不同懸浮填料處理化糞池尾水的差異性及影響分析

張新喜，程 晨，胡小兵，秦 川，黃 濤

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032；2.生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心，安徽馬鞍山 243032)

化糞池能夠沉降懸浮物質(zhì)、防止堵塞污水管道、殺死細(xì)菌病毒、阻止病原菌擴(kuò)散、降解大分子有機(jī)物，但對(duì)污水中的有機(jī)物去除效率低[1-2]。筆者在調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，化糞池尾水中污染物的含量依然較高，是受納城市污水處理廠的主要污染源，不經(jīng)處理排放會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。

生物接觸氧化法是一種高效的水處理工藝，具有占地面積小、高效節(jié)能、無(wú)需排泥的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。對(duì)化糞池尾水采用生物接觸氧化法進(jìn)一步處理，能降低化糞池尾水的污染物濃度，減輕下一級(jí)處理環(huán)節(jié)的負(fù)荷。有研究發(fā)現(xiàn)，采用生物膜法對(duì)化糞池尾水進(jìn)行處理，對(duì)COD、SS具有較好的處理效果，平均去除率分別達(dá)到89%和54%，但是脫氮效果較差[6]。生物接觸氧化法采用懸浮填料，無(wú)需固定，曝氣擾動(dòng)達(dá)到全池流化效果[5]，有利于傳質(zhì)。有學(xué)者采用懸浮填料處理醫(yī)院綜合污水，其對(duì)COD的去除率為89%，對(duì)NH3-N的去除率為61%，具有較好的水質(zhì)處理效果[7]。不同懸浮填料的密度、在廢水中的流化狀態(tài)不同，處理效果不同。

目前對(duì)懸浮填料處理化糞池尾水效果差異性及影響的研究還較少。為了探究不同懸浮填料處理化糞池尾水效果的差異及對(duì)后續(xù)處理流程的影響，選取不同懸浮填料對(duì)化糞池尾水進(jìn)行處理，分析其去除效果差異性、出水有機(jī)負(fù)荷及C/N值變化，為后續(xù)的人工濕地(高脫N、低負(fù)荷承載力)處理提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)填料與裝置

選取污水處理中典型的三種懸浮填料進(jìn)行試驗(yàn)，每種類型再選取兩類常用規(guī)格，探究結(jié)構(gòu)相同的懸浮填料在相同填充率下的處理效果，以及結(jié)構(gòu)相同、規(guī)格不同的填料的處理效果差異，分析主要的影響因素。選取六種填料的主要性能如表1所示。

表1 生物填料主要性能參數(shù)Tab.1 Main Performance Parameters of Selected Bio-Packings

序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)為6組規(guī)格相同的有機(jī)玻璃柱，單組裝置如圖1所示。反應(yīng)器內(nèi)徑為150 mm，液位高為1 050 mm，反應(yīng)器內(nèi)填料堆積體積為反應(yīng)器的50%，有效容積為18.55 L。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental Apparatus

1.2 試驗(yàn)運(yùn)行管理

試驗(yàn)用水取自安徽工業(yè)大學(xué)芝麻山莊教師公寓4月～6月化糞池處出水，水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。水中含有少量的懸浮物質(zhì)，每次試驗(yàn)不過(guò)濾，直接加入SBBR反應(yīng)柱，試驗(yàn)采用空壓機(jī)供氣，控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量為3～5 mg/L。試驗(yàn)污泥取自馬鞍山某污水處理廠好氧區(qū)，MLSS濃度為4 000 mg/L。

表2 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Water Quality Index of Influent

1.3 檢測(cè)分析方法

CODCr、NH3-N、TP的測(cè)定參照國(guó)家環(huán)保總局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法；溶解氧、溫度采用便攜式溶解氧測(cè)定儀(雷磁JPBJ-608)測(cè)定；pH值采用數(shù)顯pH計(jì)(雷磁pHS-25)測(cè)定。

1.4 填料容積負(fù)荷率

CODCr容積負(fù)荷率[g CODCr/(m3生物填料·d)]是指在保證水處理達(dá)到要求的前提下，每m3生物填料在1 d內(nèi)所能接受的CODCr量，本研究中如式(1)。

(1)

其中：Q—污水流量，m3/d；

S0—污水中有機(jī)污染物(CODCr)的濃度，g/L；

V—SBBR反應(yīng)器生物填料的總體積，m3；

T—污水在反應(yīng)器內(nèi)一個(gè)周期的時(shí)間，h；

V水—反應(yīng)器實(shí)際進(jìn)水水量，L；

V填料—填料在反應(yīng)器內(nèi)不含孔隙的實(shí)體積，L；

M—Q/V。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料容積負(fù)荷率

六種填料的有效容積負(fù)荷如表3所示，其大小排列順序?yàn)椋簯腋√盍螷3<蛇皮絲球形懸浮填料Ⅰ<懸浮填料K1<多面空心球Ⅱ<多面空心球Ⅰ<蛇皮絲球形懸浮填料Ⅱ。

表3 填料容積負(fù)荷率Tab.3 Volumetric Loading Rate of Packings

2.2 出水處理效果

2.2.1 CODCr去除效果

不同填料對(duì)CODCr的去除效果如圖2和表4所示，去除率均值為63.15%。各填料抗進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)能力強(qiáng)，CODCr出水效果穩(wěn)定，出水濃度維持在100 mg/L內(nèi)。其中填料K3和多面空心球Ⅰ的去除率分別為69.05%和67.26%，出水水質(zhì)好；蛇皮絲懸浮球Ⅱ、蛇皮絲懸浮球Ⅰ和多面空心球Ⅱ的去除率分別為64.64%、61.95%和61.05%，出水水質(zhì)一般；填料K1的去除率為56.79%，出水水質(zhì)相對(duì)較差。說(shuō)明不同結(jié)構(gòu)、不同規(guī)格的懸浮填料水處理效果差別較大。

懸浮填料K1和多面空心球Ⅱ的容積負(fù)荷較小，但出水水質(zhì)較差，可能與運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。蛇皮絲球形填料的比表面積最大，但其單位體積大，在填充容積固定的情況下，K型填料的堆積密度依次大于多面空心球填料和蛇皮絲懸浮球填料，蛇皮絲懸浮球填料的總有效面積最小，即按照總面積分析來(lái)說(shuō)，水處理效果依次為K型填料>多面空心球填料>蛇皮絲懸浮球填料。其中填料K1和多面空心球Ⅱ的水處理效果較差，不滿足以上的面積規(guī)律，要結(jié)合填料的流化程度和填料表面的微生物種類探究其存在處理效果差異的原因。

圖2 不同填料進(jìn)出水CODCr的變化Fig.2 Variation of CODCr in Inlet and Outlet of Different Packings

圖3 不同填料進(jìn)出水NH3-N的變化Fig.3 Variation of NH3-N in Inlet and Outlet of Different Packings

2.2.2 NH3-N去除效果

NH3-N生化處理的結(jié)果如圖3和表4所示，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水NH3-N較高時(shí)(>60 mg/L)處理效果明顯不佳，水質(zhì)負(fù)荷濃度過(guò)大，硝化反硝化性能受影響[8]。試驗(yàn)前期懸浮填料對(duì)NH3-N的處理效果不佳，后期處理效果較好，其中填料K3和多面空心球Ⅰ的去除率分別為44.00%和35.66%，出水水質(zhì)較好；蛇皮絲懸浮球Ⅱ、多面空心球Ⅱ以及K1的去除率分別為31.65%、31.51%和30.15%，出水水質(zhì)一般；蛇皮絲懸浮球Ⅰ的去除率為22.74%，出水水質(zhì)最差。

在NH3-N處理中，填料的結(jié)構(gòu)并不能決定其對(duì)化糞池尾水的處理效果。各填料的處理效果與其所承受的容積負(fù)荷無(wú)相關(guān)性，需要進(jìn)一步結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)及微生物分布來(lái)分析其差異存在的原因。

2.2.3 TP去除效果

圖4和表4為6種懸浮填料對(duì)尾水中磷的去除效果，由圖4可知，TP的進(jìn)出水趨勢(shì)存在一致性，說(shuō)明所有懸浮填料對(duì)TP去除的穩(wěn)定性差，處理效果一般，平均去除率為33.51%。各填料根據(jù)去除率由高到低依次為蛇皮絲懸浮球Ⅱ(35.33%)>K1填料(34.58%)蛇皮絲懸浮球Ⅰ(34.13%)>多面空心球Ⅰ(33.38%)>多面空心球Ⅱ(33.35%)>K3填料(29.28%)，可知6種填料對(duì)TP的處理效果均不佳，出水差異性小。單結(jié)構(gòu)反應(yīng)器對(duì)磷的去除是通過(guò)聚磷菌的厭氧釋磷、好氧吸磷以及富磷污泥的外排來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9]；懸浮填料膜量少，生物膜脫落慢，是磷處理效果不佳的可能原因。

圖4 不同填料進(jìn)出水TP的變化Fig.4 Variation of TP in Inlet and Outlet of Different Packings

綜上分析如表4所示，CODCr出水效果較好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水較差的是K1填料和多面空心球填料Ⅱ；NH3-N出水效果較好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水較差的是蛇皮絲懸浮球填料Ⅰ；6種填料對(duì)TP的處理效果較一致，除磷效果不佳。可見(jiàn)在相同試驗(yàn)條件下，懸浮填料K3承受的容積負(fù)荷最小，對(duì)水質(zhì)具有較好的承受能力，去除效果最好；蛇皮絲懸浮球Ⅰ、蛇皮絲懸浮球Ⅱ、K1及多面空心球Ⅱ?qū)ODCr和NH3-N的去除率不及單位容積負(fù)荷較大的多面空心球Ⅰ。

表4 填料出水水質(zhì)Tab.4 Quality of Treated Water

2.2.4 微生物生長(zhǎng)情況

鏡檢結(jié)果如圖5所示，六種填料表面都較好地生長(zhǎng)累枝蟲(chóng)，說(shuō)明懸浮填料對(duì)化糞池尾水具有一定的處理效果；多面空心球和蛇皮絲懸浮球填料表面楯纖蟲(chóng)生長(zhǎng)較多，但單蛇皮絲球形填料表面出現(xiàn)了少量線蟲(chóng)，這是水質(zhì)指標(biāo)不好的標(biāo)志，分析原因可能是由于蛇皮絲球形填料內(nèi)部流化程度差，老化生物膜無(wú)法脫落導(dǎo)致。在K3填料和蛇皮絲球形填料上均發(fā)現(xiàn)絲狀菌，但K3填料內(nèi)部?jī)H有少量絲狀菌，有利于脫氮，而蛇皮絲球形填料表面含有大量絲狀菌，說(shuō)明蛇皮絲球形填料表面生物膜更新程度較差，結(jié)合流化程度分析，原因一致。

圖5 填料表面的微生物種類(a)～(c)累枝蟲(chóng)；(d)楯纖蟲(chóng)；(e)絲狀菌；(f)線蟲(chóng)Fig.5 Microorganism Species on Surface of Packings (a)～(c) Weary; (d) Fiber; (e) Filamentous Bacterium; (f) Nematode

2.3 填料流化程度對(duì)去除效果的影響

填料的流化程度主要與填料的結(jié)構(gòu)規(guī)格及曝氣量相關(guān)。在本試驗(yàn)條件下，六種填料掛膜后流化由易到難依次為K1填料>K3填料>多面空心球Ⅰ>多面空心球Ⅱ>蛇皮絲懸浮球填料Ⅰ>蛇皮絲懸浮球填料Ⅱ。

如圖6(a)所示，K型填料中，K3填料流化程度適中，對(duì)CODCr和NH3-N的去除率分別達(dá)到69.05%和44.00%，填料內(nèi)環(huán)空孔附著圓形氣泡，填料在反應(yīng)器內(nèi)擾動(dòng)，內(nèi)孔氣泡狀態(tài)穩(wěn)定。內(nèi)孔膜分布均勻，少量膜堆積，外表面可摩擦接觸面較大，膜更新較快，活性高。如圖6(b)所示，K1填料流化程度較劇烈，對(duì)CODCr和NH3-N的去除率僅達(dá)到56.79%和30.15%，水流沖刷力度大，生物膜不穩(wěn)定，膜量少；在微生物鏡檢中，K1填料表面累枝蟲(chóng)少見(jiàn)，其他類型微生物的數(shù)量種類較其他填料少，處理效果較差。

圖6 兩種K型填料的掛膜效果圖 (a)K3；(b)K1Fig.6 Biofilm Culturing Effect of Two K-Type Packings (a) K3; (b) K1

多面空心球Ⅰ呈半流化狀態(tài)，對(duì)CODCr和NH3-N的去除率分別為67.26%和35.66%，去除效果僅差于K3填料。多面空心球Ⅱ幾乎不流化，對(duì)CODCr和NH3-N的去除率分別為61.05%和31.65%。多面空心球Ⅱ與多面空心球Ⅰ結(jié)構(gòu)相同但處理效果差異性較大，如圖7(a)所示，多面空心球Ⅱ內(nèi)部無(wú)氣泡附著，其扇葉狀表面，即非摩擦接觸面處有大量老化生物膜，呈絮狀附著，當(dāng)積累到一定程度時(shí)隨擾動(dòng)水流脫落，膜更新較慢；多面空心球Ⅰ流化程度較好，如圖7(b)所示，老化生物膜脫落較快，表面無(wú)絮狀積累。

圖7 兩種多面空心球填料的掛膜效果圖(a)多面空心球Ⅱ；(b)多面空心球ⅠFig.7 Biofilm Culturing Effect of Two Multi-Plane-Hollow-Sphere Packings (a) Multi-Plane-Hollow-Sphere Ⅱ; (b) Multi-Plane-Hollow-Sphere Ⅰ

蛇皮絲懸浮球填料流化程度差，填料間缺乏摩擦運(yùn)動(dòng)，填料表面生物膜厚重，球內(nèi)表面積累大量老化生物膜，無(wú)法脫落更新，導(dǎo)致線蟲(chóng)繁殖，水處理效果變差。蛇皮絲懸浮球填料Ⅰ對(duì)CODCr和NH3-N的去除率分別為61.95%和23.22%，蛇皮絲懸浮球填料Ⅱ?qū)ODCr和NH3-N的去除率分別為64.69%和31.51%，除多面空心球Ⅱ外去除效果最差。

因此，流化程度對(duì)于懸浮填料的水處理效果起到重要的影響作用，流化程度適宜的填料的出水效果比流化緩慢或過(guò)于劇烈的填料要好。合理調(diào)節(jié)填料的填充率、曝氣量能夠改善填料的水質(zhì)處理效果[10]，因此可通過(guò)調(diào)整曝氣量提高填料的生化處理效果，也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)新型填料結(jié)構(gòu)，在適宜溶解氧的條件下達(dá)到理想的流化程度。

2.4 出水對(duì)后續(xù)處理的影響

化糞池尾水為高NH3-N污水，污染物濃度高于市政管網(wǎng)內(nèi)匯集的其他污水，是受納污水處理廠的主要污染源。本試驗(yàn)所取的化糞池尾水，NH3-N均值可達(dá)72.94 mg/L，CODCr均值達(dá)314.92 mg/L，其C/N比值為4～5，填料處理后NH3-N均值為49.09 mg/L，CODCr均值為115.08 mg/L，其C/N比值降低至2～3，降低了氮的含量，但同時(shí)也大大降低了C/N比值。后續(xù)若進(jìn)入城市污水廠處理，處理過(guò)程中需要大量投加C源，造成處理成本的增加；若不投加C源，不利于后續(xù)生化脫氮，會(huì)造成脫氮效果差，出水排放不達(dá)標(biāo)。

人工濕地是一種綠色環(huán)保的處理方式，處理過(guò)程能耗低，同時(shí)脫氮效果好，但其可承受的有機(jī)污染負(fù)荷低，不能直接處理高負(fù)荷的化糞池尾水。

因此經(jīng)懸浮填料反應(yīng)器處理后的化糞池尾水，筆者不建議進(jìn)入污水廠處理，而建議進(jìn)入人工濕地進(jìn)行處理。采用人工濕地的處理方式，不僅可以去除較多的NH3-N，同時(shí)可在C/N比值較小的基礎(chǔ)上，大幅度降低化糞池尾水的污染負(fù)荷，適合人工濕地系統(tǒng)的負(fù)荷承載力，節(jié)能環(huán)保。

3 結(jié)論

(1)選取六種懸浮填料，對(duì)化糞池尾水進(jìn)行生化試驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)CODCr出水較好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水較差的是K1填料和多面空心球填料Ⅱ；NH3-N出水效果較好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水較差的是蛇皮絲懸浮球填料Ⅰ；六種填料的TP出水效果相近，處理效果不佳。

(2)懸浮填料對(duì)化糞池尾水生化處理的過(guò)程中，應(yīng)合理控制溶解氧范圍，確保適宜的流化程度。流化程度過(guò)于劇烈，會(huì)導(dǎo)致膜量更新過(guò)快，不利于生物膜生長(zhǎng)和微生物附著；流化程度過(guò)弱，會(huì)導(dǎo)致懸浮填料間老化生物膜難以脫落，絲狀菌和線蟲(chóng)大量繁殖，使得化糞池尾水處理效果不佳。

(3)單個(gè)填料的比表面積對(duì)于污染去除效果的影響無(wú)法直接評(píng)價(jià)，要計(jì)算在適宜填充比下的總面積，面積大的處理效果相對(duì)較好。同時(shí)考慮反應(yīng)器內(nèi)的流化程度等多方面因素的影響，在相同流化程度的條件下，總面積大的填料生化處理效果較好。

(4)經(jīng)懸浮填料處理后的化糞池尾水，C/N比值下降，建議采用人工濕地的處理方式，無(wú)需外加C源的基礎(chǔ)上脫氮效果好，節(jié)能環(huán)保。