MBBR懸浮填料低溫處理生活污水對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

任彥強(qiáng)，趙雪蓮，李宗慧，邢成良

(1.桑德集團(tuán)有限公司，北京 101102;2.北京伊普國(guó)際水務(wù)有限公司，北京 101102)

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工藝是中國(guó)20世紀(jì)80年代中期以來得到開發(fā)和應(yīng)用的一種高效的污水處理技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)活性生物膜工藝的不足［1-3］。MBBR工藝的技術(shù)關(guān)鍵在于采用了密度接近于水的懸浮生物填料，輕微攪拌或曝氣環(huán)境下易于隨水自由運(yùn)動(dòng)，直接投加在好氧曝氣池中即可實(shí)現(xiàn)填料在池體中均勻流化，氣、液、固三相充分接觸，有機(jī)污染物被快速降解［4-5］。

隨著中國(guó)政府對(duì)污染物排放指標(biāo)的要求日趨嚴(yán)格，大部分污水處理廠，尤其是內(nèi)湖、重要河流及臨海區(qū)域的污水處理廠大多被強(qiáng)制要求出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)，所以升級(jí)改造工作勢(shì)在必行［6-7］。由于MBBR工藝具有占地小、處理效率高、投加簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)有污水處理廠的升級(jí)改造。

本實(shí)驗(yàn)選擇MBBR應(yīng)用中占有較高投資比例的組分——懸浮填料為研究對(duì)象，采用自制高分子合金材料為原料，制備出直徑為25 mm、高為10 mm、密度為0.98 g/mL的蜂窩筒狀填料，此懸浮填料具有高效、無(wú)二次污染的特點(diǎn)。采用自制懸浮填料，與國(guó)內(nèi)3種相近形狀、材質(zhì)填料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)及低溫污水處理性能實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制造，外形尺寸為30 cm×30 cm×40 cm，有效容積為25 L，共計(jì)4個(gè);在反應(yīng)器底部設(shè)有曝氣頭;通過流量計(jì)控制調(diào)節(jié)各個(gè)反應(yīng)器，控制溶解氧和曝氣量一致。填料填充率為30%(體積分?jǐn)?shù))。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室MBBR裝置圖Fig.1 Drawing of MBBR installation in laboratory

1.2 實(shí)驗(yàn)用懸浮填料

本實(shí)驗(yàn)選用的合金懸浮填料系自主開發(fā)的新型填料，主要原料采用親水高分子、疏水高分子、密度調(diào)節(jié)助劑等制備的高分子合金材料，通過熔融擠出設(shè)備加工成蜂窩狀。市場(chǎng)采購(gòu)3種形狀、大小近似的聚乙烯(HDPE)蜂窩填料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比。4種懸浮填料具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 4種懸浮填料技術(shù)參數(shù)對(duì)照表Tab.1 Technical parameter table of four kinds of suspended filler

1.3 實(shí)驗(yàn)用廢水水質(zhì)

取用北京市某污水處理廠初沉池出水作為實(shí)驗(yàn)用水。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試初沉池出水各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 初沉池出水水質(zhì)Tab.2 Effluent water quality at the primary settling tank

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

1.4.1 掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

取4種填料樣品，分別放入同樣大小的網(wǎng)籠中，將該網(wǎng)籠置于北京市某污水處理廠曝氣池中進(jìn)行掛膜，污泥質(zhì)量濃度為3 000～5 000 mg/L;掛膜時(shí)間為10月底，每隔7～10 d將填料取回，置于實(shí)驗(yàn)室MBBR曝氣系統(tǒng)中連續(xù)運(yùn)行6 h，測(cè)定反應(yīng)器進(jìn)、出水COD、氨氮值并計(jì)算其去除率。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試出水樣品COD去除率大于70%，氨氮去除率大于50%時(shí)，則認(rèn)為填料掛膜成功;每周通過電子顯微鏡觀察一次生物膜上的微生物相。

1.4.2 低溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

懸浮填料在污水處理廠掛膜成功后，分別將4種填料置于平行的4組曝氣反應(yīng)器中，填充率為30%，平均溫度為12℃，使用某污水處理廠初沉池出水(不含污泥)，連續(xù)運(yùn)行8 h，每2 h取樣測(cè)定COD和氨氮值。

1.5 分析測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)填料掛膜與運(yùn)行過程遇到的各項(xiàng)指標(biāo)分析方法及使用儀器如表3所示［8］。

表3 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)分析方法及使用儀器Tab.3 Experimental index analysis method and instrumentation

2 結(jié)果與討論

2.1 填料親水性比較

實(shí)驗(yàn)采用JGW-360B親水角儀測(cè)定填料平滑表面滴水潤(rùn)濕角，來判定填料的親水性。分別剪取每個(gè)樣品光滑度接近的內(nèi)部筋條4片，測(cè)定2個(gè)潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)后取平均值。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，4種填料的潤(rùn)濕角都小于90°，從小到大順序?yàn)闃悠?＜樣品2＜樣品3＜樣品4。實(shí)驗(yàn)所用4種填料的潤(rùn)濕角測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 4種填料潤(rùn)濕角比較Tab.4 Four kinds of packing wetting angle

自制填料(樣品1)的親水性明顯要好于其他樣品，分析原因是由于自制填料(樣品1)配方中使用特殊的親水材料組分，有利于懸浮填料表面活性污泥的附著、生長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品廠家提供的技術(shù)資料，樣品4以純聚乙烯為原料，未添加其他親水組分，所以樣品4的潤(rùn)濕角最大。

2.2 掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)效果比較

取4種填料樣品，分別置于網(wǎng)籠中，并將該網(wǎng)籠置于北京市某污水處理廠曝氣池中進(jìn)行掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。具體操作步驟詳見1.4.1部分內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，4種填料掛膜期間COD去除率呈現(xiàn)降低的現(xiàn)象。分析其原因，是由于現(xiàn)場(chǎng)曝氣池中的掛膜填料被限制在網(wǎng)籠內(nèi)，流化效果差，填料表面的多余污泥無(wú)法及時(shí)去除，填料攜帶的老、死污泥引入COD物質(zhì)到實(shí)驗(yàn)室MBBR體系中，造成懸浮填料在實(shí)驗(yàn)室的COD去除率降低。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后，筆者增加了前處理過程，即對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的掛膜填料強(qiáng)制曝氣以去除多余的污泥，所以后期實(shí)驗(yàn)室測(cè)定4種填料的COD去除率呈現(xiàn)正常增加的趨勢(shì)。

圖2 掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)COD去除率隨時(shí)間變化Fig.2 COD removal rate changes over time in hang film start experiment

圖3 掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)氨氮去除率隨時(shí)間變化Fig.3 NH3-N removal rate changes over time in hang film start experiment

經(jīng)過約一周的培養(yǎng)后，填料表面已有少量生物膜出現(xiàn)，且顏色略黃。自制填料(樣品1)較其他樣品填料更快地在其表面掛滿生物膜，并且，自制填料(樣品1)的COD、氨氮去除率在30 d左右達(dá)到掛膜成功的標(biāo)準(zhǔn)(即COD去除率大于70%，氨氮去除率大于50%)，啟動(dòng)時(shí)間比其他樣品填料縮短10 d左右。其原因可能是自制填料(樣品1)配方中使用了更多的親水組分，更有利于微生物的附著及存活。

用顯微鏡觀察COD、氨氮去除率達(dá)標(biāo)后的填料表面，發(fā)現(xiàn)表面生物膜呈黃褐色，且具有較明顯的泥腥味。同時(shí)生物相也較豐富，出現(xiàn)較多的鐘蟲和輪蟲等多種生物。

2.3 低溫處理生活污水的效果比較

2.3.1 COD處理效果比較

將4種填料樣品分別裝入4個(gè)平行反應(yīng)器中，并加入同批次的北京市某污水處理廠的初沉池出水(ρ(COD)=177 mg/L，ρ(氨氮)=44 mg/L)作為反應(yīng)器進(jìn)水，在平均溫度為12℃條件下，每2 h取樣，計(jì)算殘留COD值及COD去除率。4種填料對(duì)COD的處理效果數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 4種填料樣品對(duì)COD的處理效果(8 h)Tab.5 COD treatment effect of four kinds of packing sample after 8 hours

從表5可以看出，4種填料樣品8 h COD去除率大小順序?yàn)闃悠?＞樣品4=樣品3＞樣品2。樣品1為自制懸浮填料，其去除率最高，說明采用合金材料配方，對(duì)填料COD降解性能的提升有幫助。

4種懸浮填料低溫COD降解情況如圖4所示，隨著MBBR運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，COD值逐漸降低，前期速率較后期快;自制填料(樣品1)對(duì)COD降解速率稍微好于其他填料。所有填料對(duì)COD的去除率都超過70%。分析原因:4種填料外形與比表面積都比較接近，填料附著生物總量的能力也比較接近，數(shù)量接近的有效活性污泥量對(duì)同樣污水COD的降解速率也就接近。

圖4 4種填料對(duì)COD處理效果的比較Fig.4 COD treatment effect comparison for four kinds of packing

2.3.2 氨氮處理效果比較

將4種懸浮填料樣品裝入4個(gè)平行反應(yīng)器中，一次性加入同批次的北京市某污水處理廠初沉池出水(ρ(COD)=177 mg/L，ρ(氨氮)=44 mg/L)作為反應(yīng)器的進(jìn)水，在12℃條件下，每2 h取樣測(cè)試，計(jì)算殘留的氨氮值及氨氮的去除率。4種填料對(duì)氨氮的處理效果數(shù)據(jù)如表6所示。

圖5 4種填料對(duì)氨氮的處理效果比較Fig.5 Ammonia treatment effect comparison for four kinds of packing

表6 4種填料對(duì)氨氮的處理效果(8 h)Tab.6 Ammonia nitrogen degradation effect for four kinds of packing after 8 hours

從圖5中曲線傾斜情況可以看出，相同條件下，4種填料處理生活污水中氨氮的降解速率各不相同，次序?yàn)闃悠?＞樣品2＞樣品3＞樣品4。實(shí)驗(yàn)說明自制填料(樣品1)，在12℃，30%(體積分?jǐn)?shù))填充率的條件下，8 h氨氮?dú)埩糁笜?biāo)達(dá)到一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)。

通過計(jì)算獲得4種懸浮填料對(duì)氨氮的去除率，如表6所示?？芍?，自制填料(樣品1)氨氮8 h的去除率為99%，而樣品4氨氮去除率只有81%。這說明自制懸浮填料上附著活性污泥具有更好的硝化效果。

2.4 填料上附著生物膜量測(cè)定

取一定數(shù)目填料于稱量瓶中，105℃烘干至恒重，稱重;然后進(jìn)入1 mol/L的NaOH溶液中，在60～80℃條件下處理30 min，再超聲處理30 min，洗凈后于105℃下烘干至恒重，2次質(zhì)量之差即為所取填料上的生物膜總質(zhì)量［9］。經(jīng)過測(cè)試得出4種填料的生物膜量數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 4種填料的生物膜量Tab.7 Amount of biofilm for four kinds of packing

各填料的生物膜量有所不同。樣品1填料上的生物膜量相對(duì)其他填料要多些，而樣品4填料上的生物膜量最低。數(shù)據(jù)也證明，自制懸浮填料具有更高的微生物膜附著能力。樣品3填料上的掛膜量接近樣品1，說明樣品3所用原材料也具有很強(qiáng)的微生物輔助性能。

3 結(jié)語(yǔ)

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制填料(樣品1)的親水性最好(潤(rùn)濕角最小);

2)通過現(xiàn)場(chǎng)掛膜啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)說明，自制懸浮填料掛膜更快，啟動(dòng)時(shí)間為30 d，比其他填料縮短10 d左右;

3)自制懸浮填料在平均溫度為12℃、填充率為30%的實(shí)驗(yàn)室條件下，8 h曝氣對(duì)北京市某污水處理廠初沉池出水的COD去除率為77%，氨氮去除率為99%;其對(duì)生活污水低溫處理效果優(yōu)于同類產(chǎn)品;

4)使用高分子合金材料制備的懸浮填料，提高了表面活性微生物的附著能力，有助于提高M(jìn)BBR工藝的處理效果。

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