射流充氧-生物滴濾塔組合工藝處理生活污水運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究

桂雙林，敖子強(qiáng)，吳永明，王順發(fā)，熊繼海

(江西省科學(xué)院能源研究所，330096，南昌)

射流充氧-生物滴濾塔組合工藝處理生活污水運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究

桂雙林，敖子強(qiáng)，吳永明，王順發(fā)，熊繼海

(江西省科學(xué)院能源研究所，330096，南昌)

生活污水；射流充氧；生物滴濾塔；負(fù)荷

0 引言

射流充氧-生物滴濾塔組合工藝技術(shù)是一種新型的生活污水處理工藝技術(shù)，其工作原理是利用自行設(shè)置的射流充氧器對(duì)污水進(jìn)行射流充氧，然后采用微孔圓盤布水系統(tǒng)對(duì)充氧后的污水進(jìn)行布水，污水從生物滴濾頂部慢慢滴落至底部。廢水在整個(gè)系統(tǒng)中都在不斷充氧，既增加了供氧的效果，又在滴入下層填料時(shí)產(chǎn)生水滴飛濺，從而使布水更加均勻[1]，與滴落過程中與濾塔內(nèi)的生物膜接觸進(jìn)行固、液相的物質(zhì)交換，生物膜內(nèi)的微生物在氧的參與下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解，使廢水得到凈化。經(jīng)生物濾塔降解后的廢水在塔底層收集，為增強(qiáng)含氮類污染物的處理效果，塔底和厭氧池之間設(shè)置回流管，回流水與脫落的生物膜由底部返回厭氧池。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置及工藝流程

試驗(yàn)工藝流程見圖1所示。厭氧池有效容積為57.2 m3。射流充氧器為自行設(shè)計(jì)的充氧器，擴(kuò)散管長:喉管長=8:1，經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)，可確保增氧量在3.0 mg/L以上。生物滴濾塔有效尺寸為d×h=2.0 m×3.0 m。

圖1 組合工藝流程圖

采用一臺(tái)自吸式水泵將水從厭氧池提升至3 m高的高位水箱中，經(jīng)射流充氧器進(jìn)行充氧，通過微孔布水裝置進(jìn)入生物滴濾塔，滴濾塔設(shè)計(jì)成2級(jí)，外壁有通風(fēng)孔，內(nèi)置填料[2-3]。經(jīng)射流充氧-生物滴濾塔處理后的污水部分回流至厭氧池，部分外排。試驗(yàn)裝置圖見圖2。

圖2 組合工藝流程圖試驗(yàn)裝置圖

1.2方法

1.2.1 試驗(yàn)方法 該工藝流程的核心技術(shù)是生物滴濾塔，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，考察生物滴濾塔內(nèi)不同填料組成、回流比及負(fù)荷對(duì)主要污染物質(zhì)的去除效果，以獲取最佳工藝參數(shù)。

1.2.2 分析方法 COD采用重鉻酸鉀法；氨氮采用納氏試劑分光光度法。

1.3試驗(yàn)用水

2 結(jié)果與分析

2.1填料的優(yōu)化

試驗(yàn)初期，生物滴濾塔內(nèi)裝有陶粒型填料，填料高度80 cm，裝置連續(xù)運(yùn)行，采用設(shè)計(jì)流量進(jìn)水，不回流，對(duì)滴濾塔內(nèi)填料進(jìn)行自然掛膜。運(yùn)行10 d后在填料上可見淺褐色的生物膜，隨著時(shí)間的變化，生物膜的顏色由淺入深，最后變成褐色。生物濾塔通常需要較長一段時(shí)間才能形成硝化菌群環(huán)境。通過對(duì)生物濾塔消化效果的檢測分析，在經(jīng)過約20 d后生物滴濾塔內(nèi)硝化細(xì)菌生物膜已大量長成，基本完成掛膜。

運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，由于填料粒徑較小，且填充高度較高，易造成濾塔堵塞，不宜形成好氧環(huán)境，影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行，處理后的出水效果不夠理想，因此對(duì)填料進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后采用多層復(fù)合填料，底層為鵝卵石(15 cm)、中層為煤渣(45 cm)、上層為陶粒(10 cm，粒徑φ30～50 mm)。優(yōu)化后大顆粒填料間的孔隙率更大，廢水與生物膜接觸更為充分，且由于大顆粒的填料布水的不均勻性，更容易導(dǎo)致底層實(shí)現(xiàn)分級(jí)布水。同時(shí)采用多層復(fù)合填料，還可以提高生物濾塔的污染物的去除負(fù)荷和去除效率[4]。

2.2回流比對(duì)氨氮去除效率的影響

由圖3可知，氨氮的去除效果隨著回流比的不斷增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。不回流時(shí)，氨氮去除效果為64%；當(dāng)回流比達(dá)到2.0時(shí)，氨氮的去除效率為75%，達(dá)到了最大值。繼續(xù)增加回流比，滴濾塔對(duì)氨氮的去除率開始下降。

因?yàn)榛亓鞅仍叫?，進(jìn)入滴濾塔的有機(jī)負(fù)荷就越大，滴濾塔對(duì)氨氮的去除負(fù)荷有限，從而導(dǎo)致去除率下降；回流比越大，進(jìn)入滴濾塔的水力負(fù)荷越大，污水在滴濾塔內(nèi)的停留時(shí)間就越少，反硝化時(shí)間也隨之減少，從而導(dǎo)致氨氮去除率的下降[4,7]。

圖3 回流比對(duì)去除率的影響

2.3不同負(fù)荷COD去除變化率

負(fù)荷是影響滴濾塔對(duì)污染物去除效率的一個(gè)重要參數(shù)。滴濾塔污水負(fù)荷通常包括水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷2個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)研究了不同負(fù)荷下COD去除效率。

2.3.1 不同水力負(fù)荷COD去除變化率 進(jìn)水濃度穩(wěn)定在300 mg/L左右，逐漸增加水力負(fù)荷，得到不同水力負(fù)荷下COD去除效率見圖4。

圖4 不同水力負(fù)荷對(duì)COD的去除效果

由圖4可知，當(dāng)水力負(fù)荷小于4 m3/m3·d時(shí)，生物滴濾塔對(duì)COD的去除效率隨著水力負(fù)荷的增加逐漸降低，但不明顯。當(dāng)水力負(fù)荷為1 m3/m3·d時(shí)，COD去除效率為76.5%；當(dāng)水力負(fù)荷為4 m3/m3·d時(shí)，COD去除效率為71.5%。但是，當(dāng)水力負(fù)荷大于4 m3/m3·d后，生物滴濾塔對(duì)COD的去除效率隨著水力負(fù)荷的增加而明顯降低。當(dāng)水力負(fù)荷為5.5 m3/m3·d時(shí)，COD去除效率為59.3%；當(dāng)水力負(fù)荷為6.5 m3/m3·d時(shí)，COD去除效率為35.7%。由此可見，生物滴濾塔對(duì)COD的去除效果有一個(gè)最佳水力負(fù)荷范圍，在此范圍內(nèi)，水力負(fù)荷的改變對(duì)COD的去除影響不大，超過這個(gè)范圍，隨著水力負(fù)荷的增加COD的去除率下降。

主要原因是COD去除率隨水力負(fù)荷的變化與有機(jī)負(fù)荷的變化有關(guān)。在最佳水力負(fù)荷范圍內(nèi)，水力負(fù)荷越大，有機(jī)負(fù)荷也隨之增大，可供填料表面微生物利用的營養(yǎng)物也越多，濾塔內(nèi)有機(jī)物的生物降解主要發(fā)生在塔上部區(qū)間，當(dāng)水力負(fù)荷增加，生物降解區(qū)間向滴濾塔中下部延伸，好養(yǎng)生物氧化空間得到了提高，從而導(dǎo)致污染物的去除效率得到了提高。但是當(dāng)水力負(fù)荷超出最佳水力負(fù)荷范圍，濾塔內(nèi)有機(jī)負(fù)荷超出了生物膜的降解能力，廢水與濾塔內(nèi)填料及生物膜接觸時(shí)間縮短，反而降低了COD去除效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，滴濾塔最佳水力負(fù)荷為1～4 m3/m3·d之間，此時(shí)COD去除率穩(wěn)定在75%左右。

2.3.2 不同有機(jī)負(fù)荷下COD去除變化率 在最佳水力范圍內(nèi)研究了不同有機(jī)負(fù)荷下COD去除效率見圖5。由圖5可知，水力負(fù)荷控制在2.5m3/m3·d左右，COD去除效率隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而逐漸降低，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為0.4 kgCOD/m3·d時(shí)，COD去除率為76.3%，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為0.8 kgCOD/m3·d時(shí)，COD去除率為72.3%，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為1.3 kgCOD/m3·d時(shí)，COD去除率為53.4%，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為1.4 kgCOD/m3·d時(shí)，COD去除率為48.4%。由此可見，跟不同水力負(fù)荷下COD去除效率一樣，不同有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD去除率同樣存在一個(gè)范圍，由圖5可知，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷小于0.8 kgCOD/m3·d時(shí)，有機(jī)物去除率隨負(fù)荷增大而降低，但變化趨勢緩慢；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷大于1.3 kgCOD/m3·d時(shí)，COD去除率僅為53%左右，滴濾塔降解有機(jī)物的能力大幅降低。主要原因是隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，滴濾塔內(nèi)廢水有機(jī)物和生物膜好養(yǎng)反應(yīng)時(shí)間不足，而在相同時(shí)間內(nèi)，滴濾塔對(duì)污染物的降解量保持相對(duì)穩(wěn)定，因此有機(jī)負(fù)荷的增加必然導(dǎo)致出水濃度提高，從而導(dǎo)致COD去除效率下降。

圖5 不同COD負(fù)荷對(duì)COD的去除效果

由此可見，水力負(fù)荷存在一個(gè)極限負(fù)荷，從本試驗(yàn)的研究結(jié)果來看，1～3 m3/m3·d是較佳水力負(fù)荷范圍。在較低負(fù)荷時(shí)(小于3 m3/m3·d)，水力負(fù)荷的增加可以提高生物膜和液相間的擴(kuò)散速度，提高生物膜內(nèi)酶的反應(yīng)速率，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行和氨氮去除效率的提高。在較高水力負(fù)荷時(shí)(大于3 m3/m3·d)后，一方面，水力負(fù)荷的增加會(huì)對(duì)生物膜造成沖刷作用，影響生物膜的降解效率，另一方面水力負(fù)荷的增加使污水與生物膜的接觸時(shí)間減少，硝化反應(yīng)時(shí)間不能得到保障，使硝化反應(yīng)效果變差。因此，滴濾塔的水力負(fù)荷應(yīng)控制在較恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)(1～3 m3/m3·d)，本試驗(yàn)此工況下的氨氮去除率最高。

圖6 不同水力負(fù)荷對(duì)的去除效果

當(dāng)污水有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步增加時(shí)，厭氧細(xì)菌開始大量繁殖，消耗了水中的大部分氧分，導(dǎo)致硝化細(xì)菌繁殖受到了很大程度的限制，進(jìn)而使硝化反應(yīng)速率變換，從而影響滴濾塔對(duì)氨氮的去除效果[5-6]。對(duì)于滴濾塔，氨氮的去除效率有一個(gè)最佳有機(jī)負(fù)荷范圍，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷在最佳范圍內(nèi)時(shí)有機(jī)負(fù)荷的改變對(duì)氨氮的去除效率影響不大，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超出最佳范圍，氨氮的去除效率下降明顯[4,7]。因此，只有在滴濾塔有機(jī)負(fù)荷不能太高，才能獲取較好的硝化環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果表明，0.5 kgCOD/m3·d以內(nèi)是較佳的有機(jī)負(fù)荷。

圖7 不同COD負(fù)荷對(duì)去除效果

3 結(jié)論

[1] 余珍,孫揚(yáng)才,邱江平,等.新型生物滴濾池處理餐飲廢水[J].水處理技術(shù),2006,32(7):64-66.

[2]桂雙林,王順發(fā),吳永明,等.生物濾塔-人工濕地組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水凈化效果研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011,5(10):2312-2314.

[3]桂雙林,王順發(fā),吳永明,等.太陽能驅(qū)動(dòng)生物濾塔人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水[J].水處理技術(shù),2013,39(8):134-136.

[4]余浩.水解池-滴濾池-人工濕地處理農(nóng)村生活污水研究處理工藝[D].南京:東南大學(xué),2006.

[5]陳鳴.水解-曝氣生物濾池處理生活污水脫氮技術(shù)研究 [D].南京:東南大學(xué),2006.

[6]章勝紅.曝氣生物濾池深度凈化有機(jī)廢水的研究 [D].南京:東南大學(xué),2006.

[7]謝珊,李小明.同步硝化反硝化實(shí)驗(yàn)途徑的探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(2):107-109.

PerformanceParameterOptimizationoftheCombinedProcessofAnaerobic-jetOxygenationandTricklingBiofilterTreatingDomesticWastewater

GUI Shuanglin,AO Ziqiang,WU Yongming,WANG Shunfa,XIONG Jihai

(Jiangxi Academy of Sciences.Energy Research Institute,330096,Nanchang,PRC)

domestic sewage;anaerobic-jet oxygenation;trickling biofilter;load

2014-07-28;

2014-09-28

桂雙林(1984-)，男，助理研究員，主要從事環(huán)保工程技術(shù)的研究。

江西省重大科技支撐項(xiàng)目(20133ACF60005);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41263006);江西科技廳重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012ACB01200)；江西省科技支撐項(xiàng)目(20122BBG70086)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.006

X703

A

1001-3679(2014)05-0590-05