沸石加氣混凝土生物填料制備及其序批式脫氮水處理

邊 佳,陳天虎,鮑 騰,程 鵬,陳 冬,慶承松 (合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

沸石加氣混凝土生物填料制備及其序批式脫氮水處理

邊 佳,陳天虎*,鮑 騰,程 鵬,陳 冬,慶承松 (合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

以天然斜發(fā)沸石粉為主要原料,水泥為粘結(jié)劑,鋁粉為造孔劑通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)制備出沸石加氣混凝土生物填料(ZPBF),并利用偏光顯微鏡(PM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等技術(shù)來表征ZPBF孔結(jié)構(gòu)特征.結(jié)果表明：ZPBF開放孔隙率達(dá)到29.55%,為微生物進(jìn)入ZPBF的內(nèi)部附著生長(zhǎng)提供空間.BET-N2吸附測(cè)得介孔孔徑平均11.92nm,比表面積59.54m2/g,有利于離子交換吸附.ZPBF裝填實(shí)驗(yàn)柱掛膜成熟后,以模擬含NH4+N廢水進(jìn)行離子交換吸附、排空、鼓風(fēng)微生物硝化再生、淋洗硝酸鹽四階段序批式運(yùn)行,當(dāng)離子交換吸附階段 HRT為 2.8h,進(jìn)水NH4+N濃度10mg/L,以出水NH4+N濃度1.5mg/L為穿透點(diǎn),可吸附NH4+N運(yùn)行5d,鼓風(fēng)24h可完成再生,NH4+N平均去除率達(dá)到87%,TN平均去除率達(dá)到60%,出水達(dá)到北京城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)B.

加氣混凝土填料；脫氮；序批式水處理；生物再生

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和人口數(shù)量的迅猛增長(zhǎng),大量的氮元素被超標(biāo)排入水體環(huán)境,從而加快了水體富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程.政府在近年來頒布了多項(xiàng)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)氮素排放要求越來越嚴(yán)格.其中2012年由北京頒布的城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/890-2012)[1]中明確規(guī)定自 2015年12月31日起,新(改、擴(kuò))以及現(xiàn)有中心城市污水處理廠基本控制項(xiàng)目中 NH4+N的排放限值需達(dá)到 1.5mg/L,相比較于國(guó)標(biāo)(GB 18918－2002)[2]中一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)(5mg/L)與一級(jí) B標(biāo)準(zhǔn)(8mg/L)有了較大的提升[3].

曝氣生物濾池(BAF)作為一種高效的深度去除NH4+N的水處理技術(shù),它具有占地面積小,工藝流程簡(jiǎn)單,運(yùn)行費(fèi)用少,掛膜啟動(dòng)快等特點(diǎn),其反應(yīng)器的填料可以為微生物提供繁殖和生長(zhǎng)的空間,還可作為過濾的介質(zhì),截留水中的懸浮固體.因此,近年來在污水深度處理與回用領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[4-5].但常規(guī)的 BAF工藝還存在著一些需要改進(jìn)的技術(shù)問題：頁(yè)巖陶粒由于表面釉化層的存在,內(nèi)部孔隙皆為封閉孔,導(dǎo)致微生物不能進(jìn)入頁(yè)巖陶粒內(nèi)部,從而降低了頁(yè)巖陶粒的生物負(fù)載量;陶粒濾料不具備吸附功能;BAF工藝要求連續(xù)性曝氣,由于濾池存在較大的靜水壓力,曝氣能源消耗量大,曝氣裝置需要長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行,這增加了工藝的運(yùn)行以及人力維護(hù)的成本[6].沸石由于其良好的離子交換能力以及廉價(jià)易得的特點(diǎn)而備受關(guān)注.

生物膜是BAF運(yùn)行的核心,生物膜中微生物活性的高低,對(duì)BAF處理效果起著關(guān)鍵性的作用.填料上生物膜的形成是微生物固定在填料顆粒表面和內(nèi)部.微生物固定在填料上的主要作用機(jī)制包括：填料對(duì)微生物膜的截留作用、微生物胞外聚合物的粘結(jié)作用、填料對(duì)微生物界面吸附.生物填料填充在 BAF內(nèi)部,微生物與填料接觸,被吸附截留在填料上.吸附作用與截留作用不能單獨(dú)存在,截留后的微生物只有吸附在填料上,才能完成固定化過程.填料吸附作用完全取決于填料多孔性.填料吸附能力強(qiáng),開放性孔隙率高,有利于微生物的繁殖和生長(zhǎng),有利于生物膜代謝過程中所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與氧氣.因此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)生物填料做了大量的研究工作[7-8].

林海等[9]通過利用檸檬酸鈉對(duì)天然沸石改性以及熱活化等過程所制備出的改性沸石材料夠有效的去除污水中的低濃度 NH4+N;王厚成等[10]探究了沸石和粉煤灰加氣砼顆粒分別作為濾池填料,通過調(diào)節(jié)混合污水中的 C/N比,聯(lián)合處理滲濾液和生活污水混合液.陳濤等[11]將沸石與陶粒顆粒聯(lián)立,利用裝置部分曝氣可保持較高的TN與COD去除率.沸石達(dá)到交換飽和時(shí),其除銨能力大為下降,因此如何進(jìn)行再生處理以恢復(fù)其高NH4+N去除能力,是沸石脫氮技術(shù)的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的化學(xué)再生法對(duì)材料的腐蝕性大,并且使用操作復(fù)雜、費(fèi)用較高,故實(shí)用性不強(qiáng).在生物再生法的探索中,鄭南等[12]對(duì)比探討了曝氣、異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌在沸石床系統(tǒng)中對(duì)沸石再生的影響,結(jié)果表明硝化細(xì)菌是影響沸石再生的主要因素.沈志強(qiáng)等[13]在人工濕地系統(tǒng)中模擬的沸石生物再生實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn),進(jìn)一步解釋了生物沸石的再生是離子交換釋放NH4+N和微生物協(xié)同作用的結(jié)果.生物沸石再生反應(yīng)的主體是微生物,從而微生物的種群結(jié)構(gòu)與數(shù)量在很大程度上影響著系統(tǒng)的整體處理效果[14].

本文以天然沸石粉為主要原料、水泥為粘結(jié)劑、鋁粉和表面活性劑為發(fā)泡劑,參照粉煤灰加氣混凝土的生產(chǎn)方法制備沸石加氣混凝土多孔性生物填料,生物填料掛膜成熟后按照離子交換吸附、排空、鼓風(fēng)微生物硝化再生、淋洗硝酸鹽四階段序批式運(yùn)行,既利用了沸石優(yōu)異的NH4+N選擇性離子交換特性,又發(fā)揮了微生物硝化對(duì)沸石的生物再生功能,大幅度提高了填料生物負(fù)載量,克服了曝氣能耗高,提高總氮去除率.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料制備和表征方法

沸石取自安徽宣城市水東鎮(zhèn)沸石礦,破碎過篩取0.15～0.18mm粒級(jí).水泥為安徽蕪湖海螺水泥制造公司的 325號(hào)礦渣硅酸鹽水泥,鋁粉購(gòu)自合肥化學(xué)試劑有限公司.沸石粉、水泥、鋁粉、水按照配比攪拌30min制漿,隨后裝入模具并放入保溫箱中于 60℃發(fā)氣3.0～3.5h,用鋼絲繩切割成為10mm的立方體.在125℃蒸壓鍋中蒸壓5h,即獲得沸石加氣混凝土多孔生物填料(zeolite porous biology filter-ZPBF).ZPBF材料的物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)試參照水處理用頁(yè)巖陶粒濾料標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 299-2008)[15]中的相關(guān)方法,分別測(cè)定了ZPBF的粒徑大小、空隙率、比表面積(BET測(cè)試)、孔容、孔徑、表觀密度、堆積密度以及抗壓強(qiáng)度[16].ZPBF 內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)分析按照SY/T6103-94石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用巖石孔隙環(huán)氧樹脂鑄體方法[17].用日本JSM-6490LV型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察ZPBF的微結(jié)構(gòu).用日本 U-RFL-T Olympus生物顯微鏡觀察ZPBF-BAF內(nèi)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物[18-19].

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和水處理實(shí)驗(yàn)

圖1 間歇式BAF工藝設(shè)計(jì)Fig.1 Schematic diagram of the ZPBF-BAF system

實(shí)驗(yàn)柱掛膜成熟后按照前述 4階段序批式運(yùn)行.在進(jìn)水離子交換吸附階段,將蠕動(dòng)泵調(diào)整流量分別設(shè)定為10、20, 30r/min分別對(duì)應(yīng)HRT 4.3, 2.8,1.8h.采用上流式進(jìn)水,進(jìn)水 NH4+N 10～11mg/L,TOC 45～60mg/L,TP 0.5～1mg/L,每隔 12h取樣監(jiān)測(cè)出水中 NH4+N、NO3N、 NO2N的濃度.待出水中 NH4+N濃度大于1.5mg/L時(shí)停止進(jìn)水,排空實(shí)驗(yàn)柱中的水,鼓風(fēng)機(jī)向?qū)嶒?yàn)柱通入空氣為硝化微生物供氧,生物再生一定時(shí)間后停止鼓風(fēng),用蠕動(dòng)泵將一定體積的淋洗液噴灑實(shí)驗(yàn)柱頂部,洗滌生物硝化形成的硝酸鹽,將每次淋洗液收集并監(jiān)測(cè) NH4+N、NO3N、NO2N、TN濃度,并進(jìn)行氮素平衡計(jì)算.NH4+N、NO3N、NO2N、TN等均按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,DO采用便攜式溶解氧儀(HACH)測(cè)定,TOC采用德國(guó)耶拿Multi N/C 2100(s)TOC儀進(jìn)行測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 ZPBF制備條件及優(yōu)化

2.1.1 水泥、鋁粉、水配比對(duì)ZPBF抗壓強(qiáng)度影響 圖2A顯示了水泥含量對(duì)ZPBF抗壓強(qiáng)度的影響.當(dāng)水泥含量從22%增加32%,ZPBF的抗壓強(qiáng)度從 20.36N增加到 36.6N,顯然水泥用量越大ZPBF強(qiáng)度越高,但是增大水泥加入量會(huì)降低沸石的比例,必然會(huì)降低ZPBF對(duì)NH4+N的離子交換容量[20].因此,水泥計(jì)量的優(yōu)化以 ZPBF顆粒強(qiáng)度滿足生物濾料強(qiáng)度要求為準(zhǔn).圖2B為鋁粉含量對(duì)ZPBF的抗壓強(qiáng)度的影響.當(dāng)鋁粉從0.03%增加到0.14%時(shí),抗壓強(qiáng)度從 39.66N降低到 22.9N.表明ZPBF的抗壓強(qiáng)度隨鋁粉添加量的升高而降低,這是因?yàn)殇X粉計(jì)量越大,與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量越大,氣孔率增加,ZPBF密度減小,降低了ZPBF的抗壓強(qiáng)度[21].圖2C為水添加量對(duì)ZPBF抗壓強(qiáng)度的影響,當(dāng)水添加量從50%增加到60%時(shí),抗壓強(qiáng)度從 38.76N下降到了9.33N.表明隨著水添加量提高,ZPBF的抗壓強(qiáng)度降低.其原因是過多的水會(huì)增大氣孔率,導(dǎo)致密度和材料強(qiáng)度降低.在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過正交試驗(yàn)對(duì)上述3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化,得到ZPBF制備最佳參數(shù)為：鋁粉0.12wt%、水泥32wt%、沸石67.88wt%,隨后加入三者混合物52wt%的水進(jìn)行混合制料,最佳蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間分別為 105℃和 3h.在優(yōu)化條件參數(shù)下所制備ZPBF粒徑為20～25mm,空隙率74.7%,比表面積 59.53m2/g,表觀密度1.30g/cm3,抗壓強(qiáng)度48N,堆積密度0.329g/cm3.

圖2 不同材料的添加量對(duì)合成ZPBF的影響Fig.2 Effects of ZPBF preparation

2.1.2 ZPBF的物理性能及孔結(jié)構(gòu)分析 表3-1列出了ZPBF與其他幾種常見BAF填料的物理性能對(duì)比表.相比于其他填料,ZPBF具有較高的空隙率、較大的比表面積以及較低的堆積密度和表觀密度.這一結(jié)果是得益于ZPBF的化學(xué)組成成分.ZPBF較低的堆積密度與表觀密度源于在材料制作中鋁粉的添加,鋁粉作為發(fā)泡劑在堿性條件下與水反應(yīng)形成氫氣,在蒸壓過程中使材料的孔容、孔徑大大增加,同時(shí)還增強(qiáng)了材料的表面粗糙度.ZPBF的高比表面積、高空隙率等物理性能為微生物高負(fù)載量、高活性提供了基礎(chǔ)[22].

此外,為表征ZPBF的開放性孔隙特征,對(duì)鑄膠前后樣品進(jìn)行了顯微鏡觀察.圖 3A為未注膠樣品的單偏光下照片,可以看出其中灰色和黑色部分為 ZPBF的骨架結(jié)構(gòu),主要為沸石和水泥水化產(chǎn)物(a部分),白色部分(b部分)為ZPBF中的孔隙.圖 3B為鑄膠后樣品的單偏光下照片,其中 e部分為藍(lán)色有機(jī)染料進(jìn)入 ZPBF顆粒內(nèi)部空隙,表明這些空隙是開放性大孔空隙.藍(lán)色有機(jī)染料要進(jìn)入 ZPBF顆粒內(nèi)部在孔隙系統(tǒng)中流動(dòng),必須克服喉道產(chǎn)生的毛細(xì)管阻力,一般情況下納米孔隙由于毛細(xì)管阻力,注膠流體很難進(jìn)入.因此,注膠的空隙代表孔徑在微米/亞微米以上的開放空隙[30-31].顯微鏡觀察 ZPBF中開放空隙的平均孔徑為75μm左右,而微生物個(gè)體大小在0.5μm,意味著微生物可以在開放性氣孔中繁殖生長(zhǎng).ZPBF的孔結(jié)構(gòu)為微生物高負(fù)載量提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).

表1 幾種填料的主要物理性能對(duì)比Table 1 The main physical properties of several filler compared

續(xù)表1

圖3 ZPBF鑄膠前后的磨片F(xiàn)ig.3 Casting plastic grinding images

2.2 ZPBF-BAF啟動(dòng)掛膜

以此為切入點(diǎn)，幾乎沒花什么大本錢，喬十二郎就探聽到以下訊息：看似深居簡(jiǎn)出的笑面虎，其實(shí)是個(gè)很會(huì)享受的人，尤其講究食補(bǔ)，雞蛋只吃當(dāng)日生的，他家的下蛋母雞每天吃核桃、大棗、冬蟲夏草，每年他還從洋人手里購(gòu)買海狗油。

ZPBF-BAF啟動(dòng)掛膜期間出水NH4+N濃度變化如圖4所示.啟動(dòng)掛膜運(yùn)行33d, NH4+N出水濃度在 0.17～2.9mg/L,去除率為71%～98%.掛膜運(yùn)行1～24d,NH4+N出水濃度先減后增,在運(yùn)行第13d有一個(gè)拐點(diǎn),其原因在于ZPBF-BAF經(jīng)過 13d連續(xù)進(jìn)水,其中 ZPBF基本吸附飽和,此時(shí)去除水中NH4+N主要依靠于ZPBF-BAF中微生物的硝化作用,而由于水溫(實(shí)驗(yàn)在冬季)、pH、DO等因素的影響此時(shí) ZPBF-BAF中的硝化細(xì)菌并未大量富集,隨著掛膜時(shí)間推移,在24d后,出水NH4+N濃度逐漸趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在98%,由此可知ZPBF-BAF啟動(dòng)掛膜成功.

2.3 不同HRT對(duì)離子交換吸附NH4+N穿透時(shí)間和轉(zhuǎn)化的影響

參照國(guó)內(nèi)最嚴(yán)格的城鎮(zhèn)污水處理廠NH4+N排放限值,以1.5mg/L作為吸附穿透點(diǎn),考察HRT對(duì)ZPBF吸附NH4+N穿透時(shí)間和轉(zhuǎn)化的影響,圖5為不同HRT條件下吸附階段出水各種形態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化.HRT=1.8h時(shí)離子交換吸附NH4+N第4d穿透,HRT=2.8h時(shí)第5d穿透, HRT=2.8h時(shí)第9d穿透.在HRT分別為1.8、2.8、4.3h條件下,出水中 NO2N 濃度都比較低(0.09～0.45mg/L),NO3N 濃度比較高(1.58mg/ L→6.67mg/L),并且隨著 HRT 增大出水中NO2N略有增加,NO3N濃度顯著增加.這說明即使在不曝氣的情況下,ZPBF內(nèi)部和外表面負(fù)載硝化菌利用水中的溶解氧使 NH4+N部分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,隨著HRT增大NH4+N硝化反應(yīng)更徹底.

在不同的HRT條件下NH4+N、NO3N出水濃度都隨著吸附運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而增大,這一方面指示隨著 ZPBF對(duì) NH4+N 離子交換吸附積累,由于傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的控制 NH4+N去除率會(huì)逐步降低;另一方面指示隨著ZPBF中NH4+N積累以及水中殘余NH4+N濃度增大,ZPBF中生物硝化速率在增大[32].

吸附階段的NH4+N滯留在ZPBF中,硝化的NH4+N盡管轉(zhuǎn)變?yōu)榱讼跛猁}仍然存在于水中,在吸附階段 ZPBF負(fù)載微生物的硝化作用降低了總氮的去除率.理論上降低進(jìn)水 DO濃度、提高 COD濃度,可以部分抑制吸附階段的硝化作用[33-34]. HRT=4.3h吸附階段出水硝態(tài)氮在第1d的占總氮的 17.09%,第 9d上升到占總氮的71.67%,出水的 DO濃度僅 0.31～0.65mg/L.而在HRT=2.8h、HRT= 1.8h條件下,吸附階段NH4+N去除都是由離子交換占主導(dǎo)地位.考慮到水力負(fù)荷、序批式運(yùn)行周期和總氮去除率,選擇HRT=2.8h作為吸附階段的最佳參數(shù).

圖4 啟動(dòng)掛膜過程中對(duì)NH4+N去除率Fig.4 Influent and effluent concentration and removal efficiency of NH4+N

圖5 不同HRT對(duì)吸附階段出水濃度的影響Fig.5 Influence of HRT on NH4+N concentration and removal

2.4 ZPBF再生效率的研究

吸附運(yùn)行 NH4+N穿透后排空實(shí)驗(yàn)柱中的水,通過鼓風(fēng)供氧促使 ZPBF負(fù)載的硝化菌轉(zhuǎn)化吸附態(tài)NH4+N為NO3N從而實(shí)現(xiàn)ZPBF恢復(fù)對(duì) NH4+N的離子交換功能.排空實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)水鼓風(fēng)充氧與傳統(tǒng)的曝氣生物濾池相比有很大的優(yōu)點(diǎn)：無靜水壓力的情況下充氧風(fēng)壓較低,排空柱內(nèi)水后 ZPBF顆粒外部和內(nèi)部空隙都滯留少量的水,在ZPBF內(nèi)外表面構(gòu)成較薄的水膜,空氣中氧向水中傳遞的效率提高,能耗大幅度降低能耗;硝化形成的硝酸鹽通過洗滌單獨(dú)排出處理,出水中總氮去除率高.

根據(jù)鼓風(fēng)再生后淋洗液中 NO3N 和NH4+N濃度及其體積,計(jì)算生物再生(硝態(tài)氮)與解吸再生量(離子交換釋放 NH4+N),再生量與再生時(shí)間擬合的直線即為再生速率.通過線性擬合得出 ZPBF 生物再生速率為1.9mg/(kg?h)、解析再生速率為 0.36mg/(kg?h),生物再生速率大于沸石解析再生速率(圖 6A).再生初期,ZPBF內(nèi)NH4+N含量比較高,淋洗液中的NH4+N濃度低,內(nèi)外的濃度差致使解吸速度加快,隨著再生的進(jìn)行,ZPBF內(nèi)NH4+N含量下降,解吸速度減慢.值得一提的是生物再生過程本身也包含了解吸作用,解吸出的NH4+N被迅速硝化去除,可以推動(dòng)吸附態(tài)NH4+N向水膜釋放[12].

圖6B經(jīng)歷不同的鼓風(fēng)再生時(shí)間后再次離子交換吸附出水 NH4+N隨時(shí)間的變化曲線.對(duì)應(yīng)于 3、6、12、24h鼓風(fēng)再生,吸附至穿透的時(shí)間分別為 1、2、3、4d.顯然鼓風(fēng)再生時(shí)間越長(zhǎng),沸石中吸附的NH4+N轉(zhuǎn)化越完全,再生越徹底,再次吸附處理同樣濃度的 NH4+N廢水至穿透點(diǎn)延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng).結(jié)果表明生物鼓風(fēng)再生 24h是比較合理的時(shí)間.

再生完成后再次吸附處理含 NH4+N水(圖6C)出水各種形態(tài)氮隨時(shí)間的變化.水中的氮主要為NH4+N和NO3N,第1d出水NH4+N為0.85mg/L、TN濃度為2.39mg/L,TN去除率達(dá)到76.07%.第4d出水NH4+N穿透時(shí)NH4+N濃度1.6mg/L、NO3N濃度 1.8mg/L、TN濃度為4.0mg/L,TN去除率達(dá)到60%.

圖6 ZPBF不同再生時(shí)間下再生效果(A)、ZPBF不同時(shí)間再生后吸附穿透天數(shù)的比較(B)、ZPBF再生后運(yùn)行效果(C)Fig.6 Comparison between precipitation regeneration and bio regeneration (A), comparison between different saturation times (B), effect of regeneration for ZPF (C)

2.5 ZPBF生物負(fù)載前后的掃描電鏡觀察

圖 7A和 7B是 ZPBF外部和內(nèi)部表面的SEM照片,可以觀察到ZPBF具有相互連通、分布均勻的大孔結(jié)構(gòu),大多數(shù)分布在10～20μm范圍.圖7(A)顯示了ZPBF外表面孔隙結(jié)構(gòu),可以觀察到其孔口成楔形.這種高孔隙率、三維連通的大孔結(jié)構(gòu)有利于發(fā)揮 ZPBF的生物傳導(dǎo)性,即有利于微生物粘附生長(zhǎng),微生物所需營(yíng)養(yǎng)、氧氣的進(jìn)入以及代謝產(chǎn)物排出[15-16].圖 7(B)為微生物負(fù)載在ZPBF上的SEM照片.ZPBF-BAF在運(yùn)行的第7d,粘附在ZPBF上的微生物較多,微生物多為絲狀形和桿狀形菌,微生物分布不均勻.SEM 觀察到的現(xiàn)象說明 ZPBF具有粗糙的表面,適合微生物繁殖生長(zhǎng).

圖7 ZPBF生物負(fù)載前后的SEMFig.7 SEM images showing morphology of before and after biofilm of ZPBF

2.6 ZPBF-BAF中生物膜中原生動(dòng)物和后生動(dòng)物組成及特點(diǎn)

對(duì)于裝置中的微生物來說ZPBF-BAF是一個(gè)特殊的生態(tài)系統(tǒng),其間各種環(huán)境因子,例如進(jìn)水的物理化學(xué)條件、充氧條件、進(jìn)水速率、再生時(shí)間等等都會(huì)直接或間接的影響影響微生物的群落特征及分布.進(jìn)一步了解反應(yīng)體系中微生物種類及其數(shù)量的變化,可以直觀的反應(yīng)出廢水處理的現(xiàn)狀,從而可以加強(qiáng)管理工作.

圖8是ZPBF表面生物膜中原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的顯微鏡照片,其中以自養(yǎng)型亞硝化和硝化菌為主包含了輪蟲和線蟲(圖8A)、寡毛蟲(圖8B)、纖毛蟲(圖8C)、鐘蟲和吸管蟲(圖8D).輪蟲對(duì)有機(jī)質(zhì)和缺氧敏感,當(dāng)溶解性有機(jī)質(zhì)分解為無機(jī)物,同時(shí)氮元素轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,廢水中DO含量正常時(shí),才會(huì)出現(xiàn)輪蟲,輪蟲出現(xiàn)也反映ZPBF出水質(zhì)可以達(dá)到北京城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí) B.吸管蟲對(duì)缺氧敏感,其存在說明ZPBF中的微生物供氧良好.線蟲對(duì)有機(jī)質(zhì)比較敏感,而對(duì)氧不是特別敏感,線蟲出現(xiàn)說明有機(jī)質(zhì)已大量降解,好氧生物膜成熟穩(wěn)定[35].

圖8 ZPBF-BAF內(nèi)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的生物顯微鏡照片F(xiàn)ig.8 The microscopic observation of protozoan and metazoan in the ZPBF-BAF

2.7 序批式ZPBF-BAF與常規(guī)單級(jí)BAF工藝比較

曝氣生物濾池常用的池型、填料種類很多,但由于受到管理及經(jīng)濟(jì)因素的影響,多以單層池型裝填淹沒式填料為主,常見的填料有陶粒、沸石、懸浮填料等.這些填料在長(zhǎng)期運(yùn)行中易板結(jié),存在反沖洗強(qiáng)度大、管理復(fù)雜的問題.表2列出了4種不同的單級(jí)BAF工藝脫氮性能對(duì)比,結(jié)果表明序批式 ZPBF-BAF工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)ZPBF材料具有高比表面積、高空隙率的特點(diǎn),為微生物高負(fù)載量、高活性提供了基礎(chǔ). (2) ZPBF-BAF工藝既利用了沸石優(yōu)異的 NH4+N選擇性離子交換特性,又發(fā)揮了微生物硝化對(duì)沸石的生物再生功能,提高了填料生物負(fù)載量,克服了曝氣能耗高,具有較高的總氮去除率. (3) ZPBF-BAF生物再生的方式大幅度降低了曝氣能耗.硝化形成的硝酸鹽通過洗滌單獨(dú)排出處理,出水中總氮去除率高,相比較于化學(xué)再生法,生物法既節(jié)省經(jīng)濟(jì)的支出,也減少了對(duì)材料的損壞,提高了填料的利用率.

表2 4種單級(jí)BAF工藝脫氮性能對(duì)比Table 2 Four single-stage BAF of denitrification performance contrast

3 結(jié)論

ZPBF具有選擇性離子交換吸附NH4+N和多孔結(jié)構(gòu)特性,既作為NH4+N的吸附劑,又是高負(fù)載量的微生物載體,微生物掛膜成熟后采用四階段序批式運(yùn)行,最優(yōu)的 HRT為 2.8h,在此條件下以1.5mg/L NH4+N濃度作為穿透點(diǎn)吸附運(yùn)行時(shí)間為5d,鼓風(fēng)再生24h可恢復(fù)ZPBF對(duì)NH4+N的離子交換功能,NH4+N平均去除率為85%,TN平均去除率為 60%.ZPBF生物膜中可以觀察到纖毛蟲、鐘蟲、蓋纖蟲、輪蟲,而且較活躍,數(shù)量較多.說明 ZPBF作為廢水處理材料在四階段序批式運(yùn)行過程中生物膜穩(wěn)定、水處理效果好,可滿足更加嚴(yán)格的廢水排放標(biāo)準(zhǔn).

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Development and characterization of zeolite biological porous filter for denitrification wastewater treatment by intermittent operation.

BIAN Jia, CHEN Tian-hu*, BAO Teng, CHENG Peng, CHEN Dong, QING Cheng-song (School of Resource and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2150～2159

Zeolite porous biological filter (ZPBF) was prepared using mixed cement, raw zeolite, and aluminum powder through optimization experiment and used as a novel filter medium in biological aerated filter (BAF). The properties of the ZPBF were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), and porosimetry. The results show that ZPBF has a large BET-N2(59.54m2/g) and average pore diameter (11.92nm) as well as a high porosity (29.55%). In addition, the uniform and interconnected pores in ZPBF made it suitable for the microbial growth. In order to prove the feasibility of the use of ZPBF in BAF, ZPBF used in the BAF were investigated for city wastewater treatment. Thus, intermittent dynamic experiments were conducted, the intermittent operation cycle included adsorption, biological regeneration, and drip washing ZPBF. Until concentration of NH4+N was more than 1.5mg/L of effluent standards, water in ZPBF-BAF was firstly emptied. The results show that NH4+N average removal was 87% and TN average removal was 60% at the blast for 24h and 5d of continuous operation period. The results show that the effluent water could comply with the first grade B in "Discharge Standard of Water Pollutants for Bei Jing city".

zeolite porous filter；denitrification；wastewater treatment；biological regeneration

X703,X783.4

A

1000-6923(2017)06-2150-10

邊 佳(1992-),男,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院環(huán)境工程系,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲鬯疃忍幚砝碚撆c技術(shù).

2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(41130206,41472047)

* 責(zé)任作者, 教授, chentianhu@hfut.edu.cn