李 芳,崔紅梅 ,呂炳南
(1東北石油大學土木建筑工程學院給水排水工程專業(yè),黑龍江 大慶163318;2黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室,黑龍江 大慶163318;3哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院市政工程系,黑龍江 哈爾濱150090)
研究開發(fā)
生物轉盤同步去除化學需氧量和氮的實驗研究
李 芳1,2,崔紅梅1,2,呂炳南3
(1東北石油大學土木建筑工程學院給水排水工程專業(yè),黑龍江 大慶163318;2黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室,黑龍江 大慶163318;3哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院市政工程系,黑龍江 哈爾濱150090)
采用單軸三級生物轉盤(RBC),進行了生物轉盤同步去除化學需氧量和氮的試驗研究。水溫度15 ℃,進水COD濃度為400mg/L左右時,轉盤對化學需氧量的去除率達到85%左右。控制適宜的堿度,轉盤系統(tǒng)氨氮的硝化率在75%左右、總氮(TN)的去除率在50%左右。增設硝化液回流系統(tǒng)后,總氮的去除率顯著提高,特別是回流比為200%時,TN去除率在低溫下可達73.87%。實驗表明生物轉盤對化學需氧量和氮有較好的同步去除效果。
生物轉盤;總氮的去除率;化學需氧量的去除率;回流比
生物轉盤法是一種膜生物處理技術,起步于20世紀50~60年代[1]。因其具有凈化效率高、耗能低、進水負荷高和易管理等優(yōu)點[2],在生活污水[3]和有機廢水[4]、含酚廢水[5]、石化廢水[6-7]等工業(yè)廢水處理領域得到了廣泛的應用。它除被用于去除水中的含碳化合物外,也可以用于脫氮。美國和日本等國,近年來對生物轉盤的運用已擴大到污水的脫氮工藝中。Gupta等[8-9]采用多級生物轉盤系統(tǒng)對合成廢水及城市污水中的碳、氮同步去除進行了研究,取得了較好的效果。但是國內在這方面尚未展開較系統(tǒng)的應用研究。本文應用三級生物轉盤,對污水的同步去除碳和氮進行系統(tǒng)研究,為生物轉盤在污水同步去除碳和氮的工程應用提供有價值的參考。
1.1 實驗裝置
本實驗采用單軸三級生物轉盤裝置,轉盤的盤片為孔隙率96%的特殊網狀載體,有利于微生物的附著生長。主要技術參數(shù)見表1。
裝置見圖1。水箱內的水經蠕動泵打入第一級氧化槽的首端,依次流經二、三級生物轉盤,最后進入二沉池,進行泥水分離。
表1 生物轉盤的主要技術參數(shù)
圖1 生物轉盤實際裝置圖(啟動階段)
1.2 實驗用水水質
實驗用水水質見表2。
表2 實驗用水水質
1.3 水質分析方法及主要試劑
實驗中水質分析方法及主要試劑見表3。
1.4 實驗啟動
啟動開始,每天向反應器內投加一定量的污泥(取自大慶市東城區(qū)污水處理廠)。進水COD為400 mg/L左右,水力停留時間24 h,進行生物膜的培養(yǎng)。7天后COD的去除率可達到46%左右,15天達到66%左右。17天后,水力停留時間改為10 h,進水有機物濃度不變,26~36天,COD的去除率保持在75%~85%,生物轉盤啟動成功。
表3 水質分析方法及主要試劑及儀器
2.1 COD的處理效果
水力停留時間調整為 8 h,轉盤轉速 5~15 r/min,水溫15 ℃左右。此時轉盤各級均好氧運行。各級溶解氧見表4。
表4 生物轉盤各級溶解氧濃度
生物轉盤對COD有較好的去除效果。見圖2。
在進水COD濃度為400 mg/L左右時,COD去除率均值85%,起主要有機物降解作用的是第一級轉盤。該轉盤盤片采用新型網狀材料,盤片與傳統(tǒng)盤片相比具有較大的比表面積和孔隙率,有利于微生物的附著、生長與繁殖,單位面積的網狀盤片上的生物量是普通盤片的2~3倍。雖然水溫較低但生物量大,COD的去除效果較好。
2.2 氨氮的處理效果
由圖3可見,此時氨氮的硝化率一般在60%左右。硝化細菌的生長除了對營養(yǎng)物質的需求外,還需要一定的外界環(huán)境條件。主要原因有兩個:首先運行溫度偏低。溫度是影響細菌生活的重要環(huán)境條件之一。硝化細菌屬于中溫菌,最適生長溫度為25~30 ℃[10]。而運行中的溫度只有15 ℃。這大大影響了細菌的生長繁殖速率,進而影響了氨氮的硝化率。其次堿度過低。采集水樣測定堿度,1、2、3級轉盤內的堿度分別為 92 mg/L、20.1 mg/L、3.1 mg/L(以CaCO3計)。
配水時加入NaHCO3為25 g/300L調節(jié)堿度。氨氮的去除效果見圖4。
加入碳酸氫鈉調節(jié)堿度后,1、2、3級的堿度分別為104.6 mg/L、50.5 mg/L、22 mg/L。如圖4所示調節(jié)堿度后,氨氮的去除率有所上升,即硝化率提高了,由原來的60%左右升高到75%左右。
2.3 硝酸鹽氮的變化
由圖5可見未外加堿度時生物轉盤1、2、3級硝酸鹽氮的濃度分別在4 mg/L、5 mg/L、9 mg/L左右,硝化率較低。由圖6可見調節(jié)堿度后第三級出水硝酸鹽氮含量大幅度提高,出水值在20 mg/L左右。硝化反應過程生成一定量的酸,會使系統(tǒng)的堿度不斷下降,抑制了硝化反應的進行,加入堿后,中和一部分生成的酸,提高了系統(tǒng)的硝化率。所以氨氮的去除率上升,硝酸鹽氮的含量增加。
2.4 亞硝酸鹽氮的變化
在生物轉盤的整個運行過程中亞硝酸鹽氮的含量一直很低,圖7所示。通常各級亞硝酸鹽氮的濃度均在0.5 mg/L以下。原因是溫度過低,高溫更有利于亞硝化細菌的生長繁殖[10]。調解堿度后亞硝酸鹽氮的濃度亦無較大變化??赡苁怯捎谏镛D盤具有同步硝化反硝化的功能,一部分生成的亞硝酸鹽被還原成氮氣,所以堿度調節(jié)前后亞硝酸鹽氮的變化不大。
2.5 總氮的處理效果
由圖8可見:溫度15 ℃左右時,系統(tǒng)對總氮的去除率在50%左右。去除的氮量超過了生物自身生長繁殖所需要的氮量,證明了生物轉盤有一定的除氮功能。起主要脫氮作用的是第一級轉盤,原因是第一級轉盤內由于進水有機物含量較高,微生物生長繁殖較快,轉盤的生物膜厚度大,膜內的厭氧、缺氧環(huán)境范圍大,為反硝化菌的生長繁殖提供了一定的空間,反硝化脫氮的效果較好。另外由圖6可知第一級轉盤出水硝酸鹽氮的含量低于原水硝酸鹽氮的含量,減少的部分被反硝化菌還原為氮氣,而二、三級轉盤的硝酸鹽氮含量是逐漸增加的,也說明了第一級轉盤起主要脫氮作用。但是出水總氮濃度仍然較高,在20~25 mg/L左右。
2.6 增設回流系統(tǒng)的實驗結果和討論
由于轉盤出水硝酸鹽氮含量較高,說明反硝化效果不好。增加了硝化液回流系統(tǒng),出水由二沉池上部回流至進水口,同時調節(jié)轉速至5 r/m in,以減小氧化槽內的溶解氧濃度,更有利于反硝化反應的進行。不同的回流比時,生物轉盤約運行21天。
表5 不同回流比時總氮的去除效果
由表5可知,增加回流后,總氮的去除率提高。在回流比為100%、200%、300%時,總氮的去除率分別為58.53%、73.87%、66.30%。
RBC的轉速降低,各級溶解氧的濃度隨之下降,生物膜內部缺氧環(huán)境范圍擴大。硝化液回流至反應器前端,為系統(tǒng)的反硝化反應又提供了足夠的反應底物,有利于各級內反硝化菌的生長、繁殖。所以增加了硝化液循環(huán)系統(tǒng)后,總氮的去除率顯著提高。
隨著回流比的增加,TN和COD的去除率均有增加。在回流比為200%,TN去除效果好于100%和300%。這是因為回流比小時DO濃度過低,生物絮凝體內微環(huán)境傾向于向缺氧或厭氧狀態(tài)發(fā)展,提高了系統(tǒng)的反硝化能力,但會對一部分硝化菌產生抑制作用,影響了硝化反應。硝化率下降,反硝化反應沒有足夠的底物,導致整體的脫氮率不高。所以回流比為100%,總氮的去除率僅為58.53%。回流比繼續(xù)增加,使氧化槽內的溶解氧值隨之增大?;亓鞅葹?00%,總氮的去除率為73.87%?;亓鞅壤^續(xù)增加到300%,DO濃度也繼續(xù)增加,氧的穿透能力增強,使得生物膜內部缺氧和厭氧區(qū)域范圍縮小,有利于提高NH+4-N的去除率,但卻大大降低了系統(tǒng)的反硝化能力,進而降低了對 TN的去除率[11]。所以回流比為 300%時,去除率降低到66.30%。
(1)轉盤系統(tǒng)由于生物量較大除碳效果較好,水力停留時間8 h,溫度15 ℃,在進水COD濃度為400 mg/L左右時,COD去除率均值85%。
(2)氨氮的硝化率一般在60%~70%之間,系統(tǒng)運行時應注意添加堿防止硝化率的下降。
(3)總氮的去除率在 50%左右。增設硝化液回流系統(tǒng)后,總氮的去除率顯著提高,特別是回流比為200%時,TN去除率可達73.87%.
(4)裝置在15 ℃對C和N仍有較好的同步去除效果,所以生物轉盤在氣溫較低地區(qū)有一定的應用前景。
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COD and nitrogen removal w ith rotating biological contactor
LI Fang1,2,CUI Hongmei1,2,Lü Bingnan3
(1Department of Water Draining and Supply,School of Civil Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention,M itigation and Protection Engineering,Daqing 163318,Heilongjiang,China;3School of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,Heilongjiang,China)
A 3-stage rotating biological contactor was used to study simultaneous removal of COD and nitrogen. When temperature was 15 ℃ and influent COD concentration was about 400mg/L,removal rate of COD was about 85% . Through controlling proper alkalinity nitrification rate of ammonia was about 75% and removal rate of TN was about 50%. After addition of a nitrification liquid circulation system,removal rate of TN,at reflux ratio of 200% increased to 73.87 %. Experimental results showed good effect of rotating biological contactor on removing COD and nitrogen.
rotating biological contactor;removal rate of total nitrogen;removal rate of COD;reflux ratio
X 703
A
1000–6613(2012)–07–1615–05
2012-02-10;修改稿日期:2012-02-24。
及聯(lián)系人:李芳(1979-),女,碩士,講師,主要研究方向為污水及含油污泥處理。E –mail lif1216@163.com。