混凝沉淀-氣浮-間歇曝氣MBR組合工藝處理餐廚發(fā)酵沼液的研究

張翠翠，史文悅，錢偉杰，黃連芝，鄭 煒

(1.浙江雙益環(huán)保科技發(fā)展有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江清華長(zhǎng)三角研究院，浙江 嘉興 314000)

前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，餐廚垃圾總量不斷增長(zhǎng)，給社會(huì)和環(huán)境造成巨大的壓力，對(duì)餐廚垃圾資源化處理提出更高的要求[1-2]。厭氧發(fā)酵技術(shù)具有較好的資源回收屬性，能產(chǎn)生高附加值的產(chǎn)品，具有較好的應(yīng)用前景[3]。但是，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液污染物成分復(fù)雜多變，懸浮物含量高，有機(jī)污染物濃度高，氨氮濃度高，并且含有大量的油類物質(zhì)，是一種難處理廢水[4-5]。

高濃度的懸浮物和油類物質(zhì)對(duì)生化系統(tǒng)有嚴(yán)重的不利影響[6]，因此廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)前進(jìn)行預(yù)處理非常必要。生化處理過(guò)程中脫氮的難點(diǎn)在于預(yù)處理后廢水C/N比較低[7]，針對(duì)低C/N比廢水，新型脫氮技術(shù)有厭氧氨氧化技術(shù)和短程硝化反硝化技術(shù)[8]。其中，厭氧氨氧化技術(shù)對(duì)廢水中氨氮與亞硝態(tài)氮的比例有嚴(yán)格的要求，其比值接近于1有利于推動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行[9]，運(yùn)行過(guò)程中控制較為困難，適用范圍有限[10]。

本研究基于短程硝化反硝化的原理，采用的間歇曝氣式膜生物處理工藝，將活性污泥處理技術(shù)與膜處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)。通過(guò)研究預(yù)處理和間歇曝氣式MBR對(duì)COD、氨氮、TN、TP、SS和動(dòng)植物油的去除效果，以期為餐廚發(fā)酵沼液處理提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式

試驗(yàn)工藝采用混凝沉淀和氣浮的方式對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理出水進(jìn)入間歇曝氣MBR池進(jìn)行生物處理，工藝流程如圖1所示。其中，混凝沉淀采用PAC試劑，加藥量為1500mg/L；氣浮時(shí)間為10min。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow diagram

系統(tǒng)運(yùn)行通過(guò)PLC控制柜控制，試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式如圖2所示，在缺氧狀態(tài)下(0～30min)系統(tǒng)開始進(jìn)水，缺氧狀態(tài)(0～60min)通過(guò)時(shí)間控制；風(fēng)機(jī)開啟，系統(tǒng)進(jìn)入好氧狀態(tài)(60～180min)，產(chǎn)水泵產(chǎn)水(150～180min)，產(chǎn)水通過(guò)液位控制。好氧階段風(fēng)機(jī)采用變頻控制，系統(tǒng)內(nèi)溶解氧控制在1.5 mg/L以下。

圖2 間歇曝氣MBR裝置及運(yùn)行方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of intermittent aeration MBR and its operation mode

1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

餐廚廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的沼液污染物濃度高，成分復(fù)雜，試驗(yàn)用水水質(zhì)情況如表1所示。廢水中有機(jī)污染物濃度較高，并且含有大量的懸浮物和動(dòng)植物油。試驗(yàn)設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)中的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水水質(zhì)Tab.1 Design influent and effluent quality (mg/L)

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 常規(guī)水質(zhì)測(cè)試方法

COD采用重鉻酸鉀氧化法[11]；氨氮采用納氏試劑分光光度法[12]；總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[13]；TP采用鉬酸銨分光光度法[14]；SS采用重量法[15]；動(dòng)植物油采用紅外分光光度法[16]；亞硝酸鹽分光光度法[17]；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法[18]；DO采用梅特勒便攜式多參數(shù)儀器。

1.3.2 三維熒光光譜

取序批式MBR反應(yīng)器進(jìn)出水，經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾，進(jìn)行三維熒光光譜(Hita-chi F-4500)分析。三維熒光掃描條件為：掃描激發(fā)光源150-W氙弧燈；PMT電壓750 V；掃描間隔：Ex=5 nm、Em=10 nm；自動(dòng)響應(yīng)時(shí)間；掃描速度：30000 nm/min；激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)范圍：Ex=220～400 nm、Em=280～550 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對(duì)污染物的去除效果

餐廚廢棄物發(fā)酵沼液預(yù)處理采用混凝沉淀和氣浮工藝，預(yù)處理后水質(zhì)變化情況如表2所示，經(jīng)預(yù)處理污染物的去除率如圖3所示。結(jié)果表明，混凝沉淀處理對(duì)COD、氨氮、TN、TP和SS均有較好的去除效果，去除效率分別為42.8%、47.4%、43%、90.1%和87.2%。說(shuō)明餐廚廢棄物發(fā)酵沼液中污染物部分以顆粒物的形式存在，隨著固液分離SS大量去除，沼液中的污染物能夠有效去除，其中以TP的去除效果最為明顯，而動(dòng)植物油為溶解性物質(zhì)，在混凝沉淀過(guò)程中難以去除。經(jīng)混凝沉淀處理后，污染物多以溶解性物質(zhì)存在，進(jìn)一步通過(guò)氣浮處理，COD、TP、SS、動(dòng)植物油的累積去除效率分別達(dá)到85.3%、98.7%、99.4%和99.4%。在氣浮過(guò)程中，動(dòng)植物油含量能夠有效去除，避免了油類物質(zhì)對(duì)生物處理階段微生物活性的影響，避免油類物質(zhì)造成膜污染。在整個(gè)預(yù)處理過(guò)程中，總磷、SS、和動(dòng)植物油去除效果良好，氨氮及總氮的去除效率最差，總氮及氨氮的去除是生化系統(tǒng)的重點(diǎn)。

表2 預(yù)處理水質(zhì)變化情況Tab.2 Change in quality of pretreated water (mg/L)

圖3 預(yù)處理對(duì)去污染物的去除率Fig.3 Removal rates of pollutants by pretreatment

2.2 間歇曝氣式MBR對(duì)污染物的去除效果

2.2.1 對(duì)COD的去除效果

考慮到預(yù)處理后廢水C/N比僅為1.8，不足以滿足脫氮需求，因此在進(jìn)水階段補(bǔ)充一定量的碳源，調(diào)整碳氮比分別為3.0和4.0。為保證反硝化細(xì)菌充分利用原廢水中的有機(jī)物，將碳源投加時(shí)間設(shè)定在進(jìn)水完成后。不同C/N條件下間歇曝氣式MBR對(duì)COD的去除效果如圖4所示，未補(bǔ)充碳源和C/N比分別為3.0和4.0時(shí)，出水平均COD分別為252.67 mg/L、260.73 mg/L和269.93 mg/L；COD的平均去除率為87.75%、87.63%和87.33%?？梢姡S著補(bǔ)充碳源量的增加，COD的去除效率略有下降。間歇曝氣式MBR反應(yīng)器對(duì)COD的去除主要依賴于缺氧階段的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌，剩余COD在好氧階段經(jīng)碳氧化菌進(jìn)一步去除[19]。在好氧階段，由于碳氧化細(xì)菌與硝化細(xì)菌對(duì)水中的DO的競(jìng)爭(zhēng)，COD的去除能力略有下降[20]?？傮w來(lái)看，出水水質(zhì)穩(wěn)定，出水水質(zhì)低于500mg/L，滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)中的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 間歇曝氣式MBR對(duì)COD的去除效果Fig.4 Removal rate of COD by intermittent aeration MBR

2.2.2 對(duì)氨氮的去除效果

圖5 間歇曝氣式MBR對(duì)氨氮的去除效果Fig.5 Removal rate of ammonia nitrogen by intermittent aeration MBR

2.2.3 對(duì)TN的去除效果

不同C/N條件下間歇曝氣式MBR對(duì)TN的去除效果如圖6所示，未補(bǔ)充碳源和C/N比分別為3.0和4.0時(shí)，進(jìn)水TN分別為(1206.37±64.93)mg/L、(1210.53±60.12)mg/L和(1226.27±56.62)mg/L，出水平均TN分別為78.33 mg/L、40.35 mg/L和47 mg/L，平均去除率分別為93.44%、96.67%和96.16%。未補(bǔ)充碳源時(shí)，反硝化細(xì)菌在缺氧階段因缺少碳源，出水TN濃度升高；補(bǔ)充碳源后，TN的去除率明顯提升。可見，間歇曝氣式MBR對(duì)總氮去除效果最佳時(shí)，C/N比應(yīng)為3.0。補(bǔ)充碳源后，在31～100 d運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，TN整體去除效果較好，TN去除率高達(dá)96%，氨氮污泥負(fù)荷為0.06～0.08 kgTN/(kgMLSS·d)。綜合考慮裝置運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性和COD、氨氮、TN的去除效果，C/N比為3為最優(yōu)條件。

宋欣欣等采用兩級(jí)AO工藝處理餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液，生化出水平均TN濃度為140 mg/L[25]；夏一帆等采用DMBR短程硝化反硝化工藝處理餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液，TN的平均去除率為68%[26]；張周等通過(guò)缺氧區(qū)、微氧區(qū)和好氧區(qū)DO控制，實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，TN的去除率達(dá)到94%[27]。故相比較而言，間歇曝氣式MBR工藝對(duì)總氮有較好的去除效果。

圖6 間歇曝氣式MBR對(duì)TN的去除效果Fig.6 Removal rate of TN by intermittent aeration MBR

2.3 三維熒光光譜分析

三維熒光譜圖不同分區(qū)代表的物質(zhì)分別有：第一類芳香族蛋白質(zhì)類似物、第二類芳香族蛋白質(zhì)類似物、類富里酸、溶解性微生物副產(chǎn)物和類腐殖酸[28]。不同處理階段三維熒光變化如圖7所示，厭氧發(fā)酵沼液中以第一類和第二類芳香族蛋白類物質(zhì)為主，分別占比36.51%和43.45%；預(yù)處理出水中以第一類和第二類芳香族蛋白類物質(zhì)為主，分別占比39.87%和41.04%。經(jīng)過(guò)預(yù)處理，整體熒光強(qiáng)度降低了82.08%，第一類、第二類蛋白質(zhì)類似物屬于易降解有機(jī)物[29]，故進(jìn)入間歇曝氣式MBR反應(yīng)器的物質(zhì)以易降解物質(zhì)為主。經(jīng)過(guò)間歇曝氣式MBR處理，整體熒光強(qiáng)度降低了98.68%，與污染物的去除率相一致，其中芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)占比明顯降低，類腐殖酸類難降解物質(zhì)占比雖然上升，但熒光強(qiáng)度無(wú)明顯增強(qiáng)。

圖7 處理過(guò)程中三維熒光光譜的變化Fig.7 Changes in three-dimensional fluorescence spectra during treatment

3 結(jié) 論

采用混凝沉淀-氣浮-間歇曝氣MBR進(jìn)行處理餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼液，考察了不同處理階段對(duì)COD、氨氮、TN、TP、SS和動(dòng)植物油的去除效果。結(jié)果表明，經(jīng)混凝沉淀-氣浮預(yù)處理，SS和TP達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，COD、TP、SS、油類物質(zhì)的累積去除效率分別達(dá)到85.3%、98.7%、99.4%和99.4%，氨氮和總氮的去除效果較差，去除率分別為49.96%和52.63%。綜合考慮工藝運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性和間歇曝氣MBR在不同C/N比下對(duì)COD、氨氮和總氮的去除效果，C/N比為3為最優(yōu)運(yùn)行條件，COD、氨氮和TN的去除率分別為87.63%、98.40%和96.67%，經(jīng)過(guò)處理MBR出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。