膜生物反應(yīng)器脫氮除碳環(huán)境的研究

寧桂興,黃周滿,吳 迪,王 凱,劉 宇,魏婧娟

(1.北京桑德環(huán)保集團有限公司研發(fā)中心,北京 101102;2.武漢科技大學中南分校生命科學院,武漢 430223)

目前國內(nèi)城市垃圾填埋場的滲濾液處理工藝,多采用厭氧 -好氧生物處理方法。但據(jù)資料介紹,已建成的滲濾液污水處理場普遍存在運行效果差的現(xiàn)象[1,2]。其主要原因是常規(guī)工藝內(nèi)工藝參數(shù)不適合復(fù)雜多變的滲濾液廢水;滲濾液本身存在 C/N不協(xié)調(diào)的特點,采用一般的好氧活性污泥法處理工藝,污泥培養(yǎng)困難、污泥活性差。垃圾滲濾液不僅氨氮含量高,且多數(shù)情況下 C/N比均較低,含有極高濃度的氨氮 (500 mg/L以上,甚至達到幾千mg/L)[3,4],水質(zhì)成份極其復(fù)雜,處理難度大,采用常規(guī)的生物處理工藝往往無法達到滿意的處理效果,而且由于游離氨氮的生物抑制作用或者成本等原因而使其應(yīng)用受到限制。

復(fù)合膜生物反應(yīng)器技術(shù)是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的廢水生物反應(yīng)器有機組合形成的一種新型高效的污水處理系統(tǒng),處理效率高,它可以大幅度提高生物反應(yīng)器中混合液濃度,使泥齡增長、剩余污泥量減少、出水水質(zhì)顯著提高。而且對于難降解有機廢水,由于膜生物反應(yīng)器中泥齡長,富集了大量難降解有機物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物,從而大幅提高了難降解有機物的去除率[5～7]。特別在處理垃圾滲濾液中高濃度氨氮廢水方面已得到較多的應(yīng)用[8]。目前采用MBR工藝處理城市垃圾填埋場滲濾液的研究正在國內(nèi)逐漸開展[9],但如何控制系統(tǒng)脫氨除碳環(huán)境成為研究的重要部分。因此采用系統(tǒng)研究脫氨除碳的環(huán)境條件以及變化過程將對工程建設(shè)和實施有重要的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗用水取自某城市生活垃圾填埋場調(diào)節(jié)池內(nèi)垃圾滲濾液,現(xiàn)場試驗,每天定時取水。調(diào)節(jié)池內(nèi)水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 進水水質(zhì)Tab.1 Quality of influent liquid

1.2 試驗裝置與設(shè)計

1.2.1 試驗裝置

試驗裝置如圖 1所示。反應(yīng)裝置由進水區(qū)、A區(qū)、O區(qū)組成,反應(yīng)器為 U-PVC材質(zhì)。A區(qū)有效容積為 46.8 L;O區(qū)有效容積為 117L。O區(qū)內(nèi)置 1片 PVDF中空纖維超濾膜,每片膜有效過濾面積為1m2,膜組件尺寸：a×b×c(mm)=300×210×450,纖維內(nèi)外徑 0.6/1.1(mm),膜孔徑 0.1μm。

1.2.2 試驗設(shè)計

(1)試驗進水 2L/h,A區(qū)采用變頻攪拌器強化了水流紊動性,以更好的保持缺氧狀態(tài),有效防止污泥淤積;O區(qū)采用微孔曝氣方式提高氧向水中的轉(zhuǎn)移速率,強化傳質(zhì)效果,保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠的溶解氧。

(2)中空纖維膜浸沒 O池,運行方式是抽吸8min,停 2min;O區(qū)底部設(shè)有曝氣裝置,主要為生化系統(tǒng)提供充足的氧氣和持續(xù)不斷的沖刷膜表面減緩膜的污染。

(3)系統(tǒng)在開放環(huán)境下運行,環(huán)境溫度 20℃～25℃。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

1.3 檢測方法

表2 試驗分析指標及方法Tab.2 Indexes and methods of analyzation

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 MLSS對NH3-N,CODCr去除效果影響

2.1.1 啟動階段

接種污泥取自垃圾滲濾液處理站曝氣池,其MLSS為 3000mg/L,與自來水混合后反應(yīng)器內(nèi)MLSS為 2000 mg/L。在啟動初期先悶曝 3d,然后采用低負荷進出水,保持DO在 2～4 mg/L開始馴化。經(jīng)過 40多天馴化,污泥基本成熟,MLSS= 3000mg/L,鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥內(nèi)有大量的菌膠菌和纖毛類原生動物,如鐘蟲,等枝蟲、蓋纖蟲等、微生物豐富活躍,如圖 2、圖 3所示。

隨著時間的推移,污泥濃度和污泥沉降比逐漸增長,穩(wěn)定。如圖 4、圖 5所示,結(jié)果表明試驗階段 SV30穩(wěn)定控制在12%～20%,NH3-N和CODCr的去除率隨著污泥濃度的變化共分為 2個階段：(1) NH3-N(1～15d)和 CODCr(1～30d)的去除率隨污泥濃度的增長而逐漸升高;(2)NH3-N(15～44d)隨污泥濃度增長,氨氮去除率保持穩(wěn)定;而 CODCr(30～44d)去除率變化趨于平緩。

圖2 啟動階段污泥濃度變化Fig.2 Change ofMLSS in the starting stage

特有的復(fù)合膜生物反應(yīng)器系統(tǒng),不僅具有高效的過濾精度,而且能夠把截留下來的污泥回流到硝化池,提高污泥濃度,增加硝化菌數(shù)量。初始階段污泥濃度 2500mg/L,氨氮負荷為 0.065～0.098 gN/g MLSS·d,此時氨氮去除效率僅 80%;隨著污泥濃度增加,CODCr負荷 0.13～0.16 gCODCr/ g MLSS·d,此時去除率僅 46%～60%,主要是由于馴化后的生化系統(tǒng)處于初始階段,微生物對于復(fù)雜多變的垃圾滲濾液沒有形成較強的抗沖擊能力;隨著污泥濃度增長到 2600～3000mg/L,生化系統(tǒng)抗沖擊能力增強,進水NH3-N和CODCr濃度逐漸增加,而氨氮去除效果明顯上升,氨氮負荷 0.082～0.109gN/g MLSS·d,穩(wěn)定在 95%～98%;CODCr負荷 0.136～0.192 kgCODCr/kg MLSS·d,CODCr去除率也逐漸升高到60%～70%。

2.1.2 穩(wěn)定階段

隨著膜生物反應(yīng)器運行穩(wěn)定,生物系統(tǒng)抗沖擊負荷能力提高,pH值變化穩(wěn)定在O池pH值7.5～8.0,A池 pH值 8.0～8.6;溶解氧 O池維持 2～4mg/L,A池溶解氧 ＜0.5mg/L,進水堿度 3500～4000mg/L,A池堿度 1000～1500mg/L,曝氣池堿度 500～1000mg/L,曝氣池 HRT 50～60h,良好的環(huán)境條件是保證生化反應(yīng)充分進行的必要條件。進水氨氮濃度升高達 600～800mg/L,膜出水 5～10mg/L,氨氮去除效率穩(wěn)定在 95%以上。試驗研究結(jié)果表明：CODCr/NH3-N比僅 1∶1的情況下,能夠使氨氮高效的發(fā)生硝化反應(yīng),超濾膜良好的截留作用使世代時間長的硝化菌能在最短的時間富集并成為反應(yīng)器中的優(yōu)勢菌種,從而縮短了 HRT,才使氨氮得以充分進行硝化反應(yīng),因此生物反應(yīng)器內(nèi)形成豐富的種群空間分布,保持氨氮高效的去除率達95%以上,如圖6。

圖6 穩(wěn)定階段NH3-N處理效果變化Fig.6 Treating effect ofNH3-N in steady stage

CODCr的去除效果隨生物系統(tǒng)的穩(wěn)定而逐漸趨于穩(wěn)定。由圖 7可以表明進水 CODCr范圍 1000～1400mg/L,生物系統(tǒng)上清液出水的 CODCr隨著系統(tǒng)穩(wěn)定,去除效率逐漸穩(wěn)定,最佳處理效率維持60%～80%。隨著進水水質(zhì)惡化,生化去除效率稍有下降,由于超濾膜較強的截留作用,工藝總的去除效率維持 70%,主要是由于小于 100KDA和大于 100KDA難降解的物質(zhì)分別透過膜出水和被膜截留回曝氣池?？?cè)コ矢叩椭饕獩Q定于透過膜的難降解物質(zhì)小分子物質(zhì),生化效果增強時,小于100KDA難降解物質(zhì)降解完全,生成小分子難降解的物質(zhì)減少,透過超濾膜小分子物質(zhì)減少,總體去除效果增強。

圖7 穩(wěn)定階段CODCr處理效果變化Fig.7 Treating effect of CODCrin steady stage

2.2 DO對NH3-N和 CODCr去除效果影響

生化系統(tǒng)耗氧量變化主要分為 3個階段：(1)異養(yǎng)菌消耗氧,分解廢水中有機物質(zhì),當難降解物質(zhì)增多或可降解物質(zhì)分解完全后,異養(yǎng)菌停止耗氧;(2)自養(yǎng)菌消耗氧,完成硝化反應(yīng);(3)自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌內(nèi)源呼吸的耗氧速率與供氧速率相等時,DO濃度就又表現(xiàn)出新的平衡。硝化池硝化反應(yīng)主要是自養(yǎng)菌消耗氧氣完成脫氨過程,異氧菌消耗水中氧,完成脫碳過程。

試驗結(jié)果如圖 8、圖 9所示,DO的變化影響化學需氧量和氨氮濃度的變化。進水的 CODCr逐漸呈現(xiàn)下降——上升——平穩(wěn)的趨勢,NH3-N呈現(xiàn)下降——平穩(wěn)——上升的趨勢,出水 CODCr呈現(xiàn)下降——上升——平穩(wěn),NH3-N呈現(xiàn)升高——下降——平穩(wěn)趨勢。主要是由于初始階段異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的競生關(guān)系起主要作用,NH3-N的出水稍微升高,膜生物反應(yīng)器的高效截留,促使污泥濃度逐漸增長和污泥濃度的成熟,世代硝化菌增多,增強了硝化反應(yīng);CODCr去除效果主要是進水和膜生物反應(yīng)器生化污泥的活性決定的,隨著污泥的活性增強, CODCr的去除效果逐漸趨于平穩(wěn);DO變化影響生化效果,主要經(jīng)過升高、下降、平穩(wěn) 3個階段。(1)DO的升高階段 (3.5～4.5mg/L),主要是由于進水的CODCr(800～1000mg/L)下降,使自養(yǎng)菌得到充分氧,完成硝化反應(yīng),脫氨的效率 (80%～90%)明顯上升;(2)DO下降階段 (2.0～3.5mg/L),原垃圾滲濾液 CODCr(1000～1400mg/L)增加導(dǎo)致硝化池 DO下降,但脫氨的效率保持 95%～98%范圍,主要是由于出水 CODCr升高,污泥濃度的提高使得硝化菌富集,成為優(yōu)勢菌種,維持高效脫氨效率;(3)DO平緩階段 (1.7～3.0mg/L),進水 CODCr(1000～1400mg/L)升高,硝化池 CODCr增幅加大,氨氮去除效率(90%～95%)下降,主要是難降解的物質(zhì)積累,抑制硝化菌硝化速率造成的。

圖8 NH3-N去除效果隨DO的變化Fig.8 Removal ofNH3-N changingwith DO

圖9 CODCr去除效果隨DO變化Fig.9 Removal of CODCrcr changingwith DO

3 結(jié) 論

3.1 采用膜生物反應(yīng)器處理填埋場垃圾滲濾液,對NH3-N去除率 95%以上,CODCr去除率 60%～70%;主要是由于膜生物反應(yīng)器大量截留并使世代時間長的硝化菌能在最短的時間富集成為優(yōu)勢菌種,但較低的 C/N抑制了反硝化反應(yīng)的徹底性。

3.2 試驗結(jié)果表明 CODCr負荷 0.136～0.192gCODCr/g MLSS· d,氨氮負荷 0.082～0.109gNH3-N/g MLSS·d,DO 2.0～3.5mg/L條件下,膜生物反應(yīng)器對垃圾滲濾液中 CODCr和NH3-N有高效的去除效率。

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