生物編帶填料對(duì)生物反應(yīng)器運(yùn)行效果的研究

黃青飛, 李 東, 周 凱

(安徽舜禹水務(wù)股份有限公司, 安徽 合肥 230000)

近年來(lái),農(nóng)村分散式生活污水治理成為熱門(mén)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(diǎn)[1],具有生物種類(lèi)多、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、可間歇運(yùn)行、無(wú)污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)[2],在農(nóng)村生活污水處理中得到廣泛應(yīng)用。 生物接觸氧化法重點(diǎn)在于生物填料選取[3],生物填料的生物負(fù)載量直接影響生化過(guò)程中污染物的去除效果。 趙憲章等[4]研究組合填料對(duì)多級(jí)AO 工藝運(yùn)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(wú)填料有明顯降低。 熊正為等[5]研究表明,填料填充率在80%時(shí),缺氧池負(fù)載生物膜量最多,對(duì)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(jí)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(chǎn)量,COD、-N 可穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn),在一定程度上填充率與氨氧化速率呈正相關(guān)關(guān)系,同時(shí)填料的使用有利于減少污泥產(chǎn)量。 張新波等[8]研究表明,采用懸浮填料作為生物填料時(shí),20%填充率和30%填充率對(duì)于生物處理效果差異不大,但前者生物負(fù)載量卻高于后者。

在污水處理的實(shí)際工程應(yīng)用中,特別是對(duì)于小規(guī)模、間歇排放的生活污水處理,生物填料的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì),其中較為常見(jiàn)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(fù)載高,對(duì)生物硝化、碳化優(yōu)勢(shì)明顯等優(yōu)點(diǎn)尤其受到業(yè)內(nèi)青睞。本文重在對(duì)比研究化纖絲復(fù)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(lèi)型填料的生物負(fù)載量,并優(yōu)選生物編帶直線填料作為研究對(duì)象,研究填料中心間距7.5 cm 條件下對(duì)生物反應(yīng)器運(yùn)行效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主體設(shè)備采用一體化污水處理設(shè)備,一體化設(shè)備長(zhǎng)×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(shè)施整體工藝流程見(jiàn)圖1。 污水依次經(jīng)過(guò)格柵調(diào)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(jìn)行污水站內(nèi)園林綠化,濾液回流至調(diào)節(jié)池內(nèi)。 缺氧池和好氧池內(nèi)均填充懸掛式生物編帶直線填料(長(zhǎng)×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(shí)在好氧池1 內(nèi)投加單位長(zhǎng)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(shè)施整體工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment facilities

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)及檢驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究水質(zhì)為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活污水,主要水質(zhì)情況見(jiàn)表1。 對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)方法和化驗(yàn)程序嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定的水質(zhì)采樣和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其中DO 和溫度測(cè)定采用HACH HQ30d 便攜式溶解氧儀,pH 采用玻璃電極法,COD 測(cè)定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989),-N 測(cè)定采用納氏試劑比色法(GB 7479—1987),TN 測(cè)定采用過(guò)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(xué)顯微鏡。

表1 進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 The influent water quality

對(duì)生物負(fù)載量采用生物膜干重法進(jìn)行測(cè)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(zhì)吹脫,然后將附有生物膜的填料置于105℃的烘干箱內(nèi),保持恒溫烘干30 min,等填料烘至恒重后對(duì)其稱(chēng)重,此時(shí)復(fù)合膜的重量與實(shí)驗(yàn)前復(fù)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?zhǔn)欠裢暾?其方法為：取出生物反應(yīng)器內(nèi)的部分生物填料,在無(wú)菌條件下,將填料上負(fù)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(jìn)行鏡檢。

1.3 反應(yīng)器的運(yùn)行調(diào)試

試驗(yàn)選用自然掛膜且運(yùn)行較為穩(wěn)定的一體化設(shè)備作為試驗(yàn)對(duì)象,所用生物填料為懸掛式生物編帶填料,反應(yīng)設(shè)備中兩處混合液回流均采用氣提回流。回流比根據(jù)TN 去除效果和缺氧區(qū)內(nèi)溶解氧情況,設(shè)置在100%～300%之間,進(jìn)水量為100 m3/d,進(jìn)水方式為單點(diǎn)連續(xù)進(jìn)水,試驗(yàn)過(guò)程反應(yīng)溫度在15 ～27℃,好氧區(qū)的溶解氧不低于3 mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料生物負(fù)載量對(duì)比

生物處理工藝污染物去除效果的好壞歸根結(jié)底取決于反應(yīng)器內(nèi)生物量的多少,對(duì)于采用生物接觸氧化工藝為主的反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)的生物量則主要取決于生物填料上的生物負(fù)載量。 由于生物接觸氧化法有關(guān)衡量生物膜特征的指標(biāo)沒(méi)有活性污泥法完備,為了更好衡量對(duì)比生物接觸氧化工藝生物性能,可計(jì)算單位體積反應(yīng)器內(nèi)填料生物負(fù)載總量。 填料間的間距和生物負(fù)載量有直接關(guān)系,理論上來(lái)講,填料間距越小,填料填充率越大,生物負(fù)載量越多,越有利于污染物的降解,但是填料間間距太小對(duì)溶解氧擴(kuò)散不利,也會(huì)影響處理效果,同時(shí)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(chǎn)材料的多少有關(guān),所以反應(yīng)器內(nèi)投加的填料質(zhì)量與工程實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性有很大關(guān)系。 對(duì)好氧池1 內(nèi)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(lèi)型填料進(jìn)行生物負(fù)載量測(cè)定,同時(shí),根據(jù)填料生產(chǎn)廠家建議和工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)填料中心間距為7.5 cm,考察單位質(zhì)量、單位長(zhǎng)度填料生物負(fù)載量,掛膜時(shí)間選定15 d[12-13],對(duì)比掛膜前后生物負(fù)載量,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同填料生物負(fù)載量對(duì)比Tab.2 Comparison of biomass of different fillers

由表2 可知,不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的單位質(zhì)量填料對(duì)生物負(fù)載量各不相同,單位質(zhì)量填料生物負(fù)載量最高的為生物編帶直線填料,生物負(fù)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(zhǎng)度填料的生物負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載量分別為2 136.16、2 511.34 g/m3,仿水草填料生物負(fù)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(shù)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(yàn)條件下單位體積生物負(fù)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(fù)載量,需要從填料類(lèi)型上著手,如有關(guān)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(duì)于微生物負(fù)載更加有利,生物量可達(dá)7.8 ～20 mg/個(gè)[15],但是懸浮填料價(jià)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(duì)污染物的去除效果

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

圖2 反應(yīng)器對(duì)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(yīng)器對(duì)CODCr的去除率在64.71%～90.4%之間,均值為73.2%,進(jìn)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(dá)到DB34/ 3527—2019《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 可見(jiàn)在進(jìn)水COD 濃度波動(dòng)較大且進(jìn)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(shí)對(duì)COD 的去除率較為穩(wěn)定,說(shuō)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(duì)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(yīng)器對(duì)TN 的去除效果波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別出水TN 超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)A 時(shí),都滿足當(dāng)?shù)嘏欧乓蟮腄B34/3527—2019《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 可以看出,TN 的去除率稍低于相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范或相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)的數(shù)據(jù)[4,16-18],分析可能是農(nóng)村污水點(diǎn)多面廣。 因此,本研究在農(nóng)村生活污水的慣性運(yùn)維管理基礎(chǔ)上,污水場(chǎng)站非全天候有人看管值守,而是采取定期巡檢的方式,通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),非運(yùn)維期內(nèi)有故障報(bào)警時(shí)再現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題恢復(fù)正常運(yùn)行,這就造成污水處理設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)異常不能及時(shí)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(shí)需要增加碳源,對(duì)于點(diǎn)多面廣的農(nóng)村污水運(yùn)維管理尤其不便,從而影響TN 去除效果[19-20]。 另外,本項(xiàng)目所用混合液回流采用氣提技術(shù),氣提回流會(huì)使一部分溶解氧進(jìn)入缺氧區(qū),如果在回流過(guò)程中沒(méi)做到完全釋氧,也會(huì)對(duì)缺氧區(qū)反硝化作用產(chǎn)生一定影響[21]。

圖3 反應(yīng)器對(duì)TN 的去除情況Fig.3 TN removal in the bioreactor

圖4 反應(yīng)器對(duì)-N 的去除情況Fig.4 -N removal in the bioreactor

2.3 生物膜鏡檢結(jié)果

對(duì)于采用生物接觸氧化法工藝的污水處理設(shè)施,污染物去除效果與選用的填料類(lèi)型至關(guān)重要[12,24-25],為研究本項(xiàng)目所用的生物編帶直線填料,對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描,結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jié)構(gòu),纖維絲直徑約20～30 μm,經(jīng)測(cè)算平均比表面積約0.82 m2/g,超細(xì)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(duì)正常運(yùn)行狀態(tài)下掛膜填料進(jìn)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(xì)菌為食的跳側(cè)滴蟲(chóng)、楯纖蟲(chóng)等原生動(dòng)物,原生動(dòng)物作為指示生物的存在表明微生物活性較強(qiáng)[26],同時(shí)也有包括以原生動(dòng)物或懸浮物為食的線蟲(chóng)、水蚤等后生動(dòng)物以及肉眼可見(jiàn)的螞蟥、螺類(lèi)等大型水生動(dòng)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(zhì)較好[27]。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)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(zhì)量填料生物負(fù)載量分別為0.30、0.40、0.58、0.40 g/g,單位長(zhǎng)度填料生物負(fù)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(duì)象,當(dāng)生物填料填充率為33%時(shí),其生物負(fù)載量為2 136.16 g/m3,對(duì)生活污水CODCr、TN、-N 的平均去除率分別為73.2%、41.09%、90.16%,達(dá)到DB34/3527—2019《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

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(xì)菌為食的原生動(dòng)物到后生動(dòng)物過(guò)渡的完整生物鏈。

3.2 建議

① 為了減少運(yùn)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(shù)實(shí)現(xiàn)混合液的回流,對(duì)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(guò)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(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題,農(nóng)村生活污水處理不同于城鎮(zhèn)集中式污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理模式,加之農(nóng)村生活污水具有間歇排放、碳氮比較易失衡等特點(diǎn),因地制宜選擇合適的工藝技術(shù)成為農(nóng)村生活污水處理的重點(diǎn)。