聚乙烯填料序批式移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝處理低溫市政污水效能研究

傅金祥 張 桐 丁 麗， 馬學(xué)民

(1.沈陽建筑大學(xué)遼河流域水污染防治研究院，遼寧 沈陽 110168；2.中核撫順環(huán)?？萍加邢薰?，遼寧 撫順 113000)

氮、磷是重要的營養(yǎng)源，但污水中高濃度的氮、磷會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，不僅給人們的生活帶來很大影響，而且嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。迄今為止，與物理化學(xué)處理相比，生物脫氮除磷更為有效、成本相對(duì)低廉、環(huán)保，在污水處理中得到廣泛應(yīng)用。溫度是影響微生物活性并對(duì)污水處理有較大影響的關(guān)鍵參數(shù)[3-5]。低溫條件下活性污泥沉降性能變差，吸附能力下降，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。針對(duì)這一問題，大多數(shù)污水處理廠通常采用投加化學(xué)藥劑、降低污染負(fù)荷、增加污泥回流和污水停留時(shí)間的方法來保證低溫污水達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)[6]。這些措施會(huì)增加工程投資和運(yùn)行成本，因此有必要探索一種更有效的方法來改善傳統(tǒng)工藝在低溫下性能不佳的問題。

序批式移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SBMBBR)是在傳統(tǒng)活性污泥法基礎(chǔ)上[7]，在反應(yīng)器中投加能懸浮在水中的填料，使微生物在填料表面更好地生長，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物去除的方法。本研究在低溫條件下采用SBMBBR對(duì)低溫污水進(jìn)行處理，提出了最佳運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)不同規(guī)格的聚乙烯填料進(jìn)行對(duì)比分析，為類似條件下污水處理廠改造擴(kuò)建工程提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。SBMBBR內(nèi)徑140 mm，外徑150 mm，高 1 m，每隔100 mm均勻設(shè)置取樣口(出水口)，便于取樣檢測水質(zhì)指標(biāo)。在裝置底部曝氣盤上連接空氣泵，用氣體流量計(jì)控制溶解氧(DO)質(zhì)量濃度(未特殊說明時(shí)，缺氧段DO≤0.5 mg/L，好氧段DO為5.0～7.0 mg/L)，裝置運(yùn)行采用A/O工藝，反應(yīng)流程依次為進(jìn)水階段、反應(yīng)階段、沉淀階段、出水階段、閑置階段。填料采用兩種不同規(guī)格和顏色的聚乙烯填料，填料參數(shù)見表1。

1—進(jìn)水口；2—電機(jī)；3—出水口；4—填料；5—攪拌槳；6—水泵；7—?dú)怏w流量計(jì)；8—空氣泵圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2 接種污泥和水質(zhì)指標(biāo)

裝置中的污泥采用撫順市某污水處理廠二沉池回流污泥，污泥質(zhì)量濃度為3 800～4 200 mg/L。進(jìn)水為人工模擬配水，利用KH2PO4、葡萄糖、NH4Cl、NaHCO3配置，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表2。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法和運(yùn)行條件

共設(shè)3組裝置，分別記為R1、R2、R3，其中R1為無填料，R2填充黑色聚乙烯填料，R3填充白色聚乙烯填料。啟動(dòng)階段每天3個(gè)周期，單個(gè)周期內(nèi)缺氧2 h，好氧5 h，沉淀1 h。低溫實(shí)驗(yàn)室溫度保持在4～7 ℃，實(shí)際水溫為9～12 ℃。水力停留時(shí)間(HRT)為48 h，啟動(dòng)階段均不投加填料，通過分析3組裝置的污染物平均去除率判斷是否啟動(dòng)成功。穩(wěn)定運(yùn)行階段填料填充率為30%，通過分析污染物的去除效能對(duì)R2、R3進(jìn)行對(duì)比研究。改變?nèi)毖?、好氧時(shí)間，好氧段DO濃度，HRT以確定最佳運(yùn)行參數(shù)。

1.4 檢測方法

COD、氨氮和TP等常規(guī)指標(biāo)采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中的分光光度法測定，儀器為WFJ2100型可見分光光度計(jì)；DO和溫度采用便攜式DO儀測定;pH采用便攜式分析儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)研究

低溫使傳統(tǒng)的生物脫氮除磷面臨巨大挑戰(zhàn)[8]，從圖2可以看出反應(yīng)器在運(yùn)行64 d時(shí)，COD和氨氮的平均去除率分別為73.5%和61.4%，TP的去除率為45.8%，進(jìn)水COD長期保持在設(shè)定的水平，出水COD長期保持在一定范圍內(nèi)，可初步認(rèn)為啟動(dòng)成功[9]。本研究中低溫下污染物去除率較低，這與王振等[10]的研究結(jié)果類似(當(dāng)系統(tǒng)溫度從20 ℃降至10 ℃時(shí)，氨氮的去除率由93.7%驟降至48.0%)，說明低溫顯著抑制生物脫氮。分析認(rèn)為低溫會(huì)抑制微生物的活性，使得酶活性降低，細(xì)胞膜的流動(dòng)性也會(huì)變差，營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝產(chǎn)物分泌受阻，從而抑制了微生物的降解能力。同時(shí)長期運(yùn)行反應(yīng)器有助于提高系統(tǒng)生物脫氮的能力[11]，即系統(tǒng)內(nèi)微生物經(jīng)過長期馴化，適應(yīng)了處理環(huán)境，從而提高了脫氮效能。

2.2 穩(wěn)定運(yùn)行研究

啟動(dòng)成功后向R2、R3中投加填料，在投加填料7 d后可以觀察到填料表面有明顯的生物膜。圖3、圖4分別為R2、R3在穩(wěn)定運(yùn)行階段的COD、氨氮、TP去除率。31 d后R2中COD、氨氮、TP的去除率分別為79.4%、71.2%和54.9%，相應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為72.3、9.8、2.3 mg/L。與R1相比，R2處理效果有明顯提升，表明富集生物膜可顯著提高低溫污水脫氮效果。31 d 后R3中COD、氨氮、TP的去除率分別為83.6%、74.4%和60.8%，相應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為57.5、8.7、2.0 mg/L，表明白色聚乙烯填料更利于生物掛膜，可提升對(duì)低溫市政污水的處理效果。分析原因?yàn)镽3中白色聚乙烯填料孔隙率高，具有更好的吸附性，掛膜效果更佳，因此R3處理效果明顯優(yōu)于R1和R2。

表1 填料參數(shù)Table 1 Parameters of the filler

表2 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Influent water quality index

圖2 啟動(dòng)期間的COD、氨氮、TP平均去除率Fig.2 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate during start-up

2.3 參數(shù)優(yōu)化研究

2.3.1 缺氧、好氧時(shí)間優(yōu)化

在HRT為48 h，好氧段DO為5.0～7.0 mg/L的條件下，分析缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式和缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h模式下運(yùn)行27 d的出水效果，結(jié)果如圖5所示，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式下R1中COD、氨氮和TP的去除率分別為87.7%、93.5%和59.2%，較缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的模式分別提高了14.2百分點(diǎn)、32.1百分點(diǎn)和13.4百分點(diǎn)，前者相應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為44.4、1.9、2.0 mg/L，其中COD、氨氮出水濃度可達(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排放標(biāo)準(zhǔn)(≤50、≤8 mg/L)。

缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式(HRT為48 h)運(yùn)行下，R2中COD、氨氮去除率為90.5%、95.8%，相應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為34.2、1.3 mg/L，均能達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，TP出水質(zhì)量濃度下降到1.8 mg/L，去除率上升到63.3%；R3中COD、氨氮、TP去除率分別可達(dá)92.7%、98.1%和67.3%，相應(yīng)的出水質(zhì)量濃度分別為26.5、0.6、1.6 mg/L，R3的低溫污水處理效率較其他兩組反應(yīng)器更高。延長缺氧時(shí)間可顯著提高除磷效率，當(dāng)缺氧時(shí)間延長，吸收儲(chǔ)存有機(jī)物且用于后續(xù)反應(yīng)的能量增多，可提供給聚磷菌吸磷的能量也增多，從而使得TP去除率上升；當(dāng)缺氧時(shí)間縮短時(shí)，大部分COD被好氧異養(yǎng)菌攝取，好氧異養(yǎng)菌過量繁殖[12]，從而抑制硝化反應(yīng)，降低脫氮效率。

2.3.2 好氧段DO優(yōu)化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，HRT為48 h的條件下，改變好氧段DO，使其依次為3.0～4.5、>4.5～6.0、>6.0～7.5 mg/L，每次穩(wěn)定運(yùn)行15 d后運(yùn)行下一好氧段DO濃度。結(jié)果表明，COD、氨氮和TP的去除率隨好氧段DO濃度的增加而提高。當(dāng)好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L時(shí)，R1中COD、氨氮和TP的出水質(zhì)量濃度分別為50.5、1.9、1.9 mg/L；R2和R3中COD的出水質(zhì)量濃度分別為38.1、32.2 mg/L，氨氮的出水質(zhì)量濃度分別為1.0、0.8 mg/L，TP的出水質(zhì)量濃度分別為1.8、1.7 mg/L。低溫環(huán)境下，需要更高的好氧段DO，以保證反應(yīng)器內(nèi)部污泥的需求和實(shí)現(xiàn)微生物的降解作用[13]。當(dāng)DO濃度低時(shí)，硝化作用受到限制，反硝化無充足的底物濃度，這會(huì)明顯影響脫氮效果。隨著好氧段DO濃度的提高，好氧吸磷的作用更加明顯，因而TP的出水濃度有所降低。綜合考慮，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L是處理低溫污水最佳的運(yùn)行條件。

圖3 R2在穩(wěn)定運(yùn)行期間的COD、氨氮、TP去除率Fig.3 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R2 during stable operation

2.3.3 HRT優(yōu)化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L的條件下，改變HRT，使其分別為18、20、21、24、28、34、42、56、82 h，每個(gè)HRT穩(wěn)定運(yùn)行7 d后分析相應(yīng)的污染物去除率和出水濃度。結(jié)果表明，HRT與COD、氨氮、TP去除率呈正相關(guān)，即HRT越小，COD的去除率越低，出水濃度越高。當(dāng)HRT為82 h時(shí)，R1中COD的去除率為88.1%，相應(yīng)的COD出水質(zhì)量濃度為41.8 mg/L；當(dāng)HRT為42 h時(shí)，R2和R3中COD的去除率分別為85.5%和87.6%，相應(yīng)的COD出水質(zhì)量濃度分別為48.3、41.3 mg/L；此時(shí)COD可以達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg/L)。當(dāng)HRT為28 h時(shí)，R1中氨氮的去除率為78.2%，氨氮出水質(zhì)量濃度為7.4 mg/L；當(dāng)HRT為24 h時(shí)，R2和R3中氨氮的去除率分別為77.6%和84.4%，相應(yīng)出水質(zhì)量濃度為7.6、5.3 mg/L；此時(shí)氨氮可以達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤8 mg/L)。

圖4 R3在穩(wěn)定運(yùn)行期間的COD、氨氮、TP去除率Fig.4 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R3 during stable operation

圖5 不同缺氧、好氧時(shí)間的處理效果Fig.5 Treatment effect under different anoxic and aerobic time

HRT的變化對(duì)去除效率影響較大，脫氮作用隨著HRT的下降而減弱，究其原因：(1)低HRT意味著氮高負(fù)荷，會(huì)抑制硝化作用，從而影響硝化效果；(2)在低HRT下，利用有機(jī)物為碳源進(jìn)行脫氮的效率較低[14-16]。綜合分析可知，為使反應(yīng)器在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO為>6.0～7.5 mg/L的條件下低溫脫氮效果最佳，應(yīng)取R1中HRT為82 h，R2和R3中HRT為42 h，此時(shí)COD、氨氮出水濃度可達(dá)到GB 18918-2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

(1) 黑色聚乙烯與白色聚乙烯填料可顯著提高低溫污水脫氮效率，穩(wěn)定運(yùn)行期間，投加黑色聚乙烯填料的R2中COD、氨氮、TP的去除率分別為79.4%、71.2%和54.9%，污染物去除率較無填料的反應(yīng)器有所提高。投加白色聚乙烯填料的R3中COD、氨氮、TP的去除率分別為83.6%、74.4%和60.8%，投加白色聚乙烯填料處理效果最佳。

(2) 參數(shù)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h被確定為首選的操作模式。好氧段DO濃度和HRT對(duì)低溫脫氮有一定影響。在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的條件下，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L，R1中HRT為82 h時(shí)最佳，R2和R3中HRT為42 h時(shí)最佳，此時(shí)COD、氨氮出水濃度可達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。