聚乙烯醇載體在序批式高校生活污水處理中的應用

曹 敏，張洛紅，成晶晶，李旭東

(西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

高校生活污水的排放量大,氨氮含量高[1-2].在高校生活污水處理工藝中,SBR法應用十分廣泛,使用SBR法處理污水不需要設置沉淀池、回流污泥泵等裝置,設計簡單,運行費用低[3-4].目前校園生活污水處理的SBR工藝主要有:分格式SBR工藝，不同微生物菌劑用于SBR工藝、以及傳統(tǒng)的SBR工藝[5].郭可可等[6]通過對反應器的分格改造,使反應過程形成厭氧-好氧交替的形式,有效提升了去除率.蔡勛江等[7]在高校生活污水處理研究中通過在SBR體系中投加高效微生物制劑,有效地降低了污泥濃度且保證了處理效果.雖然分格式SBR工藝對總磷有較高的去除率,但對有機物和氨氮去除率的提升并不高,而投加高效生物制劑在實際運行時運維費用過高[8].因此，文中將PVA凝膠載體用于傳統(tǒng)SBR工藝來處理高校生活污水并確定其最佳實驗條件,即向SBR體系的污泥中額外投加PVA凝膠載體使污泥中的微生物附著在其內部及表面.

1 實 驗

1.1 材料與儀器

(1) 原水和種泥 實驗污水為西安某高校實際生活污水,其成分比較復雜,COD質量濃度為50～300 mg/L,氨氮質量濃度為10～60 mg/L.實驗污泥采集于陜西省西安市第七污水處理廠,污泥馴化一周后使用,SBR工藝即可穩(wěn)定運行.

(2) PVA凝膠載體 實驗中的PVA凝膠載體為日本某公司在傳統(tǒng)PVA凝膠載體上研究出的新型微生物固定化載體,PVA凝膠小球.圖1(a)為未附著微生物的PVA凝膠小球,其直徑為3～5 mm,即未掛膜的小球[9].圖1(b)為PVA凝膠內部及表面附著了微生物的凝膠小球,即掛膜的小球,掛膜小球的顏色變深.

(a) 未附著微生物 (b) 附著微生物圖 1 PVA凝膠小球外觀形貌Fig.1 Appearance and morphology of PVA-gel beads

(3) 試劑 濃硫酸(四川西隴化工有限公司)，氫氧化鈉(鄭州派尼化學試劑廠)，碘化鉀(天津市百世化工有限公司),碘化汞(天津市科密歐化學試劑有限公司),酒石酸鉀鈉(天津市科密歐化學試劑有限公司),所用藥品均為分析純.優(yōu)級純氯化銨(西安化學試劑廠),測定COD所用的LH-D試劑和E試劑(蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰?.

(4) 儀器 ESJ120-4型分析電子天平(沈陽龍騰電子有限公司),5B-1型COD快速測定儀、消解器(蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰?,V-1100型可見分光光度計(上海吳普達儀器有限公司),DHG-9247A型恒溫鼓風干燥箱(上海精宏科學儀器有限公司),HH-S4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(華國電器有限公司).

1.2 實驗方法

1.2.1 PVA凝膠載體-SBR法運行方式 將PVA凝膠載體-SBR法的5個階段:進水、反應、沉淀、排水、閑置放在同一反應池中進行.實驗的運行流程為:瞬時進水—厭氧120～240 min—曝氣30～180 min—沉淀60 min—排水30 min—閑置210 min.所有單因素實驗均以此流程為基礎[10].反應體系中PVA凝膠小球在污泥馴化期投入污泥中,充分混勻使其與污泥同時期完成菌種馴化.在曝氣反應階段PVA凝膠小球隨水流處于懸浮態(tài),與污水充分接觸提高容積負荷.沉淀階段PVA凝膠小球在曝氣停止后自然沉降混入污泥中.

1.2.2 COD的測定及去除率的計算 COD的測定采用快速消解分光光度法,取進出水水樣及蒸餾水2.5 mL,依次加入專用耗材D試劑0.7 mL,E試劑4.8 mL充分混勻后,在CODCr消解器上于165 ℃條件下消解10 min,空氣冷卻2 min后加入2.5 mL蒸餾水混勻.混勻后水冷卻2 min再進行比色測定.COD去除率E1可由COD進出水樣測定值計算得到,即

(1)

式中：C0為進水的COD質量濃度，mg/L;C為出水的COD質量濃度，mg/L.

1.2.3 氨氮的測定及去除率的計算 氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法,取進出水樣及蒸餾水各1 mL于50 mL比色管中,加蒸餾水稀釋至刻度.稀釋后加入1 mL酒石酸鉀鈉溶液混勻,再依次加入1.5 mL納氏試劑顯色10 min,顯色完成后在波長420 nm處,以蒸餾水為參照,測定水樣吸光度值[11].氨氮的吸光度值與其濃度呈線性關系:設吸光值為y,濃度為x,其方程為y=0.242 2x+0.005 1,R2=0.998 7.氨氮去除率E2可由氨氮進出水樣測定值計算得到,即

(2)

式中：L0為進水的氨氮質量濃度，mg/L;L為出水的氨氮質量濃度,mg/L.

2 結果與討論

2.1 污泥沉降比對處理效果的影響

污泥沉降比(SV30)指的是將曝氣反應池內的泥水混合液倒入100 mL量筒內,沉淀30 min后,沉淀污泥與泥水混合液的體積比.SV30可以判斷活性污泥顆粒凝聚程度以及沉淀性能,通過觀察SV30的狀態(tài)及性質,可以對水處理系統(tǒng)進行適當?shù)恼{整.測定污泥沉降比是指導工藝運行必不可少的一步[12].在污水處理系統(tǒng)運行的22 d內,控制反應器的條件一定,對曝氣反應池的污泥沉降比進行監(jiān)測.確定比較合適的污泥沉降比,以保證有機物生物降解和氨氮生物硝化過程能夠同時高效進行,前12 d第1組實驗的污泥沉降比分別為9%，6%，11%，11%，10%，9%，3%，5%，2%，16%，11%，10%，第2組實驗的污泥沉降比分別為16%，13%，7%，4%，7%，5%，5%，6%，3%，2%，3%，9%，后10 d第1組實驗的污泥沉降比分別為15%，28%，38%，75%，23%，20%，75%，92%，85%，77%，第2組實驗的污泥沉降比分別為29%，91%，34%，90%，79%，71%，85%，83%，83%，80%，以上污泥沉降比所對應的氨氮及COD去除率如圖2所示.

(a) 前12天 (b) 后10天圖 2 不同時間下污泥沉降比與去除率的關系Fig.2 The relationship between the sludge settlement ratio and the removal rate over a different period of time

從圖2(a)可以看出,前12 d污泥沉降比較小,一天中氨氮與COD的去除率去除效果相差很大或者雖然比較接近但去除率相對較低.后10 d即圖2(b)中污泥沉降比相對較大時,氨氮與COD去除效果接近且去除率較高的污泥沉降比為75%～92%,但污泥沉降比在80%之后,去除率逐漸下降.這可能是因為絲狀菌生長旺盛導致的污泥膨脹,或微生物生存環(huán)境改變出現(xiàn)的死亡情況導致的污泥解體或腐敗,使污泥沉降性能降低,處理效果也受到影響.所以,本實驗選取77%～80%為最佳的污泥沉降比,在此條件下可同時去除氨氮與COD且去除率較高.

2.2 曝氣時間對處理效果的影響

曝氣時間指的是曝氣池內充氧的理論時間,曝氣的目的在于讓微生物獲得足夠的溶解氧.此外,曝氣可以加強反應池內微生物與外界的物質交換,還可防止污泥混合液中懸浮物的下沉.因此,曝氣時間直接關系到廢水處理系統(tǒng)運行的好壞.確定了最佳的污泥沉降比之后,選擇曝氣時間為30,60,90,120,150,180 min,分別測定其對COD、氨氮去除率的影響,結果如圖3所示.

從圖3可以看出,在曝氣2 h之內,COD以及氨氮去除率增加趨勢較明顯,但是在2 h之后,隨著曝氣時間的增加,COD及氨氮去除率不再快速增加,曲線趨于平穩(wěn).這說明污泥中微生物生長代謝所需要的營養(yǎng)比例失調[3],即隨著曝氣時間的持續(xù)增加,含氧量不再是影響微生物生長的主要因素,碳、氮、磷等營養(yǎng)源不足以支持其繼續(xù)快速增長,從而使得污泥中好氧微生物營養(yǎng)不調進而生長代謝受到了抑制,COD以及氨氮的去除率也不再快速增加且趨于平穩(wěn).因此確定曝氣時間為2 h左右為宜.

2.3 pH對處理效果的影響

微生物的生長及代謝與pH值緊密聯(lián)系.但微生物的種類不同所需要的pH值也不盡相同.生物法處理污水的pH適宜為6.5～8.5[13].本實驗中通過向水樣中加鹽酸或氫氧化鈉來調節(jié)反應系統(tǒng)的pH值,將pH值調到生活污水的正常范圍內.確定了最佳污泥沉降比及最佳曝氣時間后,將本實驗的pH定為6.5,7.0,7.5,8.0,8.5.pH值不同時對水樣中COD及氨氮去除效果變化如圖4所示.

圖 3 曝氣時間與去除率的關系 圖 4 不同pH條件下COD及氨氮的去除情況Fig.3 Relationship between aeration time and removal rate Fig.4 Removal of COD and NH3-N under different pH conditions

從圖4可以看出,使用PVA凝膠載體結合SBR法處理污水的最適pH是7.5,在此條件下水樣中COD去除率為80.87%,氨氮去除率為79.33%.pH=8.5時,去除率明顯下降,COD去除率為60.20%,氨氮的去除率為70.32%.分析其原因是pH值過高,導致污泥以及PVA凝膠小球中的微生物活性受到抑制,造成菌膠團潰散，污泥上浮.pH=6.5時,COD去除率僅為57.92%,氨氮去除率為71.21%,分析其原因是偏酸性環(huán)境會抑制細菌和原生動物的生物活性,不利于細菌和原生動物生長代謝,更不利于菌膠團的形成和生長,相反酵母菌、霉菌、絲狀菌等卻能適應偏酸性的環(huán)境,對其生長有利.這樣就會造成污泥結構松散,甚至會產(chǎn)生絲狀菌膨脹,長時間的偏酸性環(huán)境可能還會導致污泥上浮,污水處理效果也會降低.因此,確定此污水處理系統(tǒng)的最適pH在7.5左右.

圖 5 不同溫度條件下COD與氨氮去除率的變化Fig.5 The change of COD and NH3-N removal rate at different temperature

2.4 溫度對處理效果的影響

溫度是微生物重要的環(huán)境因素,微生物細胞生長速率與溫度密切相關,在微生物適宜生長溫度范圍內,溫度的提高能夠有效加快微生物的生長速率[14].確定了最佳污泥沉降比、曝氣時間及最佳pH值后,通過人為調節(jié)溫度,將本實驗的溫度定為17,19,21,23,25,27,觀察不同溫度下污水的處理效果,結果如圖5所示.

從圖5可以看出，在27 ℃左右COD的去除率要明顯好于19 ℃左右時的去除率.這是因為低溫對嗜溫微生物生長不利,但是溫度的適當升高可以促進微生物以最快的生長速率生長,即微生物胞內酶活性增加,細胞生長代謝旺盛,所以去除率也增加.而21 ℃以上的氨氮去除率要高于21 ℃以下氨氮的去除率且21 ℃時氨氮去除率最低,分析其原因是硝化菌繁殖能力較弱,適應環(huán)境能力差,在17 ℃到21 ℃時,反應體系中硝化菌繁殖代謝活動受到影響導致硝化菌數(shù)量減少.同一系統(tǒng)中溫度由17 ℃上升至21 ℃時硝化菌數(shù)量減至最少,氨氮去除率也降至最低.當硝化菌達到適宜溫度21 ℃以上時,處理系統(tǒng)中硝化功能菌比較活躍,硝化菌繁殖代謝能力增強且數(shù)量出現(xiàn)緩慢增長[15],氨氮去除率也隨之增長.

3 結 論

通過對實驗中不同的污泥沉降比、曝氣時間、pH以及溫度下高校生活污水處理效果的分析,得出最佳曝氣時間為2 h,pH為7.5,溫度為27 ℃,污泥沉降比控制在77%左右.在最佳實驗條件下,實驗中出水COD達到了GB18918—2002《生活污水排放標準》的一級標準的B標準;出水氨氮達到了一級標準的A標準.因此PVA凝膠載體結合SBR活性污泥法處理高校生活污水不僅簡易可行而且處理效果良好.

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