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氨氮废水处理曝气生物滤池多孔释碳填料的应用

中国污水处理工程网 时间:2021-12-30 10:59:54

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  曝气生物滤池(BAF)是在普通生物滤池的基础上借鉴给水滤池工艺开发的污水处理新工艺,填料是BAF工艺的核心组成部分。目前研究较多的BAF填料主要有活性炭、沸石等天然硅酸盐矿物质、以粉煤灰和黏土为主要原料烧制的球形轻质多孔生物陶粒以及由多种填料组合而成的复合填料等。我国对BAF填料的研究以陶粒为主,早期的陶粒大多直接烧制、破碎、筛分而成,为片状等不规则形状,具有碳源不足、释碳不稳定等问题,严重影响BAF生物脱氮效果。

  缓释碳源是近年研发的新型技术,能稳定可持续地释放碳源提供给反硝化过程,提高氮磷去除效果。兰善红等用粉煤灰作为主要原料制备多微孔BAF填料,使得TN的去除率大大提高。闫续等制备的两种包埋淀粉的聚乙烯醇(PVA)释碳材料和海藻酸钠(SA)释碳材料,PAV材料单位质量释放的饱和COD达到99.60mg/(g·L)。钟丽燕等以自制新型缓释碳源、海绵铁和活性炭作为反硝化生物滤池的复合填料,获得较高的TN、TP去除率。

  本研究以沸石、生物质废料(核桃壳)为原料,水泥作为黏合剂制备新型多孔释碳填料,并以此填料搭建BAF反应器,通过一段时间的活性污泥培养驯化后处理氨氮废水。考察了原料配比对填料释碳性能的影响,同时调整BAF的运行参数,以达到最好的脱氮效果。

  1、材料与方法

  1.1 试验材料

  活性污泥为西安某污水处理厂终沉池的回流污泥,倾去上清液,驯化培养;核桃壳购自当地农贸市场,用自来水洗去杂质,去瓤留壳后破碎,分别过4、6mm筛,取粒径4~6mm的部分用去离子水浸泡,除去浮于水中的残余核桃瓤和果皮,重复多次,以确保所得核桃壳形状、尺寸以及密度的均一性,然后在105℃下烘干备用;沸石粉、水泥粉均为商业普通型号。

  1.2 试验装置

  本次试验装置主要由玻璃柱(直径9cm,高度110cm)、蠕动泵、曝气装置、进水箱等组成,BAF总容积6L,有效容积5L。试验用水从进水箱通过蠕动泵打入滤池底部,气水均自下而上通入BAF,处理后的废水从顶端流出。试验装置如图1所示。

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  1.3 试验方法

  1.3.1 填料制备

  根据试验设计,将沸石、水泥、核桃壳干粉按一定配比搅拌10min,加入一定水使其充分混合,压制成粒径为8mm的小球;将制备的小球在自然条件下养护12d制备成多孔释碳沸石复合填料(WZ填料);随机抽取尺寸均匀球状WZ填料,用AI-7000-NGD型多功能高低温控制试验机测试其能承受的最大抗压强度。

  1.3.2 WZ填料静态释碳试验

  称取50gWZ填料置于1L锥形瓶中,加入纯水后密闭。控制温度在(25±1)℃、pH为7.4~7.7,分别在一定时间内取样并测定水样中的COD,建立WZ填料的释碳曲线,考察其释碳性能。

  1.3.3 BAF的构建及运行启动

  利用WZ填料装填搭建BAF,连续通入模拟废水,控制曝气量为9L/h、水力停留时间(HRT)为12h、进水量为0.148L/h连续运行14d进行BAF的挂膜,每天定时取样测定BAF中的COD、氨氮质量浓度并计算去除率。为考察WZ填料作为缓释碳源对BAF反硝化脱氮效果的影响,在BAF挂膜成功后,连续通入不加碳源的模拟废水(进水COD质量浓度降为0mg/L),在HRT为12h,曝气量为9L/h的条件下连续运行14d,定时监测COD及硝态氮浓度,考察WZ填料作为缓释碳源的反硝化脱氮性能。在反硝化运行良好之后,连续通入模拟废水,考察HRT(8、12、24h)、氨氮初始质量浓度(30、40、50mg/L)对COD、氨氮处理效果的影响,得到最佳工艺运行参数。

  挂膜启动模拟废水水质见表1

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  2、结果与分析

  2.1 WZ填料配比优化

  前期实验表明,填料抗压强度低于40N时,运行过程中容易坍塌,造成曝气头堵塞,为保证填料长期稳定运行不破损,需保证其抗压强度大于40N。根据单因素试验结果,核桃壳添加量越大,WZ填料抗压强度越小,当核桃壳∶沸石(质量比)由0.01增致0.03时,制得的WZ填料抗压强度由50N左右迅速下降至不足25N;同时,WZ填料抗压强度随水泥添加量的增大而增大,水泥∶沸石(质量比)由0.2增大到0.4时,制得的WZ填料抗压强度从18N增加到95N。为保证抗压强度的前提下尽量提高核桃壳添加量,设计正交试验,得到WZ填料的最佳材料配比(质量比)为沸石∶核桃壳∶水泥为1.00∶0.02∶0.30,制得的成品WZ填料见图2。

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  2.2 WZ填料的性质

  2.2.1 理化性质

  对核桃壳、WZ填料及陶粒的基本理化指标进行对比,结果见表2。

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  由表2可以看出,WZ填料的比表面积、表观密度均大于核桃壳和陶粒填料;一般而言,填料比表面积越大对微生物的附着越有利,可使BAF内保持较高的生物量。WZ填料具有较大的空隙率,可以保证曝气均匀性,作为BAF的新型填料,比传统填料更具有优势。

  2.2.2 静态释碳性能

  WZ填料小球静态释碳性能如图3所示。

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  由图3可见,WZ填料在4d内释碳量(以COD质量浓度计,下同)迅速增加到84mg/L,在长达20d的试验过程中,其释碳量一直平稳地保持在80mg/L左右,最高可达112mg/L。核桃壳在连续17d的释碳试验中,其释碳量最高可达150mg/L,平均释碳量在70mg/L左右,运行过程中核桃壳存在破损现象。与其相比本试验的WZ填料释碳过程相对稳定,释碳量更大,且在保证释碳量的前提下,长期运行过程没有破损现象出现。经过静态释碳性能研究,可知WZ填料适合作为具有支撑作用的固体碳源,以减少BAF外加碳源的投放。

  2.3 BAF的启动运行

  WZ填料挂膜启动期间,BAF中COD、氨氮浓度及去除率变化见图4。

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  从图4可以看出,在BAF挂膜启动前期污染物去除效果相对较差,氨氮去除率在30%左右波动,COD去除率在70%左右波动。这是由于前期生物膜没有形成,异养菌对自养硝化菌的生长、繁殖产生了抑制作用,硝化菌的功能尚未体现,前期氨氮的去除主要是通过WZ填料的吸附作用实现,因此氨氮去除率较低。随着反应的进行,BAF内氨氮浓度逐渐下降,氨氮去除率迅速增加到90%以上,说明硝化菌开始逐渐适应BAF内的环境,异养菌对硝化菌的抑制作用开始缓和,硝化菌开始大量生长、繁殖,在硝化和填料吸附共同作用下氨氮的去除率提高。在BAF运行第5~6天时,COD、氨氮去除率均有明显下降,这是因为BAF运行前期,模拟废水中微生物所需营养物质较为充分,导致微生物生长增殖过快,生物膜厚度增加,整个反应器底部堵塞,从而导致出水效果变差。随即对反应器进行了反冲洗,冲洗掉表面死亡脱落的微生物,COD处理效果逐渐回升。运行14d后,BAF内COD在208~320mg/L波动,氨氮在21~53mg/L波动,而COD和氨氮的去除率分别稳定在80%、95%左右,说明BAF的抗冲击负荷能力较强,这主要源于WZ填料的比表面积大,其单位表面积上负载的生物量高所致,此时认为挂膜启动成功,相同条件下,以核桃壳、陶粒为BAF填料时,挂膜启动时间分别为27、30d[14],可见,本研究制得的缓释碳源WZ填料可以显著缩短BAF的挂膜启动时间。

  2.4 WZ填料动态脱氮性能

  BAF挂膜启动成功后,通入无外加碳源的模拟废水连续运行14d,每天测定BAF内COD及硝态氮变化,计算硝态氮去除率,结果见图5。

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  从图5可以看出,连续运行期间,BAF内硝态氮在31.76~40.38mg/L波动,试验前10天,硝态氮去除率逐步上升,由50%上升至95%以上,第11~14天,硝态氮去除率稳定在100%,BAF平均反硝化速率为2.72mg/(L·h)。BAF内COD前期波动较小,后期波动较大,在整个试验期间COD平均值为29mg/L。在反硝化过程中,需要一定量有机物作为还原硝酸盐的电子供体,若有机物量不足,会因电子供体不足造成反应进行不完全,而WZ填料中含有的核桃壳粉末可以持续稳定地为反硝化提供碳源,使得硝态氮去除率维持在较高水平。由试验结果可知,WZ填料释碳稳定,BAF反硝化过程进行得较为彻底,将WZ填料作为BAF反硝化的缓释碳源是可行的。

  2.5 BAF反应器运行参数优化

  2.5.1 HRT对BAF运行的影响

  在进水pH为6.0~7.5、COD为300mg/L、氨氮为30mg/L的条件下,考察HRT分别为8、12、24h时,BAF对COD、氨氮的去除效果,结果如图6所示。

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  由图6可见,随着HRT从8h增至24h时,氨氮平均去除率由53%增加到95%,COD平均去除率从72%升高到76%,相比而言,氨氮去除率增幅更加明显,这是因为随着HRT增加,微生物与底物的接触时间增长,污染物的处理效率提高;同时较小的进水流速也减少了滤层之间的过流速度和水力剪切力,使生物膜不容易脱落,有助于污染物去除率的提高。HRT的变化对COD和氨氮去除率的影响存在一定差异,这是因为系统中存在的异养菌及硝化菌具有不同的生理特性,从而导致BAF对COD和氨氮表现出不同的抗冲击负荷能力。硝化菌由于比增长速率相对较小,使其在生存竞争中处于劣势,从而更容易受到冲击负荷等环境条件的影响,因此HRT较低时,有机负荷同时大幅升高,异养菌大量繁殖的同时挤压了硝化菌的生存空间,使得脱氮效果偏低。

  2.5.2 氨氮浓度对BAF运行的影响

  在进水pH为6.0~7.5、COD为300mg/L时,控制HRT为24h,调节模拟废水中氨氮质量浓度分别为30、40、50mg/L,考察BAF对COD、氨氮的去除效果,结果如图7所示。

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  由图7可见,在3种初始氨氮浓度下,BAF对模拟废水保持了较好的处理效果,稳定运行期间氨氮平均去除率达95%以上,COD平均去除率达76%左右。在运行第7~8天时,COD及氨氮去除率突然迅速下降,这是由于BAF底部发生了堵塞,进行反冲洗后,BAF在短时间内重新恢复到正常水平。可见,BAF对进水氨氮浓度的适应范围较广。

  2.5.3 WZ填料挂膜前后扫描电镜(SEM)观察

  WZ填料挂膜前后形貌观测结果如图8所示。

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  从图8可以看出,挂膜前WZ填料外表面相对粗糙,挂膜后WZ填料表面的多孔结构更加明显,孔隙间贯通性强,这是由于填料表面的有机碳被微生物作为反硝化碳源利用分解,使表面微孔结构明显增加,也更有利于挂膜启动,不仅缩短了挂膜时间,且更加有利于微生物在填料表面附着。经观测分析,WZ填料表面及内部附着的微生物包括藻类、丝状及梭状杆菌。其中杆菌与反硝化菌形态相似,而梭状杆菌能在厌氧条件下将碳水化合物降解为乙酸、丙酮等,进一步促进反硝化反应的进行。WZ填料基本形态稳定持久,未发现因微生物水解出现的破损现象,有利于反应器的长期稳定运行。

  3、结论

  (1)WZ填料制备时沸石∶核桃壳∶水泥的最佳配比(质量比)为1.00∶0.02∶0.30,制得的WZ填料释碳量高且持久性强,可以作为一种新型释碳填料使用。在动态释碳脱氮的过程中,平均反硝化速率为2.72mg/(L·h),硝态氮去除率达到了100%,反硝化效果比较彻底。

  (2)BAF中,WZ填料在14d内挂膜成功,有效缩短挂膜启动时间,延长HRT有助于提升BAF对污染物的去除效果,当HRT由8h提高到24h,COD去除率由72%提高到76%,氨氮去除率由53%提高到95%。BAF对进水氨氮浓度适应范围较广,在进水氨氮为30~50mg/L时,BAF在稳定运行期间对氨氮平均去除率达95%以上,COD平均去除率达76%左右。

  (3)WZ填料挂膜前后的SEM观察结果表明,填料外表面粗糙,挂膜后内部孔隙间贯通性增强,便于微生物附着以及进入填料内部生长,WZ填料基本形态稳定持久,未发现因微生物水解出现的破损现象,有利于反应器的长期稳定运行。(来源:陕西科技大学环境科学与工程学院)

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