莊凱元

(江蘇佳鼎生態(tài)環(huán)境科技有限公司,江蘇 常州 213000)

生物接觸氧化技術(shù)是利用生物濾池在改進(jìn)接觸曝氣形式后逐步衍變得到的生物膜處理技術(shù),沿續(xù)了生物膜法的主要特征,利用填料表面附著的微生物群體吸附氧化處理水體中的污染物,反應(yīng)器內(nèi)填料會(huì)浸入廢水中,微生物能夠持續(xù)生長(zhǎng)繁衍,可利用機(jī)械設(shè)備為廢水注氧。相較于其他生物膜法的自然通風(fēng)供氧方式而言,可提高氧氣傳輸速率,實(shí)現(xiàn)生物高效降解。在生活污水處理中,生物接觸氧化法具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

采用圓柱型、透明有機(jī)玻璃制成內(nèi)徑10 cm、高1.5 m的填料塔生物反應(yīng)器裝置,有效填料層高1 m,兩端高度均為0.25 m。填料塔底部安裝直徑為1 mm的穿孔管曝氣頭。填料塔生物反應(yīng)器的上、中、下部各設(shè)一個(gè)取樣口,反應(yīng)器上下兩端分別設(shè)有進(jìn)水進(jìn)氣口及出水出氣口。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備如下:功率60 W、高度15 m、體積流量為21 L/min的15W10G-10型增壓泵;輸氣量為0.14 m3/ min、輸出壓力為0.69 MPa的T30型無(wú)油空氣壓縮機(jī);規(guī)格為1.5～25 L/h的轉(zhuǎn)子流量計(jì);規(guī)格為0.06～0.6 m3/h的氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)[1]。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用生活污水來(lái)源于學(xué)校餐廳及公寓污水檢查井,廢水呈黃色,存在明顯異味且較為油膩。因原水水質(zhì)及水量存在波動(dòng),內(nèi)含有機(jī)物濃度不一,油脂及表面活性劑含量不同。試驗(yàn)前采用均質(zhì)法對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理后原水化學(xué)需氧量為100～500 mg/L,懸浮物為100～300 mg/L,pH值5.5～7.5[2]。為確保填料作用的有效發(fā)揮,試驗(yàn)選用中孔塑料球?yàn)樘盍?8～18 d便可完成掛膜。此填料是聚乙烯材料,成本相對(duì)低廉,具備良好的水力學(xué)特性、強(qiáng)附著性與物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 過(guò)濾污水

試驗(yàn)開(kāi)始后,注入生活污水,經(jīng)過(guò)粗格柵、細(xì)格柵過(guò)濾處理后,去除其中粒徑高于0.2 cm的大顆粒懸浮物質(zhì),濾出廢水中的浮油殘?jiān)?將過(guò)濾后的水排入調(diào)節(jié)池中。

1.3.2 泵入反應(yīng)器

在增壓泵作用下將過(guò)濾后的水泵入填料塔生物反應(yīng)器,廢水由進(jìn)水口進(jìn)入,利用液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量檢測(cè),而后再向反應(yīng)器中泵入。

1.3.3 充氣與降解

由空氣壓縮機(jī)向反應(yīng)器內(nèi)輸送曝氣氣源,待氣源穩(wěn)定之后利用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定氣體量,壓縮空氣從反應(yīng)器底部的進(jìn)氣口進(jìn)入,與廢水液體順流接觸后發(fā)生降解反應(yīng)。

1.3.4 出水沉淀與排放

經(jīng)過(guò)降解處理后的水從反應(yīng)器頂部出水口流出,再向沉淀槽中排入,在沉淀槽中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉淀處理,使剩余污泥、脫落生物膜等物沉積于塔底后,再將處理完成的水從下部排污口排放出去。

1.3.5 水質(zhì)檢測(cè)

針對(duì)出水進(jìn)行以下檢測(cè):化學(xué)需氧量(COD)檢測(cè),利用多功能水質(zhì)分析儀采用重鉻酸鉀法實(shí)施檢測(cè)作業(yè)。溶解氧量檢測(cè),檢測(cè)工具為手提式溶解氧測(cè)定儀。懸浮物檢測(cè),采取濾紙重量法實(shí)施檢測(cè)。pH值檢測(cè),運(yùn)用PH220K型pH值檢測(cè)計(jì),采用玻璃電極法測(cè)定pH值。

生物接觸氧化法的試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 生物接觸氧化法試驗(yàn)流程Fig.1 Biological contact oxidation test process

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為5個(gè)月,全過(guò)程監(jiān)測(cè)分析污水處理效果。試驗(yàn)研究共分兩個(gè)階段。

2.1 馴化

在反應(yīng)器中分次放入活性污泥,各次放入量為600～700 mL,共計(jì)放入2 L即可,掛膜同時(shí)進(jìn)行曝氣,進(jìn)氣量控制為25 L/h,注入濃度為300 mg/L的水,24 h后排掉50%的水替換為新鮮污水,污水總量保持在5 L左右,進(jìn)水速度不可超過(guò)2 L/h,避免因進(jìn)水流速較高影響填料表面及空隙間生物膜附著效果。8～18 d后,填料表面可觀測(cè)到灰白色與褐色交雜的0.15 mm左右厚度的生物膜,取樣鏡檢可見(jiàn)內(nèi)含大量高活性微生物,生物及結(jié)構(gòu)特征均與試驗(yàn)要求相符,對(duì)反應(yīng)器進(jìn)口及出口處的化學(xué)需氧量進(jìn)行測(cè)定后分析微生物降解能力,符合要求后穩(wěn)定24 h便可正式運(yùn)行[3]。

2.2 運(yùn)行

掛膜后逐級(jí)增大廢水有機(jī)負(fù)荷,找出最大負(fù)荷率,從負(fù)荷差異、曝氣條件、水力停留時(shí)間、氣液比等維度分析懸浮物及化學(xué)需氧量控制效果。以600 mL/h的進(jìn)水量注入污水,運(yùn)行一周后,將進(jìn)水流量依次提高至2倍、3倍,各流量值下均運(yùn)行一周。整個(gè)運(yùn)行期間每日監(jiān)測(cè)出水?dāng)?shù)據(jù)變化,統(tǒng)計(jì)化學(xué)需氧量及懸浮物的去除率。負(fù)荷運(yùn)行期間,設(shè)置6個(gè)水力停留時(shí)間,分別是1.5 h、2 h、3 h、4 h、5.5 h、6.5 h,在各流量條件下測(cè)定出水濃度,再分別計(jì)算出COD去除率。運(yùn)行過(guò)程中,氣液比應(yīng)設(shè)置為10～33∶1,水力停留時(shí)間為5 h條件下,分別測(cè)定溶解氧值,對(duì)反應(yīng)器出口的COD去除率進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)水流量4 L/h、進(jìn)水濃度為300 mg/L的條件下,對(duì)曝氣量進(jìn)行調(diào)節(jié),統(tǒng)計(jì)COD去除率[4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 不同進(jìn)水量對(duì)污水處理效果的影響

3.1.1 COD去除效果

生物接觸氧法處理生活污水試驗(yàn)中,氣液比設(shè)定為10～15∶1,水力停留時(shí)間控制在5 h,填料反應(yīng)器在進(jìn)水量為600 mL/h、1200 mL/h、1800 mL/h條件下分別運(yùn)行7 d,運(yùn)行期間不可間斷,每日監(jiān)測(cè)出水的化學(xué)需氧量變化,得出的變化曲線如圖2所示。

圖2 進(jìn)出水COD及其去除率逐日變化曲線Fig.2 Daily variation curve of COD and its removal rate in inlet and outlet water

根據(jù)曲線變化發(fā)現(xiàn),COD濃度為200～400 mg/L、水力停留時(shí)間5 h時(shí),出水COD最小值為 25 mg/L,此時(shí)COD平均去除率為77.4%。當(dāng)進(jìn)水流量逐步提高時(shí),COD去除率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),這是由于進(jìn)水流量增大,有機(jī)負(fù)荷發(fā)生了變化,COD去除效果受到影響。說(shuō)明進(jìn)水流量的大小與COD去除率之間為反相關(guān)關(guān)系。

3.1.2 懸浮物去除效果

上述條件不變時(shí),通過(guò)每日監(jiān)測(cè)可得到懸浮物變化數(shù)據(jù),繪出的曲線如圖3所示。由圖3可知,進(jìn)水中懸浮固體濃度為0.15～0.25 g/L、水力停留時(shí)間5 h時(shí),出水中懸浮物最小值僅為30 mg/L,此時(shí)懸浮物去除效果最高值為86.4%,平均值為73.25%。根據(jù)曲線變化發(fā)現(xiàn),在進(jìn)水懸浮物總量增加的同時(shí)出水懸浮物數(shù)量并未同步增長(zhǎng),當(dāng)進(jìn)水流量增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)懸浮物增多的趨勢(shì),這是由于進(jìn)水流量提高導(dǎo)致曝氣量增長(zhǎng),氣流攪動(dòng)作用導(dǎo)致生物膜碎片大量脫落,進(jìn)而導(dǎo)致懸浮物增加,影響懸浮物去除效果。

圖3 進(jìn)出水懸浮物及其去除率逐日變化曲線Fig.3 Daily change curve of suspended solids in and out of water and their removal rate

3.2 不同水力停留時(shí)間對(duì)COD去除效果的影響

為了得到生物接觸氧化法處理生活污水的最佳水力停留時(shí)間,在進(jìn)口流量為300 mg/L條件下,對(duì)不同水力停留時(shí)間的出水濃度進(jìn)行測(cè)定,在此基礎(chǔ)上計(jì)算化學(xué)需氧量處理前后變化差值。分析得出,水力停留時(shí)間越長(zhǎng),COD去除效果越好,水力停留時(shí)間為5.5 h時(shí),去除率最高值為90%左右,水力停留時(shí)間繼續(xù)增至6.5 h時(shí),COD去除效果提高率并不顯著。這是由于微生物總量及所屬性質(zhì)、有機(jī)底物濃度恒定時(shí),有機(jī)底物相對(duì)充足,微生物降解速度較快,而隨著時(shí)間的推移,有機(jī)底物的量不斷變少,微生物降解速度下降,導(dǎo)致COD去除率先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)。

3.3 不同曝氣條件對(duì)COD去除效果的影響

應(yīng)用生物接觸氧化法時(shí),充氧設(shè)備的能耗在污水處理成本中占比較高,一般為65%左右,如果處理能力恒定,調(diào)低空氣輸入率,便能節(jié)約污水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本[5]。在氣液比為10～33∶1、水力停留時(shí)間為5 h條件下,測(cè)定進(jìn)水曝氣量的變化及COD去除率。結(jié)果發(fā)現(xiàn),曝氣量越高,COD去除效果越佳。當(dāng)溶解氧濃度不超過(guò)3.0 mg/L時(shí),污水處理效果最差,在溶解氧量增大時(shí),COD去除效果不斷提高。溶解氧濃度達(dá)到4.5 mg/L時(shí),可獲取高達(dá)90%的COD去除率。但如果曝氣量繼續(xù)增大時(shí),由于水中營(yíng)養(yǎng)物含量下降,微生物營(yíng)養(yǎng)不足,其自身活性有所下降,因而COD處理效果提升并不明顯。利用生物接觸氧化法處理生活污水時(shí),最為適宜的溶解氧濃度為4.5～5.0 mg/L。

3.4 不同氣液比條件對(duì)COD去除效果的影響

采用塑料球作為填料時(shí),當(dāng)濾速設(shè)定為4 L/h、進(jìn)水化學(xué)需氧量濃度為300 mg/L時(shí),對(duì)曝氣量進(jìn)行調(diào)整,再對(duì)出水的COD去除率進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算,判斷不同氣液比對(duì)COD去除效果的影響。氣液比為6～15∶1時(shí),檢測(cè)發(fā)現(xiàn)出水COD去除率高于90%,此時(shí)反應(yīng)器中部溶解氧濃度為5 mg/L左右。而溶解氧濃度逐步增大時(shí),氣液比提升至20∶1時(shí),出水COD去除率會(huì)逐步下降,但前期下降并不明顯,當(dāng)氣液比增大至30∶1時(shí),下降值較為明顯,會(huì)降至70%左右,水中會(huì)有膜樣碎片產(chǎn)生。說(shuō)明在氣液比增大過(guò)程中,填料反應(yīng)器內(nèi)部流體流速不斷提升,氣流會(huì)沖刷生物膜,在微生物減少的情況下,反應(yīng)器的污水處理能力下降,影響污水處理效果。由此可見(jiàn),應(yīng)選擇適合的氣液比,這一比值過(guò)高或過(guò)低均不可。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),利用填料塔生物反應(yīng)器作為生活污水處理設(shè)備具有可行性,能夠得到良好的污水處理效果。結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果,應(yīng)用生物接觸氧法及填料塔生物反應(yīng)器處理生活污水時(shí)應(yīng)選用塑料球?yàn)樘盍?水力停留時(shí)間最好設(shè)定為5.5 h,曝氣量應(yīng)控制在4.5～5 mg/L,氣液比應(yīng)介于6∶1～15∶1,此時(shí)COD去除效果最為理想,不僅能夠提升生活污水處理效果,還能降低污水處理成本。