張 利
(遼寧省朝陽市喀左縣水利局,遼寧 喀左 122300)
近年來,水體所受到的氮、磷污染物的負(fù)面影響愈來愈嚴(yán)重,解決營(yíng)養(yǎng)物超標(biāo)問題成為水體治理的關(guān)鍵[1]。為此,部分國(guó)家、省市或地區(qū)開始制定更加嚴(yán)格的氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn),這就意味著多數(shù)污水處理廠及新建污水廠,必須提高脫氮除磷性能,大量已建設(shè)好的污水廠也需對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行升級(jí)和強(qiáng)化[2-3]。因此,探尋脫氮除磷效果好的新工藝成為目前污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。
人工快滲技術(shù)作為傳統(tǒng)滲濾技術(shù)的一種升級(jí)版本,是對(duì)城鎮(zhèn)污水廠主流工藝的一種補(bǔ)充,憑借其高性價(jià)比的凈水性能而頗受關(guān)注[4]。然而,傳統(tǒng)人工快滲技術(shù)對(duì)污水中的TN、TP去除效果較差,使得出水水質(zhì)難以達(dá)到較高的排放等級(jí),限制了其規(guī)?;茝V的進(jìn)程。目前,人工快滲系統(tǒng)強(qiáng)化凈水性能的方法研究多集中在改進(jìn)填料類型、優(yōu)化操作方式、投加外源藥劑等方面[5-8]。面對(duì)日益嚴(yán)苛的氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn),如何強(qiáng)化人工快滲系統(tǒng)的凈水性能成為該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。因此,本文將構(gòu)建一種占地面積小、運(yùn)行效果好的活性污泥淹沒式人工快滲系統(tǒng),分析其對(duì)污水中主要污染物的去除效率,探討其凈水機(jī)理,以期為人工快滲系統(tǒng)污水處理性能的提升提供更多的可選方法。
活性污泥淹沒式人工快滲系統(tǒng)裝置如圖1所示,具體包括進(jìn)水單元、主反應(yīng)單元、排水/集泥單元。其中,進(jìn)水單元由進(jìn)水槽、進(jìn)水泵組成,主反應(yīng)單元由活性污泥池(SBR池)、人工快滲池(CRI池)、曝氣設(shè)備組成,排水/集泥單元由排水槽、集泥槽組成。進(jìn)水槽、進(jìn)水泵、SBR池之間通過水管連接,管路上設(shè)有流量計(jì),調(diào)控進(jìn)水流量。排水槽、CRI池之間通過水管連接,水管上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥Ⅰ。集泥槽、SBR池之間通過水管連接,水管上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥Ⅱ。曝氣設(shè)備安裝在SBR池的底部。
圖1 反應(yīng)裝置
SBR池的有效容積為50 L,CRI池位于SBR池內(nèi),處于全淹沒狀態(tài),淹沒高度為50 cm。CRI池頂部設(shè)置有可移動(dòng)開關(guān)。CRI池高50 cm,內(nèi)徑10 cm,內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上往下依次為鋼渣層Ⅰ、填料區(qū)、鋼渣層Ⅱ,高度比為1∶8∶1。鋼渣層Ⅰ和鋼渣層Ⅱ內(nèi)均填充有粒徑為2~6 mm的鋼渣。填料區(qū)采用天然河砂、沸石砂、海綿鐵、核桃殼粒按體積比2∶1∶1∶1混勻后作為填料,4種填料的粒徑均為0.1~1 mm。CRI池頂部設(shè)置有可移動(dòng)開關(guān),當(dāng)活性污泥沉淀結(jié)束后,打開此開關(guān)進(jìn)行排水;當(dāng)排水結(jié)束后,關(guān)閉此開關(guān)。
污水取自成都某高校學(xué)生公寓區(qū)的生活污水,具體的進(jìn)水水質(zhì)條件如表1所示。
表1 進(jìn)水水質(zhì)條件
活性污泥淹沒式人工快滲系統(tǒng)編號(hào)S-CRI,具體運(yùn)行流程如圖2所示。通過進(jìn)水泵將20 L污水泵入SBR池內(nèi),啟動(dòng)曝氣設(shè)備,使SBR池內(nèi)的溶解氧含量維持在3~4 mg/L,MLSS保持在4 000 mg/L左右,曝氣10 h后,關(guān)閉曝氣設(shè)備,靜置1 h,使活性污泥沉淀下來。沉淀結(jié)束后,打開CRI池頂部的可移動(dòng)開關(guān)和調(diào)節(jié)閥Ⅰ,使上清液從CRI池頂部進(jìn)入,在重力作用下往下滲濾,最后出水進(jìn)入排水槽內(nèi),排水時(shí)間控制在0.5 h,再閑置0.5 h,重復(fù)上述操作60個(gè)周期。隨著運(yùn)行周期的延長(zhǎng),CRI池內(nèi)MLSS會(huì)不斷升高,此時(shí)需要進(jìn)行排泥,打開SBR池與集泥槽之間的調(diào)節(jié)閥Ⅱ,排出部分污泥,使SBR池內(nèi)MLSS保持在4 000 mg/L左右。待排水和排泥結(jié)束后,關(guān)閉CRI池頂部的可移動(dòng)開關(guān),同時(shí)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥Ⅰ和調(diào)節(jié)閥Ⅱ。此外,設(shè)立單獨(dú)的CRI系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照,進(jìn)水條件與S-CRI系統(tǒng)一致,每周期進(jìn)水2 h,落干10 h,對(duì)比兩者凈水性能的差異。為進(jìn)一步論證系統(tǒng)的除磷機(jī)理,采用未接觸活性污泥的CRI池對(duì)質(zhì)量濃度為5 mg/L的TP水溶液進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附,考察30次吸附后CRI池不同沿程高度下出水TP濃度的變化情況,探討其吸附(截留)磷的能力。
圖2 S-CRI系統(tǒng)運(yùn)行方案流程
水中主要污染物的濃度依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》的要求進(jìn)行測(cè)定。
圖3表示CRI、S-CRI系統(tǒng)去除污水中COD的基本情況。其中,圖3(a)反映了處理前后COD濃度的變化狀況,可看出穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行30 d后,S-CRI系統(tǒng)的COD出水濃度均值為22.4 mg/L,相比CRI系統(tǒng)降低了36.5 mg/L,出水水質(zhì)更加穩(wěn)定且COD含量更低。圖3(b)反映了COD去除率的變化情況,可以看到,傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的COD去除率僅為74.5±3.7%,而S-CRI系統(tǒng)的COD去除率達(dá)到90.3±1.9%,相比前者提高了15.8%。由此可見,S-CRI系統(tǒng)表現(xiàn)出更佳的COD去除性能,污水進(jìn)入SBR池后與活性污泥充分混合,通過異養(yǎng)微生物的作用分解有機(jī)物,使大部分COD被去除,部分殘余的有機(jī)物進(jìn)入CRI池后,被進(jìn)一步作為反硝化碳源而利用,因而可實(shí)現(xiàn)較高效率的去除。傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)主要通過自然復(fù)氧來實(shí)現(xiàn)溶解氧的獲取且工藝流程較短,因而COD的去除效率相對(duì)較低。
圖3 COD去除情況對(duì)比
圖去除情況對(duì)比
為深入了解S-CRI系統(tǒng)和傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的脫氮效果差異,對(duì)其TN去除情況分別展開了分析,結(jié)果如圖5所示。圖5(a)表示進(jìn)出水中TN含量的變化,可以看出S-CRI系統(tǒng)的TN出水濃度明顯低于傳統(tǒng)CRI系統(tǒng),其濃度均值僅為5.8 mg/L,相比傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)降低了18.1 mg/L。圖5(b)表示TN去除率的變化,可以看出S-CRI系統(tǒng)的TN去除率均值可達(dá)到86.7±3.3%,相比傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)提高了41.9%,這說明由傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)升級(jí)為S-CRI系統(tǒng),TN去除效果將得到十分顯著的改善。
圖5 TN去除情況對(duì)比
污水進(jìn)入CRI池后,獲得良好的缺氧環(huán)境,在該環(huán)境條件下具有反硝化功能的微生物分布較為充裕,亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮在它們的作用下可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮,從而使TN含量大幅降低。S-CRI系統(tǒng)之所以能夠顯著強(qiáng)化TN的去除效果,原因主要有:
(1)CRI池處于全淹沒狀態(tài),池內(nèi)填料處于缺/厭氧狀態(tài),可為反硝化脫氮提供良好的環(huán)境;
(2)系統(tǒng)內(nèi)殘余的溶解氧可在海綿鐵的作用下被迅速消耗掉,使CRI池內(nèi)填料層擁有更適宜的缺氧或厭氧環(huán)境,有利于反硝化功能菌的生長(zhǎng)繁殖或反硝化功能的發(fā)揮;
(3)填料區(qū)中的核桃殼粒可緩慢釋放有機(jī)物,從而使反硝化功能菌能獲得足夠的有機(jī)碳源;
(4)海綿鐵被污水腐蝕后,可向水中緩慢釋放出Fe2+,該金屬離子的適量存在可激發(fā)反硝化功能菌的酶活性,從而使反硝化效率進(jìn)一步提升;
(5)海綿鐵在污水中的腐蝕過程還會(huì)產(chǎn)生H2,該氣體的存在可為氫自養(yǎng)反硝化功能菌發(fā)揮脫氮作用提供條件,從而也減小了反硝化脫氮過程對(duì)污水中有機(jī)碳源的需求程度。
因此,S-CRI系統(tǒng)可在進(jìn)水有機(jī)碳源較低的條件下,依然實(shí)現(xiàn)高效脫氮。
圖6反映了TP濃度和去除率的變化情況。由圖6(a)所示的TP濃度變化情況可知,S-CRI系統(tǒng)的出水TP濃度均值僅為0.3 mg/L,相比對(duì)照組CRI系統(tǒng)下降了0.5 mg/L。由圖6(b)所示的TP去除率變化情況可知,S-CRI系統(tǒng)對(duì)TP的去除率為92.4±2.0%,相比CRI系統(tǒng)增加了12.3%,除磷效果良好。
圖6 TP去除情況對(duì)比
在SBR池內(nèi),部分磷素污染物被活性污泥吸附或被除磷功能菌所消耗而被脫除,再流入CRI池內(nèi)。污水中剩余的磷素污染物通過CRI池內(nèi)填料的吸附(截留)作用、化學(xué)沉淀作用和生物的除磷作用被深度去除。圖7顯示了動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)下的TP出水濃度變化情況,可以看到初次進(jìn)水后,出水TP濃度僅為0.03 mg/L,而吸附30次后,出水TP濃度依然僅為0.68 mg/L,這說明CRI池對(duì)污水中的TP有著較高的吸附和截留效率。具體而言,沸石砂具有較優(yōu)的磷吸附去除效果,混合砂對(duì)磷的截留作用也較好,但是吸附和截留能力始終是有限的,系統(tǒng)之所以能較長(zhǎng)時(shí)間的保持高效穩(wěn)定運(yùn)行,是由于化學(xué)除磷和生物除磷的輔助。CRI池中混入了適量的海綿鐵填料,它溶解釋放的Fe2+在一定程度上能促進(jìn)除磷微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝功能,增強(qiáng)生物除磷效果,使系統(tǒng)內(nèi)吸附和截留的磷能被微生物所利用而騰出新的吸附和截留位置,為后續(xù)污水中磷的吸附和截留做好充分的準(zhǔn)備,同時(shí)Fe2+和Fe2+的氧化產(chǎn)物還能和磷酸根發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成沉淀物質(zhì),從而大大減小了污水中磷的濃度,提高了TP的去除效率。
圖7 TP的動(dòng)態(tài)吸附結(jié)果
針對(duì)CRI系統(tǒng)對(duì)污水中氮、磷污染物去除效率較低的問題,構(gòu)建了全新的活性污泥淹沒式人工快滲(S-CRI)系統(tǒng)并探究了其對(duì)污水的凈化性能,形成結(jié)論如下:
(1)穩(wěn)定運(yùn)行后,S-CRI系統(tǒng)的COD出水濃度均值和去除率分別為22.4 mg/L、90.3±1.9%,相比對(duì)照組CRI系統(tǒng)前者減少了36.5 mg/L,后者提高了15.8%,出水水質(zhì)更加穩(wěn)定且COD濃度更低。
(3)污水中的TP經(jīng)過S-CRI系統(tǒng)處理后,出水濃度均值僅為0.3 mg/L,比對(duì)照組CRI系統(tǒng)下降了0.5 mg/L。相應(yīng)的TP去除率為92.4±2.0%,比對(duì)照組CRI系統(tǒng)增加了12.3%,除磷性能較好。