曝氣生物濾池處理生活污水的實驗研究

李俊生,王興戩,谷 芳,左金龍

(1.哈爾濱商業大學環境工程系,哈爾濱 150076;2.中國市政工程華北設計研究總院,天津 300074;3.哈爾濱商業大學食品工程學院化學中心,哈爾濱 150076)

隨著我國城市化水平的提高和社會經濟的發展,城市大型住宅小區、中小城鎮、生產企業等排放源的水污染控制表現得尤為突出,單一依靠污水處理廠建設和運行管理難以滿足污水處理和水資源保護的需求.曝氣生物濾池作為一種新型污水生物處理技術[1-3],綜合了過濾、吸附和生物代謝等多種凈化功能、具有負荷高、占地少、能耗低、出水好、工藝簡單、適應性強等優點[4-5],適合中小型點源污染控制需求,可有效解決我國水污染處理資金投入的“瓶頸”的問題.為此,采用陶粒為濾料的曝氣生物濾池對哈市小區的生活污水進行處理,來考察水力停留時間(HRT)、曝氣量、pH值對 COD、氨氮等處理效果的影響[6-7].

1 材料與方法

1.1 試驗用水

實驗用水為小區生活污水.水質見表1.

表1 實驗生活用水水質

1.2 試驗裝置

試驗裝置見圖1所示.

圖1 上向流生物曝氣濾池實驗裝置示意圖

反應器為有機玻璃加工的曝氣生物濾池高1 900 mm,內徑 90mm,填料選用粒徑 3～5mm、比重 1.19 g/cm的陶粒,填充高度 1 440mm,出水高度 1 710 mm,承托層以上每隔 300 mm設一個取樣口,曝氣口位于距底部 400 mm處,壓縮空氣經曝氣擴散器進入反應器,儲于水箱中的生活污水經蠕動泵進入反應器下部,水流方向自下而上,沖洗水、氣自反應器底部進入,從上部出水口排出.

1.3 掛膜馴化

本研究中,曝氣生物濾池的掛膜啟動采用投加種泥悶曝,連續流培養的模式進行,即在反應器啟動時投加一定量的活性污泥作為種泥,先悶曝培養3 d然后在進水流量 1 L/h,氣水比(3～5)∶1的條件下連續運行連續運行 7 d后,COD和氨氮的去除率分別達到 75%和 60%,同時出水也較穩定.至此掛膜工作已完成,反應器已經順利啟動.

1.4 分析項目與方法

分析項目與檢測方見表2所示.

表2 常規化學檢測指標的分析方法

2 結果與討論

2.1 水力停留時間(HRT)對處理效能的影響

2.1.1 對 COD去除能力的影響

上向流單級曝氣生物濾池模型反應器在不同水力停留時間下對 COD的去除能力如圖2所示.

圖2 HRT對COD去除能力的影響

由圖2可以看出,在進水 COD質量濃度變化范圍為 290～440mg/L的情況下,隨著水力停留時間的縮短,模型反應器對 COD的平均去除率總體上呈逐漸減低的趨勢.當水力停留時間由 6 h縮至1 h時,出水的 COD的對應質量濃度為 43.26、48.69、52.63、42.15、92.54、132.21mg/L,相應的 COD平均去除率分別為 90%、85.8%、83.7%、85.6%、69.3%、66.6%.當水力停留時間在 6 h到 3 h之間變化時,模型反應器對 COD去除能力變化幅度相對較小,在 83.7%～90%之間,但當水力停留時間由 3 h縮至 1 h,相應的 COD平均去除分別為 69.3%,66.6%,有機物去除能力顯下降.在試驗中還發現,在試驗的每個過濾周期后期,反應器進水端區域生物膜出現一定程度發黑現象.這是由于在反應器底部污泥截流量大,生物膜增長快,生物膜較厚,膜內供養不足所致.發黑層隨著水力停留的時間縮短而逐漸向上延伸.這是由于水力停留時間的縮短相應增加了水力負荷,即增加了進入反應器的有機負荷,使去除率效率受影響.另一方水力停留時間的縮短,水流在濾層中的流速加快,使生物膜容易脫落,使出水 COD增加,影響去除效果.圖2也表明,反應器有一定抗水力負荷沖擊能力,當水力停留時間在 6 h到 3 h之間變化時,對反應器對COD去除能力影響不大.

2.1.2 對氨氮去除能力的影響

圖3 HRT對氨氮去除能力的影響

上向流單級曝氣生物濾池模型反應器在不同水力停留時間下對氨氮去除能力的影響如圖3所示.提高幅度不大,僅提高 3.2%左右.同時圖4也表明,反應器具有較好的氧轉移和利用率,只需較低的曝氣量就可以達到較好的處理效果.

圖4 曝氣量對 COD去除能力的影響

由圖3可以看出,在進水氨氮質量濃度為 47～56mg/L的范圍內,隨著水力停留時間的縮短,對反應器的硝化有顯著影響.水力停留時間由 6 h降低到 1 h,出水的氨氮質量濃度相應為 5.28、7.11、6.78、7.76、16.66、36.39 mg/L,相應的氨氮去除率為 89.1%、87.3%、86.7%、85.7%、64.8%和34.1%.當水力停留時間在 6 h到 3 h之間變化,出水氨氮平均值小于 8mg/L,去除率在 85%以上,可以滿足國家二級出水的標準.當縮減至1 h,出水的氨氮質量濃度顯著加大,去除率顯著降低.這是由于一方面水力停留時間減少,有機物質量濃度、水力和氣流的剪切力增大,導致異養菌增加較快,生物膜更新也快,致使氨氧化細菌和和硝化細菌環境不利,整體活性降低.另一方面水力停留時間的縮短,水力負荷加大,反沖洗周期縮短,使氨氧化細菌和和硝化細菌容易脫落流出,從而降低了整個反應器的的硝化能力.

2.2 曝氣量對處理效能的影響

在水力停留時間 3 h,溫度 18～23℃的運行條件下,pH值保持在 7左右,進水 COD質量濃度在290.52～347.42 mg/L之間,曝氣量對上向流單級曝氣生物濾池反應器處理效能的影響情況.

2.2.1 對 COD去除能力的影響

由圖4可以看出,在進水 COD質量濃度變化范圍為 321～347mg/L之間,隨著曝氣量的增大去除能力有逐漸提高的趨勢.當曝氣量由 0.08 m3/h增大到 0.32 m3/h,出水 COD的質量濃度為 56.31、49.36、40.62、42.36mg/L,相應的模型反應器對 COD的去除率為 83.4%,85.7%,86.1%和 86.8%.說明提高曝氣量,可提高對有機物的去除,但

2.2.2 對氨氮去除效果的影響

由圖5可以看出,在進水氨氮質量濃度變化范圍為 40.7～46.0mg/L之間,在一定得曝氣量范圍內對有機物的去除率有所提高.當曝氣量由 0.08 m3/L增大到 0.32m3/L,出水氨氮的質量濃度對應為 7.36、6.45、6.62、10.24 mg/L,相應反應器對氨氮的去除率為 81.9%、85.0%、85.2%、77.8%.表明曝氣量在 0.08m3/L到 0.24m3/L之間,反應器對氨氮的去除率隨著曝氣量增加對 COD的去除有所提高;曝氣量由 0.24 m3/h到 0.32 m3/h之間,反應器對氨氮的去除率隨著曝氣量增加對COD的去除有所降低;降低 8%左右,說明增大曝氣量,一方面增加了污水中的溶解氧,使生物膜中的氧濃度梯度增大,將促使溶解氧向生物膜深層擴散,使厭氧層厚度下降,反硝化能力降低;另一方面提高曝氣量使液體的紊流加強,促進溶解氧擴散,加速了生物膜的更新速度.

圖5 曝氣量對氨氮去除能力的影響

2.3 pH值對處理效能的影響

在水力停留時間 3 h,曝氣量 0.08～0.24 m3/h之間,溫度為 18～23℃的運行條件下,進水 pH值變化對上向流單級曝氣生物濾池反應器處理效能的影響情況.

2.3.1 對 COD去除能力的影響

當進水 COD的平均質量濃度為 368.8 mg/L,pH值在 6.09～8.72之間變化時,反應器對 COD的去除情況如圖6所示.

圖6 進水pH值對 COD去除能力的影響

由圖6可以看出,pH值在 6.09～8.72之間對有機物去除基本沒有影響,也反映了曝氣生物濾池對進水的 pH值具有較好的緩沖能力,曝氣生物濾池的這一特點說明反應器內部具有復雜的生物種群結構和豐富的生態類型組成,從而對不同的水質條件表現出群體的適應性,這與曝氣生物濾池的結構特征是密切相關的.

2.3.2 對氨氮去除能力的影響

當進水氨氮的平均質量濃度為 53.95 mg/L,pH值在 6.09～8.72之間變化時,反應器對氨氮的去除情況如圖7所示.

圖7 進水 pH值對氨氮去除能力的影響

由圖7可以看出,pH值在 6.57～8.72之間對氨氮的去除影響不大,出水的氨氮分別為 8.0、4.3、6.7、6.5、7.6 mg/L,相應去除率在 81% ～ 88%之間,出水氨氮均可達到國家二級標準.當在 pH值為 6.09,出水氨氮為 16.40%,去除率為 72.09%.可以看出 pH值小于 6.57,在偏酸性的區間內,出水氨氮值明顯上升,且不能達到排放標準.

3 結 語

1)水力停留時間對生物濾池的效能明顯影響,縮短水力停留時間(HRT)使反應器對 COD、氨氮的去除率逐漸下降.

2)曝氣強度對反應器的處理效果有不同程度的影響.試驗中發現,在一定的范圍內增大曝氣量可有效降低出水 COD及氨氮值.

3)生活污水的 pH值范圍對反應器的處理效果基本沒有影響.生活污水的 pH值在 6.57～8.72之間,曝氣生物濾池對 COD、氨氮的去除率基本不變.

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