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        MBBR 工藝用于工業(yè)廢水強(qiáng)化去除氮素的研究分析

        2020-09-09 04:18:38夏超周浩然周家中李志偉王書波
        工業(yè)用水與廢水 2020年4期
        關(guān)鍵詞:氧區(qū)生物膜硝化

        夏超, 周浩然, 周家中, 李志偉, 王書波

        (青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司, 山東 青島 266555)

        工業(yè)廢水由于其成分復(fù)雜、 水質(zhì)水量波動(dòng)大、存在有毒有害物質(zhì)等特點(diǎn)[1], 在出水水質(zhì)要求越來(lái)越高, 且污水處理廠面臨進(jìn)水超量的情況下, 使用傳統(tǒng)工藝很難保障出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

        移動(dòng)床生物膜反應(yīng)(MBBR)是一種將生物膜法與活性污泥相結(jié)合的高效廢水處理工藝, 兼具生物接觸氧化和生物流化床的優(yōu)點(diǎn), 在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速[2-3], MBBR 可實(shí)現(xiàn)在不增容不擴(kuò)建的條件下對(duì)現(xiàn)有污水處理廠的升級(jí)改造, 已成為目前污水處理廠升級(jí)改造的主要方法之一[4-7]。

        浙江省某工業(yè)廢水處理廠承擔(dān)著周邊工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)廢水和生活污水處理, 其中70% 為工業(yè)廢水, 主要為印染廢水、 紡織廢水、 化工廢水等。 為了滿足出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn), 以及周圍廠區(qū)不斷增加的廢水排放量的要求, 將原A2/O 工藝改造為A2/O-MBBR 工藝。 本研究以該污水處理廠提標(biāo)提量改造為例, 對(duì)比了改造前后的氨氮、 TN 的去除效果, 分析研究了A2/O-MBBR 工藝沿程各單元對(duì)氨氮和TN 的去除效果, 并對(duì)懸浮載體和活性污泥進(jìn)行高通量測(cè)序分析, 以期為同類污水處理廠運(yùn)行及相關(guān)工程應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)支撐。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 MBBR 池分區(qū)設(shè)計(jì)

        該污水處理廠原采用A2/O 工藝, 通過(guò)向好氧區(qū)原位投加懸浮載體, 將其改造為A2/O-MBBR 工藝。 為達(dá)到分類富集功能菌和降低工程改造施工量的目的, MBBR 池實(shí)際采用2 個(gè)分區(qū), 中間設(shè)攔截篩網(wǎng), 使懸浮載體專性富集[8]。 廢水經(jīng)MBBR-1 區(qū)進(jìn)入MBBR-2 區(qū), MBBR-2 區(qū)對(duì)MBBR-1 區(qū)起保障作用。 實(shí)際運(yùn)行控制內(nèi)外回流比均為100%, 生化池污泥濃度為3 ~4 g/L, 好氧區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度為2 ~3 mg/L。 生化池總停留時(shí)間為13 h。

        MBBR 池型采用微動(dòng)力混合池型, 該池型有別于傳統(tǒng)MBBR 工藝常用的循環(huán)流動(dòng)池型, 在無(wú)需推流的作用下通過(guò)合理布置曝氣, 即可保障懸浮載體的良好流化。 池內(nèi)投加SPR_II 型懸浮載體, 直徑為(25±0.5) mm, 厚為(10± 1) mm, 有效比表面積大于620 m2/m3, 符合CJ/T 461—2014《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 掛膜前其比重略小于水(0.94 ~0.97), 掛膜后比重與水接近[9]。 懸浮載體掛膜前后效果如圖1 所示。

        圖1 懸浮載體掛膜前后效果Fig. 1 Effect of suspended carrier before and after biofilm culturing

        1.2 生化單元進(jìn)出水水質(zhì)

        MBBR 單元用于污水處理廠二級(jí)處理, 本研究主要分析氨氮和TN。 由于污水處理廠一級(jí)處理單元基本采用格柵和沉砂, 主要去除大塊漂浮物和砂礫, 對(duì)氨氮和TN 幾乎沒(méi)有去除, 三級(jí)處理單元僅含磁混凝-紫外消毒, 無(wú)反硝化脫氮處理單元, 故實(shí)際出水TN 和氨氮即為MBBR 工藝出水TN 和氨氮。 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

        1.3 沿程測(cè)試方法

        根據(jù)生化池功能區(qū)布置, 分別取生化池進(jìn)水、缺氧區(qū)出水、 MBBR-1 區(qū)和MBBR-2 區(qū)出水, 分析沿程各功能區(qū)對(duì)氨氮和TN 的去除效果。 取樣點(diǎn)位于以上各功能區(qū)末端。 取樣后立即靜置澄清取上清液, 將其放入冰箱中冷藏保存。 每個(gè)取樣點(diǎn)取3 次,取樣時(shí)間間隔4 h, 混合后測(cè)定氨氮和TN 濃度。

        表1 污水處理廠生化池進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Influent and effluent water quality of biochemical tank in wastewater treatment plant

        1.4 分析方法

        氨氮和TN 分別采用納氏試劑分光光度法和堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定, 溶解氧和溫度采用WTWMulti-3430i 進(jìn)行離線測(cè)定。

        1.5 高通量測(cè)序

        高 通 量 測(cè) 序 通 過(guò) 試 劑 盒(E.Z.N.AMag-Bind-SoilDNAKit)提取微生物基因組DNA, 通過(guò)1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提基因組的完整性, 利用Qubit3.0DNA 試 劑 盒 檢 測(cè) 基 因 組DNA 濃 度。 PCR擴(kuò)增所用引物為341F/805R。 PCR 產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳, 通過(guò)DNA 膠回收試劑盒(SanPrep)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行回收, 利用Qubit3.0DNA 檢測(cè)試劑盒對(duì)回收的DNA 精確定量, 按照1 ∶1 的等量混合后測(cè)序, 等量混合時(shí), 每個(gè)樣品DNA 量取10 ng, 最終上機(jī)測(cè)序濃度為20 pmol, 通過(guò)IlluminaMiseq 測(cè)序平臺(tái)完成對(duì)樣品高通量測(cè)序。

        用UPARSE 軟件(version7.1)根據(jù)97% 的相似度進(jìn)行OTU 聚類; 用UCHIME 軟件剔除嵌合體。利用RDPclassifier 對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)Silva 數(shù)據(jù)庫(kù)(SSU123), 設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 MBBR 工藝對(duì)氨氮、 TN 去除效果分析

        研究分析了2019 年1 月1 日至6 月25 日共計(jì)176 d 的運(yùn)行數(shù)據(jù)(包含整個(gè)冬季運(yùn)行階段), 并與改造前同期2018 年1 月1 日至6 月25 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 污水處理廠改造前后氨氮的去除效果見圖2。

        改造前, 污水處理廠生化池進(jìn)出水氨氮平均質(zhì)量濃度分別為(9.16±1.42) mg/L、 (1.29±0.86)mg/L, 氨氮去除率均值為85.92%; 改造后, 進(jìn)出水氨氮平均質(zhì)量濃度為(9.28±1.17)mg/L、 (0.76±0.55)mg/L, 氨氮去除率均值為91.81%。 改造后出水氨氮濃度明顯下降且更加穩(wěn)定, 完全可以達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 同時(shí), 處理水量由3×104m3/d 增加至4×104m3/d, 結(jié)合生化池進(jìn)出水氨氮濃度、 好氧區(qū)MBBR 池容及處理水量計(jì)算可知, 生化池氨氮處理能力從0.040 kg/(m3·d)增加至0.052 kg/(m3·d), 增大了30%, 分析其原因主要是通過(guò)在好氧區(qū)投加懸浮載體, 形成附著態(tài)生物膜, 生物膜的泥齡大于30 d, 有利于長(zhǎng)泥齡的硝化菌群的富集[10]。 此外, 懸浮載體的掛膜過(guò)程與胞外聚合物(EPS)密不可分, 當(dāng)微生物活性越強(qiáng)時(shí),EPS 分泌越旺盛, 越容易掛膜。 微生物活性減弱時(shí), EPS 分泌減少, 在流化水力剪切的作用下老化生物膜脫離, 實(shí)現(xiàn)生物膜的自然動(dòng)態(tài)更新, 保障了懸浮載體上的微生物一直處于較高的活性[11]。

        圖2 改造前后氨氮去除效果Fig. 2 Ammonia nitrogen removal before and after modification

        污水處理廠改造前后TN 去除效果見圖3。

        圖3 改造前后TN 去除效果Fig. 3 TN removal before and after modification

        改造前, 生化池進(jìn)出水TN 平均質(zhì)量濃度分別為(26.72±6.12)mg/L、 (9.52±2.02)mg/L, 平均去除率為63.4%, 且出水濃度波動(dòng)較大, 不穩(wěn)定; 改造后, 進(jìn)出水TN 平均質(zhì)量濃度分別為(25.14±5.67)mg/L、 (7.62±1.87) mg/L, 平均去除率為69.7%。由于該污水處理廠接納的工業(yè)廢水都是先經(jīng)過(guò)各自預(yù)處理后再排入污水處理廠, 實(shí)際進(jìn)水COD 濃度和m(BOD5)/m(COD)都較低, 進(jìn)水碳氮比不足3。為了節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用, 污水處理廠還加入部分COD濃度高的工業(yè)廢水(如對(duì)甲基苯酚、 石油廢水上清液等)進(jìn)行處理, 每天投加量約為60 m3, 除此之外不額外投加純碳源。 從圖3 還發(fā)現(xiàn), 2019 年2 月1 日前后出水TN 濃度明顯高于其他時(shí)期, 這是因?yàn)榕R近春節(jié), 附近工廠基本停產(chǎn), 進(jìn)水COD 濃度下降導(dǎo)致出水TN 濃度升高, 但出水仍滿足GB 18918—2002 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。 2019 年3 月以后隨著生物膜的成熟穩(wěn)定, TN 去除效果趨于穩(wěn)定,出水TN 平均質(zhì)量濃度為6.2 mg/L, 實(shí)際脫氮負(fù)荷由0.019 kg[N]/(m3·d)增 加 至0.026 kg[N]/(m3·d), 上升了36.8%。 而實(shí)際改造過(guò)程中并沒(méi)有增大缺氧區(qū)的池容, 脫氮能力的提升一方面可能是由于硝化效果良好, 提高了回流硝態(tài)氮的濃度, 另一方面可能是好氧區(qū)懸浮載體生物膜的存在, 發(fā)生了同步硝化反硝化(SND)過(guò)程。

        2.2 生化池沿程氮素分析

        由于內(nèi)外回流的稀釋作用, 各功能區(qū)實(shí)際去除量按照該功能區(qū)進(jìn)出水氨氮濃度差值× 流量倍數(shù)的方式計(jì)算。 流量倍數(shù)指考慮到內(nèi)外回流量經(jīng)過(guò)該功能區(qū)的總流量與實(shí)際進(jìn)水量的比值。 如設(shè)計(jì)進(jìn)水量為Q, 流經(jīng)厭氧區(qū)時(shí), 有污泥回流, 如果污泥回流比為r, 則厭氧區(qū)實(shí)際的進(jìn)水為Q + rQ,(1+r)即為厭氧區(qū)的流量倍數(shù), 同理缺氧區(qū)的流量倍數(shù)為(1+r+R)。

        為驗(yàn)證生化段各功能區(qū)對(duì)氨氮和TN 的去除效果, 進(jìn)行了沿程測(cè)定, 結(jié)果見圖4。

        圖4 沿程斷面氮素分析Fig. 4 Nitrogen analysis along fracture surface section

        從圖4 可以看出, 氨氮在好氧MBBR-1 區(qū)、MBBR-2 區(qū)均有去除, 在MBBR-1 區(qū)去除的氨氮量是MBBR-2 區(qū)的3 倍左右, 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)好氧MBBR 區(qū)存在明顯的TN 去除現(xiàn)象。 厭缺氧區(qū)、 好氧MBBR-1 區(qū)、 MBBR-2 區(qū)的TN 去除率分別為54.15%、 7.48%、 21.53%, 總?cè)コ蕿?3.16%; 好氧區(qū)TN 去除率為29%, TN 去除貢獻(xiàn)率達(dá)到34.9%。在對(duì)生化段進(jìn)行多次沿程分析之后, 發(fā)現(xiàn)好氧MBBR 區(qū)均存在穩(wěn)定的SND 過(guò)程, TN 去除率均在20%~30%之間。

        生物膜上典型的缺/好氧微環(huán)境為好氧區(qū)SND創(chuàng)造了可能, 溶解氧在從生物膜表面向內(nèi)層傳遞的過(guò)程中存在濃度梯度, 生物膜表層為硝化細(xì)菌, 將氨氮氧化為硝酸鹽氮, 隨著溶解氧傳遞濃度的下降, 生物膜內(nèi)層為缺氧環(huán)境, 因此在生物膜內(nèi)層可以生長(zhǎng)反硝化菌, 將硝酸鹽氮還原為氮?dú)猓?2-14]。 同時(shí)由于懸浮載體對(duì)功能微生物有富集作用, 進(jìn)一步促進(jìn)了好氧區(qū)SND 的發(fā)生, 強(qiáng)化了碳源的有效利用。 對(duì)于進(jìn)水基質(zhì)濃度不高的污水處理廠, 甚至可完全節(jié)約外投碳源, 使得MBBR 除了在池容上做到深度挖潛外, 真正實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)利用上的深度挖潛, 應(yīng)用前景廣闊[15]。 對(duì)眾多使用MBBR 的污水處理廠進(jìn)行調(diào)研, 發(fā)現(xiàn)在好氧填料區(qū)均存在顯著的SND 現(xiàn)象, TN 去除量為3 ~8 mg/L, 對(duì)于基質(zhì)濃度較高的污水處理廠, SND 效果更佳顯著[16-17]。

        2.3 MBBR 微生物分析

        為進(jìn)一步探究懸浮載體的作用, 對(duì)該污水處理廠投加的懸浮載體和活性污泥進(jìn)行了高通量測(cè)序分析, 結(jié)果如表2 所示。

        表2 不同區(qū)域功能菌種占比Tab. 2 Proportion of functional strains in different regions

        3 組樣品中均存在大量的Mycobacterium, 在MBBR-1 區(qū)存在較多的Lactococcus, 這2 種微生物均具有脫碳性能, 可以強(qiáng)化去除廢水中的難降解有機(jī)物。 MBBR-2 區(qū)存在大量的Acinetobacter, 該菌種多為反硝化除磷菌, 部分菌屬還具備異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力。 除此之外, 在懸浮載體中也檢測(cè)出其他反硝化菌的存在, 如Ferruginibacter、Hyphomicrobium 等。 反硝化菌在懸浮載體和污泥中的相對(duì)豐度分別為3.84%、 28% 和4%。 反硝化菌群在懸浮載體上存在, 尤其是MBBR-2 的Acinetobacter 相對(duì)豐度高達(dá)25%以上, 為MBBR-2區(qū)21.53%的TN 去除率提供了微觀基礎(chǔ)。

        系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)硝化菌群為Nitrospira, 其在MBBR-1 區(qū)、 MBBR-2 區(qū)懸浮載體中的相對(duì)豐度分別為5.70%、 10.73%, 在活性污泥中為1.25%。 結(jié)合懸浮載體生物膜生物量和活性污泥濃度計(jì)算硝化菌的含量, 結(jié)果顯示系統(tǒng)中64.7% 的硝化菌來(lái)自懸浮載體, 35.3% 來(lái)源于污泥, 表明在硝化過(guò)程中, 懸浮載體起到了重要的作用。

        對(duì)比其他采用MBBR 工藝進(jìn)行升級(jí)改造并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠發(fā)現(xiàn), Nitrospira 均是硝化菌群的優(yōu)勢(shì)菌種, 且在懸浮載體生物膜中的平均占比可達(dá)15% 以上, 而在活性污泥中平均占比僅為2%, 顯示了MBBR 在極大程度上強(qiáng)化了對(duì)硝化菌的富集作用[18]。

        3 結(jié)論

        (1) 采用MBBR 工藝對(duì)工業(yè)廢水原池提標(biāo)提量升級(jí)改造, 改造后水量增加至4×104m3/d, 提升33%; 改造后出水氨氮、 TN 的質(zhì)量濃度分別為(0.76±0.55)、 (7.62±1.87)mg/L, 氨氮和TN 去除負(fù)荷分別提升了30%和36.8%。 可以穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

        (2) 沿程氮素分析結(jié)果表明, MBBR-1 區(qū)懸浮載體的硝化性能優(yōu)于MBBR-2 區(qū), 其活性為MBBR-2 區(qū)的近3 倍。 相比于活性污泥法, MBBR工藝具有更好的處理效果, 保證了系統(tǒng)氮素穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。 好氧MBBR 區(qū)存在20%~30% 的TN 去除率,保障了出水TN 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

        (3) 懸浮載體對(duì)于硝化菌和反硝化菌都具有良好的 富 集 效 果。 MBBR-1、 MBBR-2 區(qū) 懸 浮 載 體Nitrospira 的相對(duì)豐度分別為5.70%、 10.73%, 遠(yuǎn)大于活性污泥的1.25%。 反硝化菌相對(duì)豐度分別為3.84%、 28%, 也為MBBR 區(qū)SND 提供了微觀基礎(chǔ)。

        (4) 工程實(shí)踐表明, 采用MBBR 工藝可強(qiáng)化氮素去除, 出水水質(zhì)穩(wěn)定, 適用于工業(yè)廢水提標(biāo)提量改造。

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