2種生物膜掛膜方法對(duì)比分析及其影響因素研究
中國污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間:2015-11-18 8:48:26
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本
近年來,我國污水處理工程項(xiàng)目發(fā)展迅速,對(duì)防治水環(huán)境質(zhì)量惡化起到了很重要的作用。但是,新建的污水處理廠大多集中在大中城市,稱之為集中式污水處理系統(tǒng),而一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)的污水處理設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后,這對(duì)水污染防治工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),特別是面源污染治理。集中式污水處理系統(tǒng)投資大、運(yùn)行管理費(fèi)用高,并不適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)等級(jí)別的分散式污水處理系統(tǒng)(也稱之為小型生活污水處理系統(tǒng))建設(shè)〔1, 2〕。為此,為全面防控水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步惡化,研發(fā)適合于小型生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)施或設(shè)備(主要用于有機(jī)污染物和氨氮的去除)已非常緊迫。
自19世紀(jì)末期生物濾池在英國問世以來,生物膜法在污水處理方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注,特別是在小型生活污水處理領(lǐng)域〔3, 4〕。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比,生物膜法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)〔5, 6, 7〕:(1)微生物呈多樣性,生物量豐富,處理能力強(qiáng);(2)污泥沉降性能好,剩余污泥量少;(3)受水質(zhì)、水量變化影響小,耐沖擊;(4)具有較強(qiáng)的吸附過濾性能;(5)易于管理,運(yùn)行成本低;谏鲜鰞(yōu)點(diǎn),近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)生物膜法進(jìn)行了深入研究〔8, 9, 10, 11〕,主要包括新型生物膜填料的研發(fā)、微生物的生長規(guī)律、污染物質(zhì)和溶解氧在生物膜內(nèi)的傳質(zhì)過程以及生物膜反應(yīng)器研發(fā)與設(shè)計(jì)等,而針對(duì)生物膜掛膜方法和工程參數(shù)的研究較少。本課題組在前期采用生物膜法處理玉米青貯液〔12〕和染料廢水〔13〕時(shí)發(fā)現(xiàn):生物膜掛膜過程和生物膜反應(yīng)器工程運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理效果有著顯著影響。
為此,本研究對(duì)比分析了2種掛膜方法(自然掛膜法和接種掛膜法),以探究最佳的掛膜手段;同時(shí)對(duì)影響生物膜反應(yīng)器運(yùn)行的2個(gè)主要工況參數(shù)HRT和DO進(jìn)行了考察,探究最佳的運(yùn)行工況,以期為小型生活污水處理和生物膜反應(yīng)器的推廣應(yīng)用提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 生物膜反應(yīng)器
本研究采用2套完全相同的生物膜反應(yīng)器(見圖 1)開展對(duì)比試驗(yàn)。生物膜反應(yīng)器由PVC材質(zhì)加工制作,總高度140cm,填料層高度100cm,填料層下部8cm處設(shè)置支撐層,填料層上部15cm處安裝液位計(jì)。填料層填料為沸石(粒徑約4mm),支撐層填料為卵石(粒徑約15mm);填料層每隔20cm處設(shè)置一個(gè)采樣口。生物膜反應(yīng)器出水進(jìn)入澄清池,經(jīng)澄清后部分用于填料層反沖洗;反沖洗程序?yàn)槠貧鉀_(3min)、曝氣和水沖(5min)、水沖(8min),反沖洗周期為96h。
1.2 試驗(yàn)廢水
試驗(yàn)廢水采用模擬生活廢水,試驗(yàn)廢水組成:CH3COONa 0.320g/L,F(xiàn)eCl3·6H2O 1.50g/L,KH2PO40.013g/L,H3BO3 0.15g/L,(NH4)2SO4 0.198g/L,CuSO4·5H2O 0.03g/L,CaCl2 0.005g/L,KI 0.18g/L,MgSO4·7H2O 0.05g/L,MnCl2·4H2O 0.12g/L,營養(yǎng)液0.30mL/L。營養(yǎng)液組成:Na2MoO4·2H2O 0.06g/L,ZnSO4·7H2O 0.12g/L,CoCl2·6H2O 0.15g/L,EDTA 10.00g/L。進(jìn)水中COD為282~299mg/L,NH4+-N為43.2~49.6mg/L。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.3.1 生物膜反應(yīng)器2種掛膜方法比較
接種掛膜法:采用某污水處理廠曝氣池活性污泥作為接種污泥,先悶曝24h(曝氣流量4L/min),然后將生物膜反應(yīng)器內(nèi)活性污泥和廢水的混合物排空,通入試驗(yàn)廢水。
自然掛膜法:與接種掛膜法同時(shí)通入試驗(yàn)廢水即可。
2種掛膜方法的工況參數(shù):DO控制在3mg/L以上,HRT控制為5h,定期采集2個(gè)生物膜反應(yīng)器出水水樣,測(cè)定其COD和NH4+-N濃度。
1.3.2 生物膜反應(yīng)器主要影響因素研究
在生物膜反應(yīng)器掛膜成熟后,開展HRT和DO 2個(gè)主要影響因素研究。HRT的設(shè)計(jì)水平為1、2、3、4、5、6、7、8h;DO的設(shè)計(jì)水平為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 、6.5mg/L。
1.4 分析方法
NH4+-N的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009);COD的測(cè)定采用密閉回流滴定法(APHA 2005);pH的測(cè)定采用玻璃電極法(GB/T 6920—1986)。
圖形繪制采用Microsoft Office Visio 2003軟件;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Origin 8.5軟件。
2 結(jié)果與討論
2.1 自然掛膜法與接種掛膜法的比較
在整個(gè)30 d的掛膜試驗(yàn)期間,進(jìn)行了接種掛膜法和自然掛膜法的比較,結(jié)果分別見圖 2和圖 3。
圖 2 接種掛膜法和自然掛膜法進(jìn)出水COD的變化
由圖 2和圖 3可知,對(duì)于接種掛膜法,經(jīng)過30 d的掛膜,出水COD和NH4+-N分別降至43.9、15.3mg/L,COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到85.3%和67.8%。采用接種掛膜法,在前6 d,COD的去除效果較差,COD去除率為49.5%,但明顯高于自然掛膜法COD的去除率(15.6%),這主要由于2個(gè)方面原因:(1)接種掛膜開始階段,微生物量少且沒有完全適應(yīng)試驗(yàn)水質(zhì);(2)接種掛膜法開始階段的悶曝過程使填料表面附著有一定的微生物,這些微生物的生長繁殖消耗掉部分有機(jī)污染物,致使其COD去除效果要好于自然掛膜法。隨著掛膜時(shí)間的增加,沸石表面微生物量逐漸增多,COD去除率逐步上升。在第17天,COD去除率超過了80%;在第18~30天,COD去除率穩(wěn)定在85%左右,最高為86.9%,出水水質(zhì)穩(wěn)定。
在生物膜反應(yīng)器接種掛膜階段,NH4+-N的去除要比COD的去除慢。第7天,COD去除率超過50%,而NH4+-N去除率僅有26.6%;NH4+-N去除率在第22~30天穩(wěn)定在65%左右,出水NH4+-N為13.7~15.8mg/L。這主要由于硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競爭處于劣勢(shì)地位,其增長速度也較慢,只有當(dāng)易降解的有機(jī)污染物被去除后,硝化細(xì)菌才能成為優(yōu)勢(shì)菌群。
與接種掛膜法相比,自然掛膜法在開始階段COD和NH4+-N去除率明顯較低。自然掛膜第6天,COD和NH4+-N去除率分別為15.6%和9.8%,明顯低于此時(shí)的接種掛膜法COD和NH4+-N去除率(分別為49.5%和23.4%),這主要由于2個(gè)方面原因:(1)自然掛膜初期,沸石填料附著的生物量較少,COD和NH4+-N的去除主要由沸石吸附完成;(2)由于本試驗(yàn)采用的是人工模擬生活廢水,其懸浮物含量少,增加了生物膜掛膜的難度,要達(dá)到接種掛膜法中COD和NH4+-N的去除效果,則需要更長的時(shí)間(但在生物膜反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中,實(shí)際生活污水中懸浮物濃度較高,會(huì)加快自然掛膜過程)。隨著自然掛膜生物膜的增長,COD和NH4+-N去除率也逐漸增加,在第26~30天,COD和NH4+-N去除率分別穩(wěn)定在84%和60%以上,最高分別達(dá)85.7%和66.2%,出水COD和NH4+-N最低分別降至40.6、16.1mg/L。
由圖 2和圖 3可以看出,當(dāng)掛膜成熟時(shí),采用接種掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為85.3%和67.8%,采用自然掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為84.6%和66.2%,這表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí),可不需要添加接種污泥,直接采用自然掛膜法即可。
2.2 生物膜反應(yīng)器主要影響因素研究
2.2.1 HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響
在DO為3.0mg/L的條件下,考察了HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響,結(jié)果如圖 4所示。
由圖 4可知,在DO控制在3.0mg/L時(shí),隨著HRT的增加,COD和NH4+-N去除率逐漸上升。當(dāng)HRT為1h時(shí),COD和NH4+-N去除率分別僅為55.6%和28.5%,這主要由于以下3個(gè)方面原因:(1)HRT過短,導(dǎo)致微生物不能完全分解代謝易降解的有機(jī)污染物質(zhì);(2)HRT過短,微生物沒有足夠的分解代謝時(shí)間,且硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競爭處于劣勢(shì)地位,導(dǎo)致NH4+-N去除率更低;(3)HRT過短,導(dǎo)致進(jìn)水量增加,造成對(duì)生物膜沖刷力增強(qiáng),使一部分微生物隨水流失,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此時(shí)的出水濁度明顯增加。當(dāng)HRT增加至6~8h時(shí),COD去除率穩(wěn)定在90%以上,NH4+-N去除率穩(wěn)定在80%以上,可以保證出水的達(dá)標(biāo)排放。
2.2.2 DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響
在HRT為6h的條件下,考察了DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響,結(jié)果如圖 5所示。
由圖 5可以看出,隨著DO的增加,COD和NH4+-N去除率均先上升然后趨于一致。當(dāng)DO為1.0mg/L時(shí),COD和NH4+-N去除率較低,這是因?yàn)樯锬し磻?yīng)器內(nèi)DO不足,致使好氧異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌在分解代謝過程中缺乏電子受體,不能持續(xù)地降解有機(jī)污染物質(zhì)和氨氮。隨著DO的增加,生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果明顯增強(qiáng),當(dāng)DO為4.0mg/L時(shí),COD和NH4+-N去除率分別為90.2%和85.5%,這表明溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是,過高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果,甚至?xí)兴档,這主要是由于當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定時(shí),在一定的HRT條件下,生物膜反應(yīng)器內(nèi)的COD和NH4+-N負(fù)荷是一定的,而當(dāng)?shù)孜餄舛炔蛔儠r(shí),提高DO不能顯著提高底物的去除效果;此外,過高的曝氣量對(duì)生物膜有較強(qiáng)的沖刷作用,會(huì)使有活性的生物膜隨出水流失。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,必須根據(jù)待處理廢水的水質(zhì)特點(diǎn)來探究最佳的HRT和DO濃度。具體參見http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)生物膜反應(yīng)器接種掛膜法和自然掛膜法的比較結(jié)果表明,采用自然掛膜法完全可以取得接種掛膜法的效果。在整個(gè)30 d的掛膜過程中,接種掛膜法在初期階段去除COD和NH4+-N的能力要強(qiáng)于自然掛膜法,但掛膜成熟后,2種掛膜方法的COD和NH4+-N去除率沒有明顯差異,表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí),可不需要添加接種污泥,直接采用自然掛膜法即可。
(2)HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)污染物和氨氮有著重要影響。增加HRT,可顯著提高生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果。
(3)DO是影響生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)污染物和氨氮的另一個(gè)重要因素。DO過低,會(huì)使微生物因缺乏電子受體而分解代謝緩慢,導(dǎo)致COD和NH4+-N去除率較低;溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是,過高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果,甚至?xí)兴档汀?/P>