油菜秸稈生物炭強(qiáng)化好氧活性污泥體系污水脫氮效能研究

陳 佼,李舒昕,陸艷紅,唐 藝,李雪梅,黃 琴,陸一新

(成都工業(yè)學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院,成都 611730)

為進(jìn)一步提高水環(huán)境質(zhì)量,越來越多的國家和地區(qū)提高了污水排放標(biāo)準(zhǔn)。在此趨勢下,新污水處理技術(shù)的研發(fā)及對現(xiàn)有污水處理技術(shù)的升級改造變得尤為重要,已成為污水處理廠未來可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之道[1]。好氧活性污泥法作為一類經(jīng)典的污水處理工藝,在污水處理廠被廣泛應(yīng)用[2]。但是,傳統(tǒng)的好氧活性污泥法難以在同一區(qū)間實(shí)現(xiàn)高效同步硝化反硝化,導(dǎo)致脫氮效能偏低[3]。含氮污染物的超標(biāo)排放將加速水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程,因而探尋有效的污水脫氮強(qiáng)化方法對好氧活性污泥法的應(yīng)用升級具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此,本文采用不同的熱解溫度對廢棄油菜秸稈進(jìn)行處理,制備出不同特性的生物炭,將其分別投至好氧活性污泥體系內(nèi),考察其對氮素污染物去除和污泥沉降性能的影響,探究能有效強(qiáng)化污水脫氮效能的生物炭類型,以期為好氧活性污泥法提供一種新的強(qiáng)化脫氮方式。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的有機(jī)玻璃柱作為好氧活性污泥法的反應(yīng)裝置(見圖1),共設(shè)置4組序批式反應(yīng)器平行啟動,編號依次為A1～A4。反應(yīng)器內(nèi)徑20 cm,柱高40 cm,工作容積為10 L。反應(yīng)器內(nèi)安裝有Multi 3620在線分析儀(用于檢測pH、溶解氧和溫度等)、機(jī)械攪拌器、空氣擴(kuò)散器?？諝鈹U(kuò)散器與柱外空氣壓縮機(jī)相連接以向體系內(nèi)供氧,使體系內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度為4 mg/L左右。機(jī)械攪拌器的攪拌速率為120 r/min,以使泥水混合更加充分。加熱帶與溫控箱構(gòu)成溫控系統(tǒng),用于調(diào)節(jié)反應(yīng)期間溫度為(25±1)℃。反應(yīng)器按順序循環(huán)運(yùn)行,循環(huán)時(shí)間為6 h/周期,具體包括進(jìn)水5 min、曝氣5 h、沉降30 min、潷水5 min,其余時(shí)間為閑置期。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

1.3 油菜秸稈生物炭的制備

廢棄油菜秸稈收集后進(jìn)行清洗、干燥和粉碎處理,然后過0.18 mm篩,將篩出物放入坩堝中,壓實(shí)后蓋好蓋子,放入馬弗爐內(nèi)通入氮?dú)饬鬟M(jìn)行限氧熱解處理。熱解溫度分別設(shè)置為300,500,700 ℃,保持時(shí)間為2 h,使得廢棄油菜秸稈能夠充分熱解。待冷卻后,將產(chǎn)生的固體產(chǎn)物與適量的鹽酸溶液混合均勻,然后在25 ℃、150 r/min的條件下進(jìn)行振蕩,保持0.5 h以去除灰分。振蕩結(jié)束后清洗數(shù)遍,干燥后過0.15 mm篩,取篩出物保存?zhèn)溆?即得到油菜秸稈生物炭(RBC),依次編號為RBC300、RBC500、RBC700。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

1.5 分析方法

污水水質(zhì)指標(biāo)和污泥性能指標(biāo)均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)進(jìn)行檢測。生物炭載膜量f采用重量差法進(jìn)行檢測。污泥沉降速率v根據(jù)單位時(shí)間t內(nèi)污泥在100 mL量筒內(nèi)的沉降體積V進(jìn)行計(jì)算,即v=V/t。RBC300、RBC500、RBC700的表觀形態(tài)采用Gemini 300場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀測,比表面積SA、總孔容TV、平均孔徑AP等指標(biāo)通過NOVA4000e比表面積分析儀測得。

2 結(jié)果與討論

(a)進(jìn)出水質(zhì)量濃度

去除率圖2 RBC對去除效果的影響

2.2 TN去除情況

RBC投加對好氧活性污泥體系TN去除效果的影響如圖3所示。

(a)進(jìn)出水TN質(zhì)量濃度

(b)TN去除率

2.3 強(qiáng)化脫氮機(jī)理分析

2.3.1 RBC吸附性能分析

圖4 RBC對的吸附效果

2.3.2 RBC載膜性能分析

圖5為穩(wěn)定運(yùn)行期間A1～A4反應(yīng)器的載膜情況對比。可以看到,A1反應(yīng)器載膜量為0,說明該反應(yīng)器為單一的活性污泥體系,而A2、A3和A4反應(yīng)器的生物炭載膜量分別達(dá)到29.3,71.5,132.8 mg/g,表明在投加RBC300、RBC500、RBC700后,好氧活性污泥體系內(nèi)出現(xiàn)了生物膜結(jié)構(gòu)。

圖5 A1～A4反應(yīng)器的載膜量

結(jié)合圖6所示的RBC電鏡掃描結(jié)果和圖7所示的SA、TV、AP分析結(jié)果可知,油菜秸稈在被制成生物炭后形成了大量形狀不一的孔洞結(jié)構(gòu),且熱解溫度的升高能促進(jìn)RBC孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育,使之具有更加適合微生物菌群生存的微空間環(huán)境[20]。RBC700的SA、TV、AP值分別達(dá)到65.1 m2/g、0.194 m3/g、8.24 nm,分別相當(dāng)于RBC300(RBC500)的2.6(1.5)、3.4(1.8)、2.5(1.3)倍,可為微生物菌群附著生長和生物膜的形成提供更加充裕的空間,因而投加RBC700的A4反應(yīng)器具有更高的生物炭載膜量,分別相當(dāng)于A2、A3反應(yīng)器的4.5,1.9倍。

(a)RBC300(b)RBC500

(c)RBC700圖6 RBC的電鏡掃描圖

圖7 RBC的SA、TV、AP對比

生物炭載膜量越高,所形成的生物膜結(jié)構(gòu)在好氧活性污泥體系污水脫氮過程中起到的作用越大。與單一的活性污泥體系相比,活性污泥-生物膜耦合體系通常表現(xiàn)出更優(yōu)的脫氮效能。張俸志等[21]在活性污泥體系內(nèi)填充約15%體積占比的纖維填料,經(jīng)過99 d的馴化后可去除中藥制藥廢水中97%以上的TN,纖維填料上生物膜的形成使得體系內(nèi)微生物類型更加豐富,有利于其實(shí)現(xiàn)深度脫氮。Dai等[22]對比了帶空白載體的序批式生物膜間歇式反應(yīng)器與無載體的序批式反應(yīng)器的脫氮效率,前者比后者高出21.4個百分點(diǎn),載體上形成的固定生物膜有效地維持和富集了厭氧氨氧化菌,有利于污水部分亞硝化厭氧氨氧化工藝的啟動和穩(wěn)定運(yùn)行,提升了活性污泥體系的脫氮性能。類似地,本研究中RBC的投加為微生物菌群形成生物膜結(jié)構(gòu)提供了穩(wěn)定的載體條件,同時(shí)其良好的吸附性能也為生物膜的持續(xù)生長提供了充足的營養(yǎng)供給,使更多具有不同代謝功能的菌群能共存于該空間環(huán)境下,為生物脫氮的高效發(fā)生創(chuàng)造了有利基礎(chǔ)。

2.3.3 污泥沉降性能分析

A1～A4反應(yīng)器的污泥沉降速率變化見圖8。

圖8 污泥沉降速率的變化

污泥的沉降速率對污水處理的效果有著重要影響[23]。一方面,污泥的沉降速率越高,意味著泥水分離越徹底,殘留在出水中的污泥量越少,因污泥本身攜帶而來的未完全轉(zhuǎn)化的污染物含量也隨之降低,因而出水效果越好[24]。另一方面,污泥沉降速率的提高可以節(jié)約泥水分離耗時(shí),為反應(yīng)器進(jìn)入下一周期的運(yùn)行預(yù)留充足的時(shí)間,有利于提高污染物的去除效率。由圖8可知,A1～A4反應(yīng)器內(nèi)的污泥在沉降初期表現(xiàn)出較快的沉降速率,而后沉降速率逐漸變緩。其中,投加RBC700的A4反應(yīng)器在前5 min即獲得了8.4 mL/min的污泥沉降速率,分別相當(dāng)于A1、A2、A3反應(yīng)器的1.5,1.3,1.2倍。由此可見,RBC的投加能有效提高活性污泥體系的沉降速率,這歸因于表面附載有生物膜的RBC具有比污泥更高的密度,能在更短的時(shí)間內(nèi)沉降下來,形成密實(shí)度更高的污泥結(jié)構(gòu)[25],這同樣有助于強(qiáng)化好氧活性污泥體系的生物脫氮效能。

2.3.4 強(qiáng)化脫氮途徑分析

結(jié)合對RBC吸附性能、載膜性能和污泥沉降性能的分析,從生化反應(yīng)角度對RBC強(qiáng)化好氧活性污泥體系污水脫氮效能的途徑作進(jìn)一步探討。

(a)硝化

(c)短程硝化反硝化

3 結(jié)論