黃青飛, 李 東, 周 凱

(安徽舜禹水務股份有限公司, 安徽 合肥 230000)

近年來,農村分散式生活污水治理成為熱門行業(yè),生物接觸氧化法融合了活性污泥法和生物膜法兩者特點[1],具有生物種類多、抗沖擊負荷能力強、可間歇運行、無污泥膨脹等優(yōu)點[2],在農村生活污水處理中得到廣泛應用。 生物接觸氧化法重點在于生物填料選取[3],生物填料的生物負載量直接影響生化過程中污染物的去除效果。 趙憲章等[4]研究組合填料對多級AO 工藝運行效果的影響發(fā)現(xiàn),懸掛填料后出水CODCr、TN、NH+4-N 等濃度較無填料有明顯降低。 熊正為等[5]研究表明,填料填充率在80%時,缺氧池負載生物膜量最多,對CODCr、NH+4-N、TN 的去除率最好,分別為75.9%、78.42%、72.5%。 胡軍福等[6]研究表明,采用二級AO 工藝和柔性生物繩填料處理生活污水可有效減少污泥產量,COD、-N 可穩(wěn)定達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準,出水TN 平均濃度不高于20 mg/L。 楊宏等[7]利用12%填充率的分散填料填充反應器進行試驗,在一定程度上填充率與氨氧化速率呈正相關關系,同時填料的使用有利于減少污泥產量。 張新波等[8]研究表明,采用懸浮填料作為生物填料時,20%填充率和30%填充率對于生物處理效果差異不大,但前者生物負載量卻高于后者。

在污水處理的實際工程應用中,特別是對于小規(guī)模、間歇排放的生活污水處理,生物填料的應用更具優(yōu)勢,其中較為常見的生物編帶填料、仿水草填料等由于比表面積大、掛膜速度快、生物量負載高,對生物硝化、碳化優(yōu)勢明顯等優(yōu)點尤其受到業(yè)內青睞。本文重在對比研究化纖絲復合而成的仿水草填料、螺旋填料、生物編帶直線填料、生物編帶毛圈四種不同類型填料的生物負載量,并優(yōu)選生物編帶直線填料作為研究對象,研究填料中心間距7.5 cm 條件下對生物反應器運行效果。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗主體設備采用一體化污水處理設備,一體化設備長×寬×高為13.2 m×2.35 m×2.68 m,總有效容積為67 m3。 污水處理設施整體工藝流程見圖1。 污水依次經(jīng)過格柵調節(jié)池、厭氧池、缺氧池1、好氧池1、缺氧池2、好氧池2、沉淀池,好氧池1 和缺氧池1 之間、好氧池2 和缺氧池2 之間均有混合液回流,沉淀池剩余污泥排放至污泥干化池,經(jīng)污泥干化池干化后進行污水站內園林綠化,濾液回流至調節(jié)池內。 缺氧池和好氧池內均填充懸掛式生物編帶直線填料(長×直徑為2.0 m×5 cm),填充率30%。 為了觀察不同填料的掛膜效果,同時在好氧池1 內投加單位長度仿水草填料、螺旋填料、生物編帶毛圈填料,直徑分別為5、2.5、5 cm。

圖1 污水處理設施整體工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment facilities

1.2 試驗水質及檢驗方法

本試驗研究水質為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)產生的生活污水,主要水質情況見表1。 對于水質指標的檢測方法和化驗程序嚴格按照國家規(guī)定的水質采樣和檢驗標準,其中DO 和溫度測定采用HACH HQ30d 便攜式溶解氧儀,pH 采用玻璃電極法,COD 測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989),-N 測定采用納氏試劑比色法(GB 7479—1987),TN 測定采用過硫酸鉀氧化-消解-紫外分光光度法(GB 11894—1989),鏡檢選用麥克奧迪Motic 生物光學顯微鏡。

表1 進水水質Tab.1 The influent water quality

對生物負載量采用生物膜干重法進行測定考量,具體方法為：用蒸餾水輕輕沖洗填料上的生物膜,將填料表面未固定的生物質吹脫,然后將附有生物膜的填料置于105℃的烘干箱內,保持恒溫烘干30 min,等填料烘至恒重后對其稱重,此時復合膜的重量與實驗前復合膜的重量之差即為生物膜干重[9]。 觀察生物填料及生物膜上的生物相,判斷生物相的豐富度以及生物鏈是否完整,其方法為：取出生物反應器內的部分生物填料,在無菌條件下,將填料上負載的生物膜輕輕刮落至充水燒杯中,利用鑷子、膠頭滴管等將生物膜移至顯微鏡下進行鏡檢。

1.3 反應器的運行調試

試驗選用自然掛膜且運行較為穩(wěn)定的一體化設備作為試驗對象,所用生物填料為懸掛式生物編帶填料,反應設備中兩處混合液回流均采用氣提回流?；亓鞅雀鶕?jù)TN 去除效果和缺氧區(qū)內溶解氧情況,設置在100%～300%之間,進水量為100 m3/d,進水方式為單點連續(xù)進水,試驗過程反應溫度在15 ～27℃,好氧區(qū)的溶解氧不低于3 mg/L。

2 結果與討論

2.1 不同填料生物負載量對比

生物處理工藝污染物去除效果的好壞歸根結底取決于反應器內生物量的多少,對于采用生物接觸氧化工藝為主的反應器,生物量主要由懸浮生物量和固定生物量組成,以懸掛填料為主的生物接觸氧化反應器內的生物量則主要取決于生物填料上的生物負載量。 由于生物接觸氧化法有關衡量生物膜特征的指標沒有活性污泥法完備,為了更好衡量對比生物接觸氧化工藝生物性能,可計算單位體積反應器內填料生物負載總量。 填料間的間距和生物負載量有直接關系,理論上來講,填料間距越小,填料填充率越大,生物負載量越多,越有利于污染物的降解,但是填料間間距太小對溶解氧擴散不利,也會影響處理效果,同時較小的填料間距使生物膜的碰撞幾率增大,從而造成生物膜流失[10-11]。

填料的成本與投入生產材料的多少有關,所以反應器內投加的填料質量與工程實施的經(jīng)濟性有很大關系。 對好氧池1 內的仿水草填料、螺旋填料、生物編帶直線填料、生物編帶毛圈填料四種不同類型填料進行生物負載量測定,同時,根據(jù)填料生產廠家建議和工程經(jīng)驗,設置反應器內填料中心間距為7.5 cm,考察單位質量、單位長度填料生物負載量,掛膜時間選定15 d[12-13],對比掛膜前后生物負載量,結果見表2。

表2 不同填料生物負載量對比Tab.2 Comparison of biomass of different fillers

由表2 可知,不同結構類型的單位質量填料對生物負載量各不相同,單位質量填料生物負載量最高的為生物編帶直線填料,生物負載量為0.579 5 g/g,最低的是仿水草填料為0.303 5 g/g。 由單位長度填料的生物負載量可知,生物編帶毛圈填料最高為14.86 g/m,生物編帶直線填料生物負載量其次,仿水草填料最低為0.73 g/m。 在7.5 cm 填料間距下的單位體積填料生物負載量相差較大,其中生物編帶直線填料和生物編帶毛圈填料生物負載量分別為2 136.16、2 511.34 g/m3,仿水草填料生物負載量最低為123.37 g/m3,該條件下填料的填充率約33%。 根據(jù)HJ 576—2010《厭氧-缺氧-好氧活性污泥法污水處理工程技術規(guī)范》可知,A2O 活性污泥條件下的污泥濃度為2 000～5 000 mg/L[14],略高于本試驗條件下單位體積生物負載量。 由此可知,在填料間距或填充率保持不變的情況下,若要提高生物負載量,需要從填料類型上著手,如有關懸浮填料的研究發(fā)現(xiàn),懸浮填料具有更高的比表面積,對于微生物負載更加有利,生物量可達7.8 ～20 mg/個[15],但是懸浮填料價格較高,流化狀態(tài)不佳,容易造成填料上浮、堵塞等情況。

2.2 生物編帶填料對污染物的去除效果

從成本投入、生物負載量等方面綜合考慮,選取生物編帶直線填料作為試驗對象,填料填充率約30%,考察此條件下生物編帶填料對CODCr、TN、-N 的去除效果,結果如圖2—4 所示。

圖2 反應器對CODCr 的去除情況Fig.2 CODCr removal in the bioreactor

如圖2 所示,以生物編帶直線填料為主的反應器對CODCr的去除率在64.71%～90.4%之間,均值為73.2%,進水COD 濃度在89 ～182 mg/L 之間,均值為123.94 mg/L,出水COD 濃度均值為31.94 mg/L,整體出水范圍在22～50 mg/L 之間,去除速率均值為9.2 kg/d,出水COD 濃度達到DB34/ 3527—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》的一級A 標準,同時符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準。 可見在進水COD 濃度波動較大且進水濃度不高的情況下,采用生物編帶直線填料為主的生物接觸氧化工藝時對COD 的去除率較為穩(wěn)定,說明在此條件下,微生物在填料上形成較為穩(wěn)定的生物膜,對于污染物的去除具有較高的抗干擾能力。

由圖3 可知,生物反應器對TN 的去除效果波動較大,去除率在21.13% ～66.77%之間,均值41.09%,出水TN 均值11.82 mg/L,去除速率均值0.75 kg/d,滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準,個別出水TN 超過該標準的一級A 時,都滿足當?shù)嘏欧乓蟮腄B34/3527—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》的一級A 標準。 可以看出,TN 的去除率稍低于相關設計規(guī)范或相關文獻內的數(shù)據(jù)[4,16-18],分析可能是農村污水點多面廣。 因此,本研究在農村生活污水的慣性運維管理基礎上,污水場站非全天候有人看管值守,而是采取定期巡檢的方式,通過遠程監(jiān)控電氣設備的運行狀態(tài),非運維期內有故障報警時再現(xiàn)場解決問題恢復正常運行,這就造成污水處理設施在運行過程中可能出現(xiàn)異常不能及時發(fā)現(xiàn)和解決,如碳氮比失衡、缺氧池曝氣量太高等,特別是碳氮比失衡時需要增加碳源,對于點多面廣的農村污水運維管理尤其不便,從而影響TN 去除效果[19-20]。 另外,本項目所用混合液回流采用氣提技術,氣提回流會使一部分溶解氧進入缺氧區(qū),如果在回流過程中沒做到完全釋氧,也會對缺氧區(qū)反硝化作用產生一定影響[21]。

圖3 反應器對TN 的去除情況Fig.3 TN removal in the bioreactor

圖4 反應器對-N 的去除情況Fig.4 -N removal in the bioreactor

2.3 生物膜鏡檢結果

對于采用生物接觸氧化法工藝的污水處理設施,污染物去除效果與選用的填料類型至關重要[12,24-25],為研究本項目所用的生物編帶直線填料,對其進行電鏡掃描,結構見圖5。 由圖5 可知,生物編帶直線填料選擇截面“扁平”纖維,為放射狀結構,纖維絲直徑約20～30 μm,經(jīng)測算平均比表面積約0.82 m2/g,超細纖維制成的填料比表面積大,更易捕捉水中的微生物形成生物膜,掛膜速度較快,能有效去除污染物。

圖5 生物編帶直線填料電鏡掃描圖Fig.5 Electron microscope scanning diagram of biological braided linear bio-carrier

對正常運行狀態(tài)下掛膜填料進行顯微鏡鏡檢,發(fā)現(xiàn)生物填料及生物膜上微生物眾多,有包括以細菌為食的跳側滴蟲、楯纖蟲等原生動物,原生動物作為指示生物的存在表明微生物活性較強[26],同時也有包括以原生動物或懸浮物為食的線蟲、水蚤等后生動物以及肉眼可見的螞蟥、螺類等大型水生動物,這些生物的存在組成了一條完整的食物鏈,表明該生化系統(tǒng)中生物相較為豐富和完整,出水水質較好[27]。

3 結論與建議

3.1 結論

① 仿水草填料、螺旋填料、生物編帶直線填料、生物編帶毛圈填料單位質量填料生物負載量分別為0.30、0.40、0.58、0.40 g/g,單位長度填料生物負載量分別為0.73、11.34、12.64、14.86 g/m。

② 以生物編帶直線填料為研究對象,當生物填料填充率為33%時,其生物負載量為2 136.16 g/m3,對生活污水CODCr、TN、-N 的平均去除率分別為73.2%、41.09%、90.16%,達到DB34/3527—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》的一級A 標準。

③ 鏡檢發(fā)現(xiàn)生物編帶直線填料上生物膜的生物相較豐富,先后出現(xiàn)了以細菌為食的原生動物到后生動物過渡的完整生物鏈。

3.2 建議

① 為了減少運維能耗,充分利用曝氣裝置的富余氣體,本研究采用氣提技術實現(xiàn)混合液的回流,對缺氧池缺氧環(huán)境造成一定的影響,從而影響了出水的TN,后期可通過增加釋氣裝置、降低氣提區(qū)段(好氧池末端)溶解氧濃度等方式減少該因素影響。

② 考慮到運營成本問題,農村生活污水處理不同于城鎮(zhèn)集中式污水處理廠的運營管理模式,加之農村生活污水具有間歇排放、碳氮比較易失衡等特點,因地制宜選擇合適的工藝技術成為農村生活污水處理的重點。