5 mg/L,去除率均值达到96.3%。由图（b）可知,投加0.8 mmol/L 甜菜碱的生物砂滤池在运行至第9 d时NH4+-N 去除率已达到95%以上,可见该投加量下甜菜碱能有效改善脱氮功能菌的活性,使其能在15℃低温条件下将NH4+-N 高效转化为NO2--N 或NO3--N 而去除。

图4 甜菜碱投加对15℃低温运行时NH4+-N 去除的影响

经分析,甜菜碱对生物砂滤池低温运行时的强化作用主要原因有：（1）甜菜碱的加入可以阻碍或减缓蛋白质在低温条件下的聚合,产生保护作用；（2）甜菜碱可以增强细胞膜在低温条件下的流动性,从而提高污染物的传质效率,使其接触更充分,促进污染物的去除；（3）甜菜碱还能在一定程度上提高酶活性,从而维持其在低温条件下的代谢能力,使其性能得以恢复。

3.3 甜菜碱对10℃低温运行的影响

图5 反映了甜菜碱投加对生物砂滤池10℃低温运行时COD 去除的影响。从图5（a）所示的不同甜菜碱投加量的影响来看,甜菜碱同样能增强该低温条件下的COD 去除效果,但是由于微生物受到的抑制更大,恢复难度也更大,所需甜菜碱的投加量也要更大。当甜菜碱投加量为0.8 mmol/L 时,COD去除率仅为87.5%,而当甜菜碱投加量增加到1.2 mmol/L时,COD 去除率均值回升至91.3%,此时出水COD 的浓度均值为26.1 mg/L,基本达到25℃运行时的水平,而继续增大甜菜碱投加量至1.5 mmol/L 时,COD 去除效率增幅较小,故最佳的甜菜碱投加量选择为1.2 mmol/L。从5（b）所示的最佳甜菜碱投加量下的COD 去除情况来看,投加甜菜碱后,生物砂滤池运行至第21 d 时COD 去除率超过90%,其恢复周期较15℃低温运行时增长了12 d,这说明受10℃低温抑制后,异养微生物恢复活性所需要的时间更长。

图5 甜菜碱投加对10℃低温运行时COD 去除的影响

甜菜碱投加对生物砂滤池10℃低温运行时NH4+-N 去除的影响见图6。由图6（a）所示的不同甜菜碱投加量的影响情况可知,当甜菜碱投加量为1.2 mmol/L 时,NH4+-N 出水浓度均值降至3.5 mg/L,去除率均值达到91.3%,改善程度较高,但与25℃运行时的水平仍有一定差距。当甜菜碱投加量增加到1.5 mmol/L 时,NH4+-N 去除率均值仅比甜菜碱投加量为1.2 mmol/L 时提高了0.5%,由此可见继续增大甜菜碱投加量并不能取得非常明显的强化效果,系统内的脱氮微生物可能由于对低温冲击较为敏感,部分微生物由于长期不能良好地代谢氮素污染物而失去营养源,致使其被分解或死亡而淘汰,因而系统难以完全恢复至常温运行时的脱氮水平。从6（b）所示的最佳甜菜碱投加量下的NH4+-N 去除情况来看,投加1.2 mmol/L 甜菜碱后,NH4+-N 去除率在运行至第21 d 时超过90%,若要完全恢复至原初水平,需要采取更多的应对措施,如进一步优化运行条件、引入耐低温功能菌、联合投加其他具有强化效果的外源药剂等[3]。