电化学耦合曝气生物滤池处理施工期生活污水

祁建民,张玉峰,邱勇军,傅高健,杨柳燕,缪爱军

(1.江苏方天电力技术有限公司,江苏 南京 211102)(2.南京大学环境学院,江苏 南京 210023)

施工期临时宿营地的生活污水中的COD、氨氮、总磷含量较高,污水排放量较大,如不经过处理便排放会对周围环境造成恶劣影响[1-3]. 与农村生活污水相比,施工期生活污水的水量更大,污水中总氮总磷含量较高,需要高效的脱氮除磷技术. 目前生活污水的常用处理技术主要包括上流式厌氧污泥床(UASB)、缺氧好氧(AO)系列工艺、膜生物反应器(MBR)工艺等[4-6]. 但是上述工艺占地面积较大、前期投入成本较高且很难移动,施工结束后会造成资源闲置,因此不适用于施工期生活污水的处理. 曝气生物滤池是处理生活污水首选工艺之一. 该工艺占地面积小、具有良好的脱氮除磷性能,其中的填料还能截留悬浮颗粒和大分子物质,是一种集物理、生物方法于一体的生物膜法处理工艺[7-8]. 然而施工期生活污水中污染物浓度较高,仅靠曝气生物滤池处理很难达到排放要求,因此需要联用其他工艺.

电化学法具有设备简单、占地面积小、自动化程度高等优点,该方法可以通过电催化和电絮凝工艺来去除生活污水中的污染物[9-10]. 电催化氧化是通过阳极氧化直接降解有机污染物,或通过电解过程中产生的强氧化性自由基间接降解污染物[11-12]. 电絮凝工艺是一种集气浮、混凝、电氧化于一体的处理技术,与混凝处理不同的是,电絮凝的混凝剂是通过阳极氧化溶解生成的,产生污泥量更少[13-14].

此前有研究[15]将电化学与曝气生物滤池联用处理焦化废水,其COD和氨氮的指标与施工期生活污水相接近,该方法通过电催化和微生物的共同作用去除污水中的污染物,实验结果表明电催化提高了曝气生物滤池的脱氮效率,整个装置对COD和氨氮具有良好的去除效果,去除率分别可达83.3%和99.8%. 此外,可以联用电絮凝工艺来提高处理系统的除磷效率. Samadikun等[16]通过电絮凝技术处理洗衣废水,在60 V的电压下,使得污水中磷酸盐浓度从9.58 mg/L下降到3.01 mg/L,去除效率为68.56%,具有较好的处理效果.

鉴于此,本研究提出电解曝气生物滤池耦合电絮凝、电催化的组合工艺处理施工期生活污水,以上述工艺为核心的一体化处理装置占用宿营地面积较小且能跟随施工队移动,适用于处理施工宿营地临时贮存的生活污水.

1 实验部分

1.1 电解/电絮凝实验装置

电解曝气生物滤池装置如图1所示,整个装置为圆柱体,高度为30 cm,装置的有效容积为4.2 L,从上到下分为3个区域,依次为清水层、填料层(沸石)、承托层(鹅卵石),各个区域的高度分别为5、15、5 cm,下方布有进水进气系统,填料区平行放置3块电极(2块钛板阴极、1块钌铱钛阳极)外接电源,水流通过下方蠕动泵从进水箱进入. 电絮凝曝气生物滤池实验设备是在该装置的基础上把钌铱钛电极换成铁板,水力停留时间为6 h,气水比为30∶1.

图1 电解曝气生物滤池装置示意图

1.2 中试试验装置

为了验证整个处理系统的可行性,定制了一套生活污水一体化处理设备,每天处理1 t人工模拟生活污水,工艺流程如图2所示.

图2 一体化处理设备工艺流程图

(1)调节池:调节池长×宽×高为50 cm×100 cm×100 cm,有效容积为0.4 m3,水力停留时间为10 h,内部装有曝气搅拌装置,用来均匀水质水量.

(2)电解曝气生物滤池:电解曝气生物滤池长×宽×高为70 cm×100 cm×100 cm,填料层的高度为50 cm,有效容积为0.32 m3,水力停留时间为8 h,电流密度为20 A/m2,阳极极板为钌铱钛,内部装有沸石填料,同时装有电解系统(放置方式如图1所示)、曝气系统和反冲洗系统,气水比维持在30∶1.

(3)电絮凝曝气生物滤池:电絮凝曝气生物滤池长×宽×高为30 cm×100 cm×100 cm,填料层的高度为 50 cm,有效容积为0.1 m3,水力停留时间为2.7 h,电流密度为20 A/m2,阳极极板为铁板,内部装有沸石填料,同时装有电解系统(放置方式如图1所示)、曝气系统和反冲洗系统,气水比维持在30∶1,与电解曝气生物滤池不同的是,此时阳极极板为铁材料.

(4)电催化槽:电催化槽长×宽×高为30 cm×100 cm×100 cm,有效容积为0.21 m3,水力停留时间为 5 h,电流密度为150 A/m2,阳极极板为钌铱钛,电解的同时通入氯化钠强化氧化效果,电极材料平行放置于固定模块中.

1.3 接种污泥和水样

污泥为上海碧莱清生活污水专用菌种,同时购买专用的营养剂加快挂膜速度. 原水水样取自南京市某变电站施工现场,生化需氧量(BOD)与COD的比值大于0.4,可生化性良好. 人工配制生活污水,用水取自自来水,同时添加葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾以补充微生物生长所需的微量元素. 原水水质、人工配制污水水质、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)出水一级A标准如表1所示.

表1 施工期生活污水指标及人工模拟污水进水水质

1.4 实验材料

选择沸石作为曝气生物滤池的填料,因为沸石对氨氮具有极佳的吸附效果. 钌铱钛阳极在足够的电压下会产生羟基自由基对污水中的有机物和氨氮进行催化氧化,强化脱碳脱氮效果. 锰砂具有很好的除铁效果,电絮凝出水需要锰砂过滤后才能通入电解槽,否则磷酸铁沉淀会溶解,导致出水磷含量超标.

1.5 实验与分析方法

(1)挂膜:采用快速挂膜法进行挂膜[17]. 将配制好的挂膜溶液(每升水体中加入40 g菌剂和10 g营养剂)倒入实验装置. 闷曝8 h后将含泥溶液全部排出,之后通入人工配制的生活污水,水力停留时间为 6 h,每天测定水中的COD、氨氮和总磷. 当氨氮的去除率大于60%、硝态氮增量和氨氮去除量的比值趋于1.0、处理效果基本稳定即可认为挂膜成功[18].

(2)驯化:挂膜成功之后在10 A/m2的电流密度下进行驯化,每天测定出水指标,待出水指标稳定后可逐渐提高电流密度.

(3)指标的测定:改变电流密度时,要在该电流密度驯化2 d后测定出水中的COD、氨氮、总氮、总磷.

本实验中各项指标测定方法如下:COD:重铬酸钾法;氨氮:纳氏试剂分光光度法;总氮:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;总磷:钼酸铵分光光度法.

2 结果与讨论

2.1 电解曝气生物滤池

2.1.1 电流密度对电解曝气生物滤池处理效果的影响

近年来,有研究[19-20]指出适当的电流密度可以促进微生物增长,从而提高生物反应器的效率,但过高的电流密度会使得微生物活性下降,从而降低去除污染物的能力,因此需要找到电解曝气生物滤池的最佳电流密度.

不同的电流密度对电解曝气生物滤池的影响如图3所示. 随着电流密度逐渐提高,微生物活性也在逐渐增强,对COD的降解率逐渐升高,在20 A/m2左右取得最佳处理效果,之后随着电流密度的升高,微生物的活性下降,导致出水COD指标升高. 磷的去除率在电流密度大于20 A/m2时基本稳定,达到90%. 氨氮和总氮的去除效果随着电流密度升高而升高,20 A/m2与40 A/m2的处理效果相近. 综上所述,电流密度设定为20 A/m2开展后续实验.

图3 电流密度对电解曝气生物滤池的影响

2.1.2 电解曝气生物滤池对人工模拟污水的处理效果

电解曝气生物滤池对人工模拟污水的处理效果如图4所示.

图4 电解曝气生物滤池进出水中COD、氨氮、总氮、总磷的含量及其去除率

进水COD在300～600 mg/L范围内波动,出水COD稳定在50 mg/L以下,达到GB 18918—2002的一级A标准(COD≤50 mg/L),这说明电解曝气生物滤池对COD的降解比较稳定,具有一定的抗冲击负荷能力[21].

氨氮的进水浓度在100 mg/L左右,在1个周期内(反冲洗后到下一次反冲洗前),氨氮的处理效果逐渐降低. 分析原因可能是COD含量过高,微生物生长繁殖快,硝化细菌很难成为其中的优势菌种[22],随着时间的推移,硝化效果越来越差,导致出水氨氮含量增加. 反冲洗(4 d、7 d)之后氨氮的处理效果会增强,但也难维持很长时间,需要频繁进行反冲洗,在此条件下,出水指标可在20～30 mg/L浮动.

总磷的进水浓度在15 mg/L左右,反冲洗之后出水浓度维持在2～3 mg/L,对磷的去除效果可达80%.

2.2 电絮凝曝气生物滤池对人工模拟污水的处理效果

选用电絮凝曝气生物滤池作为后续除磷工艺,选择适宜的电流密度,以防铁电极溶解过快. 处理效果如图5所示,电絮凝曝气生物滤池拥有良好的除磷效果,主要依靠电极氧化产生的Fe3+的絮凝沉淀与填料的吸附作用[21],去除率可达98%以上,达到GB 18918—2002 的一级 A 标准. 除了高效除磷,电絮凝曝气生物滤池对COD、氨氮、总氮也有一定的净化效果,可以进一步去除污水中的污染物.

图5 电絮凝曝气生物滤池对COD、氨氮、总氮、总磷的去除率

2.3 电催化槽对人工模拟污水的处理效果

将2个钌铱钛电极平行放入烧杯中,在通入电压为10 V、极板间距为1 cm的条件下,测试了电催化槽对氨氮强化处理的效果,体系中COD、氨氮、氯化钠的浓度分别为400、100、1 000 mg/L.

处理效果如图6所示,在前0.5 h主要进行氨氮的氧化,COD未被降解,当氨氮的去除率达到60%左右,开始氧化降解COD,在2 h氧化过程中,COD和氨氮的去除率分别可达60%和90%. 分析原因可能是前 30 min 溶液中Cl-浓度较高,大量的Cl-会吸附在阳极表面,此时ClO-较·OH更容易生成,而ClO-对COD处理效果较差,所以此时主要进行氨氮的氧化. 随着反应的进行,Cl-浓度逐渐降低,·OH开始大量生成,COD开始被降解[24].

图6 电催化装置对COD、氨氮的去除率

2.4 生活污水一体化处理设备对人工模拟污水的处理效果

研究测定了装置挂膜驯化后15 d的处理效果,如图7所示. 在15 d装置稳定运行过程中,对COD的去除率逐渐提高并稳定在90%左右,出水COD稳定在50 mg/L以下,达到 GB 18918—2002 的一级 A 标准.

图7 生活污水一体化处理设备进出水中COD、氨氮、总氮、总磷的含量及其去除率

氨氮在前5 d的出水浓度在10 mg/L左右,第5 d开启电催化装置后,出水浓度稳定在0 mg/L,达到GB 18918—2002 的一级 A 标准,说明电催化装置对氨氮具有很好的处理效果.

总氮的去除效果较氨氮差,分析原因可能是随着反应的进行,电催化槽产生大量的ClO-和·OH,其中ClO-的氧化电位为 0.89 eV,·OH的氧化电位为 2.8 eV,羟基自由基的氧化电位较高,会将一部分氨氮氧化成硝态氮,导致出水总氮偏高. 但出水总氮浓度仍稳定在15 mg/L以下,达到GB 18918—2002的一级A标准. 后续可在电催化槽出水区域增加1块阴极极板进行硝态氮的反硝化,强化脱氮效果.

总磷在前5 d的出水浓度在1～5 mg/L范围内波动,第5 d开启电絮凝装置后,去除率大幅增加,出水浓度稳定在0.5 mg/L以下,达到GB 18918—2002的一级A标准.

3 结论

本研究以电解曝气生物滤池作为核心工艺,同时利用电絮凝、电催化技术进一步强化脱氮除磷效果. 以上述技术为核心的一体化污水处理装置对高浓度的人工模拟污水具有较好的处理效果,挂膜启动时间较短,具有较好的抗冲击负荷能力. 通过实验确定电解曝气生物滤池、电絮凝生物滤池、电催化槽的电流密度及水力停留时间等参数. 中试装置稳定运行期间,电解曝气生物滤池、电絮凝生物滤池、电催化槽的电流密度分别为20、20、150 A/m2,对人工模拟污水中的污染物具有很好的去除效果,COD、氨氮、总氮、总磷的出水浓度基本稳定在50、1、15、0.5 mg/L以下,去除率分别达到90%、99%、80%、98%,达到 GB 18918—2002 的一级 A 标准. 其中总氮的去除率较低,可能是由于电解生物滤池极板覆盖面积有限,可以在电催化槽出水区域增加1块阴极极板来提高反硝化效果,进一步降低总氮指标. 装置稳定运行期间,每吨水的处理成本为3.84元. 曝气生物滤池具有较好的脱氮除磷性能,但对于氮、磷的高效去除很难同时满足,并且,施工期生活污水的污染物含量较高,曝气生物滤池很难对其处理完全,本研究引入电化学技术,强化整个系统的脱氮除磷效率,可以有效解决上述存在问题.