穆德穎
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,哈爾濱150076)
隨著城市人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,污水排放量也日益增加,我國污水處理廠必定經(jīng)歷由規(guī)模小、水平低、品種單一、嚴(yán)重不能滿足需求到具有相當(dāng)規(guī)模和水平、品種質(zhì)量顯著提高和初步滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的轉(zhuǎn)變,在這一過程中,處理費(fèi)用的降低和工藝流程的簡化是最優(yōu)的決策方案[1].以其在節(jié)約運(yùn)行能源,節(jié)省占地面積,降低基建或改造費(fèi)用等方面的顯著優(yōu)勢(shì),短程硝化反硝化脫氮工藝引發(fā)了污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),而利用掛膜后的懸浮載體處理廢水更兼具了傳統(tǒng)活性污泥法,生物接觸氧化法和生物流化床三種工藝優(yōu)點(diǎn);懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法相結(jié)合,形式多變,可直接投放,脫氮效果明顯,發(fā)展空間與潛力大[2-3].
反應(yīng)器所用的材料為無色透明有機(jī)玻璃,相當(dāng)于SBR反應(yīng)器,總?cè)莘e為5 L,有效容積為4 L,反應(yīng)器下方為沉淀區(qū),并設(shè)有曝氣充氧裝置(如圖1所示).
圖1 試驗(yàn)裝置
以本實(shí)驗(yàn)室配置的模擬生活污水為試驗(yàn)用水,由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀及碳酸氫鈉等物質(zhì)組成主要水質(zhì)指標(biāo),微量元素由小劑量的MgS04·7H2O,CaC12·2H2O,F(xiàn)eSO4·2H2O,KCl合成.配水水質(zhì)變化如下:葡萄糖(以COD計(jì))340~420 mg/L,NH4Cl 35 ~55 mg/L,KH2PO45 ~ 8 mg/L,NaHCO3(以 CaCO3計(jì))200 ~300 mg/L[4-5].
參照《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)分析方法》(第四版)對(duì)試驗(yàn)中所有的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析檢測(cè),具體的分析項(xiàng)目,方法及使用的主要儀器見表1、2.
表1 水質(zhì)檢測(cè)分析方法
表2 使用的主要儀器和設(shè)備
填料的性能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響巨大,對(duì)于填料綜合考慮了其機(jī)械強(qiáng)度、孔隙度及表面粗糙度和對(duì)生物膜活性的影響等因素,共選取以下四種懸浮填料(見圖2)[6].
填料(A)為BioM微生物膜載體,是高分子材料經(jīng)生物酶促進(jìn)配方改性后的產(chǎn)物,圓形管狀的基體,基體內(nèi)設(shè)有分隔板,各分隔板呈交叉分布;基體外表包裹有至少一層具有較好親水性的表層,微生物親和力強(qiáng),為大量微生物附著生長提供支撐[7].
填料(B)為顆粒陶瓷濾料,呈不規(guī)則球形、表面粗糙,內(nèi)部多孔,質(zhì)量較輕,無毒無害,集過濾、生物吸附和生物氧化為一體.
填料(C)為無剩余污泥懸浮型,該填料由兩個(gè)半圓形塑料球體組成,表面鏤空,中間放置有海綿塊.具有比表面積大,流動(dòng)性強(qiáng),不堵塞等特點(diǎn),能有效減少剩余污泥的排放,并延長系統(tǒng)的使用壽命.
填料(D)為ZH生物硝化菌填料,該填料為聚氨酯材料,呈網(wǎng)狀,空襲直徑約為1~2 mm,形狀和規(guī)格靈活多變,適用于污水的脫氮除磷和懸浮生物濾池的硝化菌載體等.
圖2 四種懸浮填料
試驗(yàn)采用人工強(qiáng)化法和自然培養(yǎng)法兩種方式.向污水中投加大量營養(yǎng)物質(zhì),以促進(jìn)微生物生長繁殖,這種依靠人工調(diào)整達(dá)到微生物富集生長,最終形成生物膜的方法為人工強(qiáng)化法;而自然培養(yǎng)法不需要額外投加營養(yǎng)物質(zhì),反應(yīng)器在正常的條件下運(yùn)行,水中的微生物逐漸在填料上成長繁殖并形成生物膜.對(duì)比試驗(yàn)研究在兩個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行,具體方法如下:
初始污泥投加量按照泥水比2∶10的比率投加,質(zhì)量濃度約為3 500 mg/L;填料按照相同比例投加,共占體積的20%.反應(yīng)器(A)采用自然培養(yǎng)法,在適宜亞硝化菌成長的環(huán)境下運(yùn)行,且只運(yùn)行短程硝化階段;配水的投加與污泥培養(yǎng)階段相同;在試驗(yàn)運(yùn)行階段不排泥,形成生物膜后將底部活性污泥一次性排出.反應(yīng)器(B)采用人工強(qiáng)化法,采用高COD,低溶解氧的方式,在COD達(dá)1 000 mg/L的條件下連續(xù)曝氣12 h后靜置12 h為一個(gè)周期,反復(fù)進(jìn)行3個(gè)循環(huán)后,逐漸提高氨氮的質(zhì)量濃度,降低COD的投加量,最終達(dá)到與反應(yīng)器(A)的配水相同.系統(tǒng)各運(yùn)行階段其他條件不變的情況下,逐步調(diào)整配水,同時(shí)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)延長或縮短好氧時(shí)間.載體表面呈黃褐色絮絨狀,經(jīng)顯微鏡觀察形成立體絨毛狀生物膜后,逐步排除底部的活性污泥,歷時(shí)5 d.
反應(yīng)器(A)掛膜成熟共用21d.掛膜成功后,一周內(nèi)體系對(duì)水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化情況(如圖3),此時(shí)已將系統(tǒng)內(nèi)絮狀活性污泥一次性排除.
圖3 自然掛膜法對(duì)水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化
如圖3所示,在系統(tǒng)活性污泥全部排除的第一天,亞硝酸鹽的累積率仍然維持在原來的水平,但是氨氮的去除率有所下降,僅達(dá)80.3%,出水氨氮質(zhì)量濃度為4.6 mg/L.從第二天開始,盡管按照同樣的方式和配水運(yùn)行,氨氮的入水質(zhì)量濃度卻表現(xiàn)異常,系統(tǒng)中氨氮出水質(zhì)量濃度上升到17.7 mg/L,而氨氮的去除率和亞硝累積率均下降了20%.從第4天起,對(duì)入水前的反應(yīng)器進(jìn)行淘洗,以排除氨氮入水的異常對(duì)系統(tǒng)的影響,方法如下:將靜置一夜的自來水升溫至30℃后,投加到反應(yīng)器中,經(jīng)過沉降,所有填料全部到反應(yīng)器底部后排出上清液,每天第一個(gè)運(yùn)行周期前淘洗1次.經(jīng)過淘洗,入水氨氮穩(wěn)定,但氨氮去除和亞硝累積進(jìn)一步的降低,最終氨氮去除率穩(wěn)定在38% ~42%之間,亞硝的累積率也不足50%.
反應(yīng)器(B)采用人工強(qiáng)化法,經(jīng)過14 d掛膜成熟.將反應(yīng)器中全部絮狀活性污泥排除后的一周內(nèi),系統(tǒng)對(duì)水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化情況如圖4所示.
圖4 人工強(qiáng)化法對(duì)水中COD的去除和氨氮的轉(zhuǎn)化
利用給混合載體掛膜,從時(shí)間上比較,人工強(qiáng)化法有很大的優(yōu)勢(shì),傳統(tǒng)認(rèn)為填料上的生物膜呈黃褐色,膜厚度分布均勻,且對(duì)生物膜和活性污泥來說形成了穩(wěn)定的共存環(huán)境即視為掛膜完成,人工強(qiáng)化法比自然掛膜法少用了7 d時(shí)間達(dá)到通向的效果.分析原因主要是是人工強(qiáng)化法在試驗(yàn)啟動(dòng)階段一高質(zhì)量濃度的有機(jī)配水為水中的微生物提供了充分的COD,有利于促進(jìn)生物體的自身生長;靜置12 h為剛剛增殖出來的微小微生物絮體與載體的接觸創(chuàng)造了最佳的附著環(huán)境,是其迅速附著在載體表面.而在自然掛膜系統(tǒng)中,微生物快速利用水中營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身生長之后,直接進(jìn)入沉淀、排水、靜置階段,使部分微小絮體被排出系統(tǒng)之外,另有部分與相對(duì)體積較大的絮體一同沉淀到反應(yīng)器底部,沒有與懸浮填料充分接觸的條件.與自然掛膜方式比較,在完成的三個(gè)循環(huán)(即12 h曝氣+12 h靜置為一個(gè)循環(huán))后,人工強(qiáng)化系統(tǒng)中載體表面纖細(xì)的絨毛用肉眼就可以觀察到,只是這種絨毛狀物質(zhì)并不能穩(wěn)定在載體表面,當(dāng)反應(yīng)器瞬間進(jìn)水時(shí),絨毛狀物質(zhì)會(huì)大量地從載體上脫落下來[7].
對(duì)水中COD的去除和亞硝的累積,兩個(gè)體系的變化趨勢(shì)完全不同.由于采用逐步排泥,人工強(qiáng)化體系中的微生物能夠適應(yīng)將剩余污泥全部排出的情況,所以,能夠在COD去除率和亞硝累積波動(dòng)后迅速恢復(fù)體系去除有機(jī)物的功能,達(dá)到較好的亞硝化效果.
掛膜方式的比較試驗(yàn)表明,人工掛膜方式以較短的時(shí)間是生物膜成功附著在載體上,同時(shí)對(duì)有機(jī)物的去除效果平均達(dá)到94.8%.掛膜方式確定后,對(duì)4種懸浮載體開展進(jìn)一步的篩選,主要是比較4種懸浮載體掛膜后的短程硝化效果.掛膜后照片如圖5所示,肉眼可見均勻的生物膜已形成.
圖5 四種填料掛膜后照片
對(duì)比四種填料在硝化過程中的氨氮轉(zhuǎn)化情況(圖6).填料(A)為BioM微生物膜載體,高分子材料,具有表面的光滑,但經(jīng)過生物酶促進(jìn)配方的改性,使從理論上來講不利于生物膜的附著載體成為4種載體中最早完成掛膜階段的.填料(A)掛膜穩(wěn)定后對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)化率能持續(xù)在81.3%以上,隨著生物膜的老化脫落,轉(zhuǎn)化效率僅為58.8%,出水氨氮高達(dá)13.4 mg/L.此填料的特點(diǎn)是微生物群落含量高,處理高質(zhì)量濃度污水效率高、效果好,但是當(dāng)污染物質(zhì)量濃度較低時(shí),將不利于微生物的生長和繁殖,極大的影響了污水處理效果[8],這應(yīng)該是造成后期氨氮轉(zhuǎn)化效率低的原因之一.在掛膜穩(wěn)定初期,填料(B)對(duì)氨氮的去除率達(dá)到88.9%,出水氨氮保持在5 mg/L以下,但經(jīng)過長期的運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)陶瓷濾料表面附著著一種半透明膠體物質(zhì),阻礙了載體上生物膜的更新.膠狀物的出現(xiàn)使體系中氨氮的去除率迅速下降,試圖通過適度降低進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度,多次淘洗等方式緩解,但仍未改變整體變壞的趨勢(shì),最終濾料表面被膠體包圍,整個(gè)體系崩潰,并釋放出異味.填料(C)在掛膜階段充分體現(xiàn)了其比表面積大,易掛膜等優(yōu)勢(shì),掛膜完成后,氨氮去除率達(dá)到87.8%.經(jīng)過多個(gè)周期的運(yùn)行,球體的流動(dòng)性變差,將半球分開后發(fā)現(xiàn),其內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)全部被生物膜填滿,使得老化的生物膜不能脫落并水排水排除,阻礙了新生物膜的附著生長;同時(shí)整個(gè)球體的比重增大,流動(dòng)性也變差.本實(shí)驗(yàn)所使用的填料(D)為人工裁剪裁邊長1 cm的方形,在啟動(dòng)階段,載體上的生物膜少,比重輕,且方形載體的四角之間經(jīng)常有摩擦,大量載體懸浮在反應(yīng)器上層,且有相互的黏連.隨著生物膜厚度的增加,生物膜均勻分布于載體內(nèi)部,載體表面光滑,流動(dòng)性和沉降性都大大改善.由于載體上生物膜分布均勻緊湊,并且網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)為新舊生物膜的更新創(chuàng)造了有利條件,所以填料(D)系統(tǒng)對(duì)于氨氮的去除能力逐漸上升,去除率在96.3% ~99.1%之間.
與氨氮的變化趨勢(shì)大體相同,在4種載體中,載體(A)的亞硝酸鹽積累最多,最大質(zhì)量濃度達(dá)到28.6 mg/L,但是由于填料的自身特點(diǎn),導(dǎo)致膜的部分脫落,使載體上和體系中的生物量減少,硝化反應(yīng)受到很大的影響,亞硝積累逐漸減少到11.8 mg/L.掛膜排泥后,載體(B)在短時(shí)間內(nèi),出水亞硝質(zhì)量濃度以最快的速度下降到6.8 mg/L;雖對(duì)體系進(jìn)行了調(diào)整,亞硝累積也有上升的趨勢(shì),見圖7.但是反應(yīng)器的出水渾濁,呈淡乳白色,并且使體系受到了污染.載體(C)在硝化階段,亞硝的峰值能達(dá)到23.7 mg/L,但由于載體體積大,結(jié)構(gòu)封閉等原因,是載體內(nèi)部的生物膜與外界的接觸減小,營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的代謝受阻,最終內(nèi)部生物膜老化死亡;球體表面新生的污泥處理能力有限,過量的負(fù)荷使微生物逐步死亡,這個(gè)體系去除效果下降.在掛膜完成后的24個(gè)周期內(nèi),載體(D)的亞硝累積表現(xiàn)平穩(wěn),亞硝質(zhì)量濃度一直維持在19.3~21.5 mg/L之間.
本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容就是維持長期穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累.通過對(duì)短程硝化階段的在線監(jiān)測(cè),可以利用活性污泥運(yùn)行中DO,ORP和pH值變化的規(guī)律性來反映出生物硝化反應(yīng)的進(jìn)程[9-11].圖8繪制出了DO和pH值隨時(shí)間的變化曲線,以及N、P和COD變化曲線.
圖6 四種填料硝化過程中氨氮的轉(zhuǎn)化
在短程硝化過程中,硝化初始階段的凸點(diǎn)和快速下降直至硝化結(jié)束的凹點(diǎn)是pH值曲線上出現(xiàn)了2個(gè)特征點(diǎn),而DO曲線的變化分為3個(gè)階段,分別為初期的加速下降期、穩(wěn)定期和硝化結(jié)束平臺(tái)期.從DO和pH值兩者反應(yīng)參數(shù)之間變化的相關(guān)性和特征點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間可以推斷,反應(yīng)進(jìn)程中COD的降解和氨氮的轉(zhuǎn)化與DO和pH值的變化有密切的關(guān)聯(lián).微生物對(duì)有機(jī)物和氨氮的吸附階段主要是體系內(nèi)異養(yǎng)微生物對(duì)有機(jī)物和氨氮的吸附和微生物的呼吸作用,表現(xiàn)為pH值不斷升高;同時(shí)異養(yǎng)微生物的消耗使得DO值不斷下降.pH值出現(xiàn)一個(gè)凸點(diǎn)后,又開始不斷下降,因?yàn)橄趸^程本身就是一個(gè)產(chǎn)酸過程,部分是由于微生物利用有機(jī)物產(chǎn)生一些小分子有機(jī)酸釋放到體系中引起的;另外,微生物合成反應(yīng)產(chǎn)生的微量CO2也會(huì)引起體系pH值的小幅下降.
DO值在最初的短時(shí)間內(nèi)融入體系中為微生物利用,表現(xiàn)為加速下降期;硝化菌進(jìn)行硝化反應(yīng)的速率會(huì)隨著氨氮量的減少而不斷降低,所以耗氧速率小于供氧速率,DO產(chǎn)生不斷上升的現(xiàn)象,并基本穩(wěn)定在5.78 ~5.97 mg/L之間;硝化結(jié)束時(shí),自養(yǎng)菌利用氨氮過程已經(jīng)結(jié)束,不再耗氧,而自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌內(nèi)源呼吸的耗氧率又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于供氧率,出現(xiàn)平臺(tái)點(diǎn)此時(shí)系統(tǒng)不再消耗溶解氧,測(cè)得體系氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到最低點(diǎn).
1)將四種不同特性的懸浮載體在自然掛膜和人工強(qiáng)化兩種方法下進(jìn)行掛膜比較試驗(yàn),人工強(qiáng)化法以掛膜時(shí)間短,生物膜穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)成為載體硝化效果優(yōu)化篩選的運(yùn)行方式.
2)對(duì)四種具有不同特性的懸浮載體的對(duì)比試驗(yàn),從中選擇出最優(yōu)的ZH新型高效生物硝化菌填料作為今后試驗(yàn)的最終選擇;同時(shí)四種填料中確定ZH新型高效生物硝化菌填料為最優(yōu).
3)通過在線監(jiān)測(cè)DO、ORP和pH值,利用其變化的規(guī)律性有效控制SBR反應(yīng)器短程硝化反應(yīng)進(jìn)程,維持懸浮填料系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)獲得較高的亞硝積累.
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