油菜秸秆生物炭强化好氧活性污泥体系污水脱氮效能研究

陈 佼,李舒昕,陆艳红,唐 艺,李雪梅,黄 琴,陆一新

(成都工业学院 材料与环境工程学院,成都 611730)

为进一步提高水环境质量,越来越多的国家和地区提高了污水排放标准。在此趋势下,新污水处理技术的研发及对现有污水处理技术的升级改造变得尤为重要,已成为污水处理厂未来可持续发展的必经之道[1]。好氧活性污泥法作为一类经典的污水处理工艺,在污水处理厂被广泛应用[2]。但是,传统的好氧活性污泥法难以在同一区间实现高效同步硝化反硝化,导致脱氮效能偏低[3]。含氮污染物的超标排放将加速水体富营养化的进程,因而探寻有效的污水脱氮强化方法对好氧活性污泥法的应用升级具有重要的现实意义。

为此,本文采用不同的热解温度对废弃油菜秸秆进行处理,制备出不同特性的生物炭,将其分别投至好氧活性污泥体系内,考察其对氮素污染物去除和污泥沉降性能的影响,探究能有效强化污水脱氮效能的生物炭类型,以期为好氧活性污泥法提供一种新的强化脱氮方式。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

采用实验室规模的有机玻璃柱作为好氧活性污泥法的反应装置(见图1),共设置4组序批式反应器平行启动,编号依次为A1～A4。反应器内径20 cm,柱高40 cm,工作容积为10 L。反应器内安装有Multi 3620在线分析仪(用于检测pH、溶解氧和温度等)、机械搅拌器、空气扩散器。空气扩散器与柱外空气压缩机相连接以向体系内供氧,使体系内溶解氧质量浓度为4 mg/L左右。机械搅拌器的搅拌速率为120 r/min,以使泥水混合更加充分。加热带与温控箱构成温控系统,用于调节反应期间温度为(25±1)℃。反应器按顺序循环运行,循环时间为6 h/周期,具体包括进水5 min、曝气5 h、沉降30 min、滗水5 min,其余时间为闲置期。

图1 实验装置示意图

1.2 实验用水及接种污泥

1.3 油菜秸秆生物炭的制备

废弃油菜秸秆收集后进行清洗、干燥和粉碎处理,然后过0.18 mm筛,将筛出物放入坩埚中,压实后盖好盖子,放入马弗炉内通入氮气流进行限氧热解处理。热解温度分别设置为300,500,700 ℃,保持时间为2 h,使得废弃油菜秸秆能够充分热解。待冷却后,将产生的固体产物与适量的盐酸溶液混合均匀,然后在25 ℃、150 r/min的条件下进行振荡,保持0.5 h以去除灰分。振荡结束后清洗数遍,干燥后过0.15 mm筛,取筛出物保存备用,即得到油菜秸秆生物炭(RBC),依次编号为RBC300、RBC500、RBC700。

1.4 实验方案

1.5 分析方法

污水水质指标和污泥性能指标均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)进行检测。生物炭载膜量f采用重量差法进行检测。污泥沉降速率v根据单位时间t内污泥在100 mL量筒内的沉降体积V进行计算,即v=V/t。RBC300、RBC500、RBC700的表观形态采用Gemini 300场发射扫描电镜进行观测,比表面积SA、总孔容TV、平均孔径AP等指标通过NOVA4000e比表面积分析仪测得。

2 结果与讨论

(a)进出水质量浓度

去除率图2 RBC对去除效果的影响

2.2 TN去除情况

RBC投加对好氧活性污泥体系TN去除效果的影响如图3所示。

(a)进出水TN质量浓度

(b)TN去除率

2.3 强化脱氮机理分析

2.3.1 RBC吸附性能分析

图4 RBC对的吸附效果

2.3.2 RBC载膜性能分析

图5为稳定运行期间A1～A4反应器的载膜情况对比。可以看到,A1反应器载膜量为0,说明该反应器为单一的活性污泥体系,而A2、A3和A4反应器的生物炭载膜量分别达到29.3,71.5,132.8 mg/g,表明在投加RBC300、RBC500、RBC700后,好氧活性污泥体系内出现了生物膜结构。

图5 A1～A4反应器的载膜量

结合图6所示的RBC电镜扫描结果和图7所示的SA、TV、AP分析结果可知,油菜秸秆在被制成生物炭后形成了大量形状不一的孔洞结构,且热解温度的升高能促进RBC孔隙结构的发育,使之具有更加适合微生物菌群生存的微空间环境[20]。RBC700的SA、TV、AP值分别达到65.1 m2/g、0.194 m3/g、8.24 nm,分别相当于RBC300(RBC500)的2.6(1.5)、3.4(1.8)、2.5(1.3)倍,可为微生物菌群附着生长和生物膜的形成提供更加充裕的空间,因而投加RBC700的A4反应器具有更高的生物炭载膜量,分别相当于A2、A3反应器的4.5,1.9倍。

(a)RBC300(b)RBC500

(c)RBC700图6 RBC的电镜扫描图

图7 RBC的SA、TV、AP对比

生物炭载膜量越高,所形成的生物膜结构在好氧活性污泥体系污水脱氮过程中起到的作用越大。与单一的活性污泥体系相比,活性污泥-生物膜耦合体系通常表现出更优的脱氮效能。张俸志等[21]在活性污泥体系内填充约15%体积占比的纤维填料,经过99 d的驯化后可去除中药制药废水中97%以上的TN,纤维填料上生物膜的形成使得体系内微生物类型更加丰富,有利于其实现深度脱氮。Dai等[22]对比了带空白载体的序批式生物膜间歇式反应器与无载体的序批式反应器的脱氮效率,前者比后者高出21.4个百分点,载体上形成的固定生物膜有效地维持和富集了厌氧氨氧化菌,有利于污水部分亚硝化厌氧氨氧化工艺的启动和稳定运行,提升了活性污泥体系的脱氮性能。类似地,本研究中RBC的投加为微生物菌群形成生物膜结构提供了稳定的载体条件,同时其良好的吸附性能也为生物膜的持续生长提供了充足的营养供给,使更多具有不同代谢功能的菌群能共存于该空间环境下,为生物脱氮的高效发生创造了有利基础。

2.3.3 污泥沉降性能分析

A1～A4反应器的污泥沉降速率变化见图8。

图8 污泥沉降速率的变化

污泥的沉降速率对污水处理的效果有着重要影响[23]。一方面,污泥的沉降速率越高,意味着泥水分离越彻底,残留在出水中的污泥量越少,因污泥本身携带而来的未完全转化的污染物含量也随之降低,因而出水效果越好[24]。另一方面,污泥沉降速率的提高可以节约泥水分离耗时,为反应器进入下一周期的运行预留充足的时间,有利于提高污染物的去除效率。由图8可知,A1～A4反应器内的污泥在沉降初期表现出较快的沉降速率,而后沉降速率逐渐变缓。其中,投加RBC700的A4反应器在前5 min即获得了8.4 mL/min的污泥沉降速率,分别相当于A1、A2、A3反应器的1.5,1.3,1.2倍。由此可见,RBC的投加能有效提高活性污泥体系的沉降速率,这归因于表面附载有生物膜的RBC具有比污泥更高的密度,能在更短的时间内沉降下来,形成密实度更高的污泥结构[25],这同样有助于强化好氧活性污泥体系的生物脱氮效能。

2.3.4 强化脱氮途径分析

结合对RBC吸附性能、载膜性能和污泥沉降性能的分析,从生化反应角度对RBC强化好氧活性污泥体系污水脱氮效能的途径作进一步探讨。

(a)硝化

(c)短程硝化反硝化

3 结论