新型陶瓷填料用于曝氣生物濾池可行性試驗研究

王煒亮

(山東師范大學(xué) a.人口?資源與環(huán)境學(xué)院;b.化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院,濟南 250014)

曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF),是在普通生物濾池的基礎(chǔ)上,借鑒給水濾池工藝原理而開發(fā)的一種污水處理工藝,具有去除SS、COD、BOD、AOX(有害物質(zhì))和脫氮除磷等功能,其去除機理主要有過濾、吸附和生物代謝。曝氣生物濾池因其具有體積小、處理效率高、出水水質(zhì)好、流程簡單,不需設(shè)置二沉池等優(yōu)點而倍受廣大研究者關(guān)注。Ryu等[1]運用4階段(吸附、硝化、反硝化和深度凈化)曝氣生物濾池處理低C/N比城市污水,強化脫氮效果,氨氮平均去除率為95%～96%。Liu等[2]發(fā)現(xiàn),上向流曝氣生物濾池用于紡織廢水二級處理后出水的深度處理時,保持溶解氧濃度4 mg/L,水力負荷從0.13 m3/(m2?h)提高至0.78 m3/(m2?h),COD、氨氮和總氮去除率分別從52%、90%和45%降至 38%、68%和 33%;溶解氧濃度從 2.4 mg/L提高到6.1 mg/L時,COD和氨氮去除率分別從39%和64%提高至53%和88%,但總氮變化不明顯;試驗還發(fā)現(xiàn)參與凈化的微生物包含自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌,并存在同步硝化反硝化現(xiàn)象。郝曉地等[3]試驗發(fā)現(xiàn),內(nèi)循環(huán)可以顯著提高曝氣生物濾池反硝化效果,在內(nèi)循環(huán)比為150%時,硝化過程中產(chǎn)生的NO3-幾乎均能被反硝化完全去除,且增加內(nèi)循環(huán)對COD、SS、濁度等去除效果影響不大。Pujol等[4]發(fā)現(xiàn),上向流曝氣生物濾池可高效去除污水中SS、COD、BOD、氨氮,即使在 10 m3/m2?h 的高負荷條件下,SS的去除率仍在60以上。CHENG等[5]用曝氣生物濾池處理富含水溶性VOCs的電子加工企業(yè)廢水并評估揮發(fā)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),容積負荷為2.76 kgBOD/(m3?d)時,可有效去除 COD和甲苯、異丙醇(IPA)等VOCs,COD去除率超過90%,部分VOCs揮發(fā)到大氣中,異丙醇的揮發(fā)量小于0.1%,甲苯的揮發(fā)量為30%～40%,二者揮發(fā)速率分別為0.003 kg/d和0.007 kg/d。

填料是曝氣生物濾池污水處理工藝的核心,新型曝氣生物濾池填料開發(fā)應(yīng)用及其機理探討是近年來的研究熱點。胡濤等[6]指出BAF工藝中生物濾料的性能是關(guān)鍵,應(yīng)多考慮用價廉易得的無機礦物原料和工業(yè)廢料開發(fā)高效廉價的濾料。徐竟成等[7]發(fā)現(xiàn)懸浮濾料對氨氮的降解能力較強,但由于對微小絮體的截留能力不足而導(dǎo)致出水COD較高,輕質(zhì)濾料的截留效果較好但反沖洗難度較大,以懸浮濾料和輕質(zhì)濾料組成復(fù)合濾料層曝氣生物濾池是最佳組合。王萍等[8]利用天然黏土和粉煤灰為主要原料制備的曝氣生物濾池陶粒濾料比表面積為4.26～7.24 m2/g,容重為0.73～0.74 cm3/g,表面粗糙,物理化學(xué)穩(wěn)定性好。李善評等[9]以高爐瓦斯灰為主要原料、粘土和硅酸鈉為添加劑制備了曝氣生物濾池填料并將其用于處理醬油廢水,在水力停留時間為4 h、氣水比6:1、濾層高度為100 cm的情況下,COD的去除率達到70.3%,氨氮的去除率達到74%,色度的去除率達到60%。Francisco等[10]將固體廢棄物制成填料用于雙層淹沒曝氣生物濾池,其上層填料是將陶瓷工業(yè)廢料碾磨成2～5 mm的顆粒,其相對密度為2.18 g/cm3,下層填料是由聚乙烯廢塑料經(jīng)粉碎、淘洗、擠壓成型加工制成,其直徑為5 mm,相對密度為0.92 g/cm3。該曝氣生物濾池在4.87 kgBOD/(m3?d),3.0 kgSS/(m3?d)時,出水 BOD濃度低于20 mg/L,SS低于25 mg/L。葛偉青等[11]用曝氣生物濾池處理豆制品加工廢水,試驗發(fā)現(xiàn)在海綿鐵與陶粒混合質(zhì)量比為1:3、HRT=1.0 h時其對COD和色度的去除效果均能達到40%以上,向海綿鐵中加入陶?？捎行У乇苊馓盍习褰Y(jié)。SHEN等[12]將丙烯酰胺親水鏈嫁接到填料表面,提高了填料表面潤濕性能和生物膜附著能力,在進水流量5 L/h,水力停留時間9 h,氣水比10:1,表面改性填料曝氣生物濾池COD和氨氮去除率分別為83.64%和96.25%,比未改性填料曝氣生物濾池去除率高5%～20%。Zhao等[13]發(fā)現(xiàn),污泥飛灰陶瓷顆粒填料曝氣生物濾池對COD和氨氮的去除效果優(yōu)于粘土陶瓷顆粒曝氣生物濾池,而且,前者具有較好的抗沖擊能力和較快的生物活性恢復(fù)能力。Chang等[14]實驗發(fā)現(xiàn),曝氣生物濾池工藝處理紡織廢水中氨氮時,沸石填料優(yōu)于砂和顆?；钚蕴?去除機理主要包括硝化作用、離子交換和同化合成。

曝氣生物濾池新型填料研發(fā)尚處于起步階段,新型填料應(yīng)用于曝氣生物濾池的運行參數(shù)還有待進一步優(yōu)化,運行過程機理有待深入探索,且現(xiàn)有研究缺乏對運行成本的核算,傳統(tǒng)的曝氣生物濾池填料比重大、機械強度差、不利于反沖洗,因此,亟須研發(fā)新型高效經(jīng)濟實用的曝氣生物濾池填料。該研究最大特點是使用了一種新型粒狀陶瓷填料,并將新型陶瓷填料和生物陶粒進行平行對比試驗研究,而且進行了運行成本比較。

1 試驗條件和方法

1.1 進水水質(zhì)

曝氣生物濾池進水取自某污水處理廠硅藻精土強化一級處理系統(tǒng)出水,進水水質(zhì)見表1。

表1 進水水質(zhì)/(mg?L-1)

1.2 兩種填料性能參數(shù)對比

試驗采用2套并行的曝氣生物濾池系統(tǒng),分別裝填球形生物陶粒和新型陶瓷填料。球形生物陶粒以粘土(主要成分為偏鋁硅酸鹽)為主要原材料,加入適當(dāng)?shù)幕ぴ献鳛榕蛎泟?經(jīng)高溫?zé)贫?其表觀成球形,表面粗糙、比表面積大。新型陶瓷填料主要成分是氧化鋁和氧化硅,機械強度高,耐摩擦性能好,表面粗糙,且?guī)б欢ǖ恼姾?比重較小。因此,新型陶瓷填料有利于微生物吸附生長和曝氣生物濾池系統(tǒng)反沖洗。二者的主要性能參數(shù)見表2。

表2 生物陶粒和新型陶瓷填料主要性能參數(shù)

1.3 工藝流程和試驗裝置

曝氣生物濾池由透明有機玻璃柱加工而成,柱內(nèi)徑為0.15 m,高 2.8 m,底部為氣水混合室,填料高度1.5 m,柱側(cè)壁設(shè)有取水口,間距為0.2 m。工藝流程如圖1所示。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 2種填料掛膜過程分析

微生物在載體表面的附著過程是生物膜形成的關(guān)鍵一步,它將直接影響生物膜的生物及生理功效以及生物膜反應(yīng)器的啟動運行周期,且掛膜過程中,好氧異養(yǎng)菌的增殖速度較快,硝化菌增殖較慢[15-16]。本試驗通過接種某污水處理廠回流污泥,采用間歇進水方式,對曝氣生物濾池進行悶曝掛膜培養(yǎng)。2周后發(fā)現(xiàn),兩柱內(nèi)填料表面均生長形成半透明狀微生物膜,進水方式調(diào)為連續(xù)進水,進水水量均為4.4 L/h。

表3顯示連續(xù)進水第3 d和第7 d兩系統(tǒng)的運行結(jié)果。連續(xù)進水第7 d和第3 d時相比,新型陶瓷填料曝氣生物濾池CODcr去除率由52.3%提高至76.9%,NH4+-N去除率由47.8%提高至97.3%;生物陶粒曝氣生物濾池CODcr去除率由51.3%提高至76.6%,NH 4+-N去除率由47.1%提高至97.1%。2個曝氣生物濾池系統(tǒng)在相同的掛膜條件下,填料表面的微生物膜均生長良好,掛膜成功,且兩者處理效果相當(dāng)。

2.2 最佳水力停留時間的研究

在進水水質(zhì)、曝氣量、反沖洗周期等均相同的條件下,2個曝氣生物濾池系統(tǒng)的水力停留時間分別為 3 h、2 h、1.5 h和1 h,即新型陶瓷填料BAF工況1-1、工況 1-2、工況1-3和工況 1-4,生物陶粒BAF工況 2-1、工況2-2、工況2-3和工況 2-4,各工況工藝參數(shù)詳見表4。

表3 兩種填料掛膜過程分析

表4 新型陶瓷填料和生物陶粒對比試驗各工況工藝參數(shù)

表5顯示新型陶瓷填料和生物陶粒對比試驗運行結(jié)果,各工況反沖洗周期均為2 d,溶解氧均為3 mg/L。水力停留時間為3 h、2 h和1 h時,新型陶瓷填料曝氣生物濾池CODcr去除率分別為83.8%、81.4%和70.6%,NH4+-N去除率分別為100%、100%和74.6%;生物陶粒曝氣生物濾池CODcr去除率分別為83.6%、81.6%和70.8%,NH 4+-N去除率分別為100%、100%和73.8%?？梢?2系統(tǒng)工藝條件相同時,對有機污染物質(zhì)、氮、磷等去除效果相當(dāng)。

停留時間為3 h和2 h時,2系統(tǒng)出水各指標(biāo)除NO3--N外,其他均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn),處理效果較好,但停留時間長,污水處理系統(tǒng)的基建投資和管理費用高;停留時間為1.5 h時,2系統(tǒng)CODcr去除率均在80%以上,NH4+-N去除率接近100%,處理效果和停留時間為2 h時相當(dāng);停留時間降至1 h時,2系統(tǒng)出水BOD5、SS、NH 4+-N超過10 mg/L,各指標(biāo)去除率明顯下降?？梢?最佳停留時間為1.5 h。

表5 新型陶瓷填料和生物陶粒對比試驗各工況運行結(jié)果

2.3 填料高度對污染物質(zhì)的去除效果考察

圖2顯示新型陶瓷填料BAF不同水力停留時間下沿填料高度對CODcr的去除效果。3種工況CODcr變化趨勢相同,前0.7 m填料的CODcr去除率很高,CODcr濃度降至約40 mg/L?？梢?新型陶瓷填料BAF對CODcr的去除主要集中在填料高度的前0.7 m。

圖2 不同水力停留時間下沿填料高度對COD的去除效果

圖3顯示新型陶瓷填料BAF不同水力停留時間下沿填料高度對NH 4+-N的去除效果?？梢?前0.7 m填料NH 4+-N的去除不明顯,NH 4+-N濃度降至約 30 mg/L,填料高度超過 0.7 m后,NH 4+-N濃度顯著下降。結(jié)合沿填料高度CODcr濃度變化趨勢可知,在填料高度的前0.7 m好氧異養(yǎng)微生物占優(yōu),好氧自養(yǎng)硝化細菌和好氧異養(yǎng)細菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣時處于劣勢;填料高度超過0.7 m后硝化菌逐漸取得優(yōu)勢。試驗期間發(fā)現(xiàn)新型陶瓷填料BAF可以截留污染物質(zhì),在填料間生成生物絮體,因此,新型陶瓷填料BAF集填料截留和生物吸附于一身,具有微生物量大、活性高和傳質(zhì)速率快等優(yōu)點。

圖3 不同水力停留時間下沿填料高度對NH4+-N的去除效果

圖4顯示新型陶瓷填料BAF不同水力停留時間下NO3--N濃度沿填料高度變化趨勢。可見,NH 4+-N的硝化反應(yīng)主要發(fā)生在填料高度超過0.7 m后。結(jié)合圖3分析可知,停留時間為1 h時,出水中仍有NH 4+-N剩余;停留時間為2 h和1.5 h時,出水NH4+-N濃度接近 0 mg/L,而出水NO3--N濃度為30 mg/L,低于進水NH4+-N濃度,是因為部分NH 4+-N被微生物同化作用所利用,另外還可能存在同步硝化反硝化作用。

圖4 不同水力停留時間下沿填料高度NO3--N濃度變化

2.4 新型陶瓷填料BAF反沖洗試驗研究

與曝氣生物濾池底部相通的測壓管顯示,曝氣生物濾池運行過程中水頭損失很小,因此用出水水質(zhì)確定最佳反沖洗周期。水力停留時間為1.5 h,反沖洗周期為3 d時,新型陶瓷填料BAF反沖洗后出水水質(zhì)變化情況見表6。可見,出水水質(zhì)在反沖洗后第3 d開始惡化,因此確定最佳反沖洗周期為2 d。

表6 反沖洗后出水水質(zhì)變化表/(mg?L-1)

生物陶粒和新型陶瓷填料密度分別為1.56 g/cm3和1.12 g/cm3。反沖洗時,生物陶粒在氣水流的作用下,呈板結(jié)團狀上移,很難散開;新型陶瓷填料呈分散流化狀態(tài)上移,利于反沖洗。在反沖洗水量和氣量均相同,新型陶瓷填料膨脹度為30%時,生物陶粒膨脹度卻不足20%;停留時間為1.5 h,反沖洗周期為2 d時,達到同樣的反沖洗效果,生物陶粒BAF每次反沖洗耗水量為90 L,而新型陶瓷填料BAF耗水量為60 L?？梢?新型陶瓷填料由于其比重小而顯示出明顯優(yōu)勢:反沖洗耗水量小、沖洗效果好、反沖洗容易、可以節(jié)省能耗。

整個試驗歷經(jīng)6個月,試驗前2系統(tǒng)填料高度均為1.5 m,試驗后期生物陶粒粒徑明顯變小,填料高度降低,降幅為5%,而新型陶瓷填料BAF填料高度降低非常小,降幅為1%?？梢?在機械強度方面,新型陶瓷填料優(yōu)于生物陶粒。

2.5 生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF運行成本比較

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),進行生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF運行成本比較。按日處理水量1 000 m3計算,電費0.65元/度,生物陶粒400元/m3,新型陶瓷填料600元/m3,曝氣生物濾池氣水比3.5:1,二者處理每噸水曝氣電耗均為0.047元。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF氣水聯(lián)合反沖洗每次反沖洗耗水量分別為90 L和60 L,反沖洗氣體流量分別為15 L/(m2?s)和10 L/(m2?s),反沖洗用時均為20 min,反沖洗周期2 d,生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF處理每噸水反沖洗水泵電耗分別為0.000 24元和0.000 17元,反沖洗氣泵電耗分別為0.006 5元和0.004 8元。生物陶粒每年補充10%,新型陶瓷填料每年補充2%,生物陶粒BAF和新型陶瓷填料 BAF處理每噸水填料補充費用分別為0.007 3元和0.002 2元。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF處理每噸水運行成本合計分別為0.061元和0.054元,該成本不包括固定資產(chǎn)折舊和設(shè)備大修。生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF運行成本比較見表7。

表7 生物陶粒BAF和新型陶瓷填料BAF運行成本比較

3 結(jié)論

1)新型陶瓷填料BAF和生物陶粒BAF最佳水力停留時間均為 1.5 h。最佳工況運行,進水CODcr、NH4+-N 、TP 分別為 135.6 mg/L 、42.1 mg/L、0.69 mg/L時,新型陶瓷填料BAF相應(yīng)指標(biāo)去除率依次為81.2%、99.8%、68.1%,生物陶粒BAF相應(yīng)指標(biāo)去除率依次為 80.8%、99.5%、66.7%。

2)在相同運行條件下,新型陶瓷填料反沖洗耗水量小、濾料流化狀態(tài)好、沖洗效果好、反沖洗容易,運行成本低。因此,新型陶瓷填料作為生物陶粒的優(yōu)化替代產(chǎn)品,是可行的。

3)試驗發(fā)現(xiàn)新型陶瓷填料BAF對CODcr的去除主要集中在填料高度的前0.7 m,對NH4+-N的去除主要集中在填料高度超過0.7 m后。

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