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摘 要： 摘要] 對采用高效復合生物流化床反應器處理中高濃度廢水進行了試驗研究。研究表明, 三相分離區形成穩定的污泥層, 有利于進一步提高反應器對污水的凈化效果: 曝氣區出水經三相分離區污泥層的接觸吸附及截濾作用, 可使出水中懸浮物被有效去除; 硝態氮在此缺氧的污泥層中
摘要] 對采用高效復合生物流化床反應器處理中高濃度廢水進行了試驗研究。研究表明, 三相分離區形成穩定的污泥層, 有利于進一步提高反應器對污水的凈化效果: 曝氣區出水經三相分離區污泥層的接觸吸附及截濾作用, 可使出水中懸浮物被有效去除; 硝態氮在此缺氧的污泥層中可利用剩余碳源進行反硝化, 使總氮去除率得以顯著提高; 出水水流中的 BOD5 則在通過污泥層時被吸附和截濾后, 在反硝化作用中被作為碳源利用而得到進一步去除。
[ 關鍵詞] 高效復合生物流化床反應器; 三相分離區污泥; 脫氮
復合生物反應器是由附著相和懸浮相微生物共同作用復合而成的污水處理系統。它同時兼具活性污泥法與生物膜法的主要優點, 生物密度大、污泥沉降好、處理效率高、硝化效果穩定〔1〕, 其研究和應用正日益受到關注。而流化床工藝自 20 世紀 70 年代初由化工領域中引入并應用于污水生物處理實踐以來, 得到了迅速發展, 它具有容積負荷高、抗沖擊能力強、傳質效果好、微生物活性強、占地少等優點, 其缺點是操作復雜, 載體磨損, 脫氮效果有待提高, 運行不夠穩定等〔2〕。高效復合生物流化床反應器, 正是結合了復合生物反應器與生物流化床的優點, 改進了傳統生物流化床工藝存在的不足, 使其在實際應用中更具優勢。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置
試驗系統如圖 1 所示。高效復合生物流化床反應器由有機玻璃制作, 總容積為 25 L, 其中好氧流化區為 15 L, 三相分離區 10 L。模型總高 1 700 mm,總長 440 mm, 寬 90 mm, 溢流槽高 20 mm; 中間隔板高 950 mm; 進水管直徑為 10 mm; 出水管直徑 8 mm。廢水池的污水通過蠕動泵泵入反應器中, 并采用轉子流量計計量。經流化床反應器處理后的水, 經三相分離區進行固、液、氣的三相分離后, 經堰板溢流到集水槽, 并從出水管流出。三相分離區沉淀分離出來的固相物質, 一部分通過污泥回流縫回流到好氧流化區, 其余部分則在三相分離區底部形成一定動態累積, 通過設置的排泥管, 可控制其積累程度或全部排空。流化床反應器采用空氣壓縮機供氣, 用氣體轉子流量計計量, 并通過微孔曝氣頭分散成小氣泡進入升流區。在進入氣體的推動作用和夾氣水流密度差的作用下, 水流攜帶載體在反應器內處于循環流化的工作狀態。試驗系統正常運轉一段時間后, 系統內除固著于陶粒載體表面的生物相外, 還大量存在懸浮絮體生物相, 二者共同作用而形成高效復合生物流化床反應器。
1.2 生物載體
高效復合生物流化床反應器內填充的生物載體采用“高效掛膜輕質生物陶粒”, 外觀為近球形不規則顆粒, 紅褐色, 表面粗糙多微孔。本次試驗采用的粒度為 0.5~1.0 mm, 密度為 1.62 g/cm3 , 堆積密度為 0.72 g/cm3 , 比表面積約為 4.7 m2 /g, 內孔隙率約為 28%。
1.3 廢水成分
系統采用的試驗廢水取自某工業園區混合廢水, 屬含氮中高濃度有機工業廢水。主要水質指標見表 1。
1.4 試驗方法
試驗系統保持水溫為 20 ℃左右, 供氣量根據水量水質變化而相應改變, 以溶解氧大于 2 mg/L, 同時可使載體正常流化為標準進行調整。試驗系統在經過 20 d 的培養馴化后, 分別調整 HRT、進水濃度、供氣量、污泥層厚度等, 運行穩定后檢測分析, 以確定系統適宜的運行參數。在此穩定運行條件下考察三相分離區污泥層對 BOD5、SS、氨氮、總氮去除效果的影響。
2 結果與討論
2.1 顆粒載體循環流化能耗
流化床反應器可充分利用內外管的流體密度差, 使載體在一定的氣速、液速下在整個床內循環, 當載體膨脹高度超過提升筒并進入降流筒, 從而進入循環流, 此時的速度稱為循環流態化臨界值, 該值不僅與載體物理性質、投加率密切相關, 另外受氣速、液速的影響較大。確定循環流化態臨界值, 有助于探求反應器最佳操作工況。本次試驗中, 首先確定一定量的載體投加率( 5%、10%、15%、20%) , 通過觀測法記錄不同載體投加率時, 顆粒載體達到循環流態化臨界值時所對應的氣速。結果表明, 載體投加率不同, 達到循環流化態所需的臨界氣速、液速也不同, 呈非線性關系。本試驗由于高濃度污水的進水流量很小, 因此忽略了液速的影響, 在進水流速為 0 的情況下調整供氣量, 觀察陶粒顆粒載體循環流態化臨界值的差別, 并將試驗數據整理于圖 2。
由圖 2 可知, 在不同的載體投加率下顆粒載體達到循環流態化所需的供氣量也有很大不同。當液速一定時, 循環流態化臨界氣速值隨載體投加率的 增大先減小后增大, 這說明在一定范圍內, 載體量越大, 氣體與載體的接觸量就越大, 單位氣體上升時所攜帶的載體量就越多, 因而越易實現流態化, 另一可能的原因是載體量越大, 其在內筒所占的高度就越大, 在較低的膨脹率下就可到達內筒頂部從而實現內循環。隨著載體含率再度增加, 內筒內存在的氣泡以細碎的小氣泡為主, 其抬升力量比大氣泡小, 所以需要較大的氣速才能使之達到內循環流態化。而不同顆粒載體的密度、形狀、粒徑尺度等性狀指標的不同也導致了所需要的流化能耗的不同。高效掛膜輕質生物陶粒由于在人工設計與制造過程中, 強調其密度小、強度高、球狀外形、粒徑均勻等性能要求, 因此所需流化能量較為節省。
2.2 BOD5 的去除
試驗系統保持 HRT 為 1.5 h, 控制進水 BOD5 質量濃度為 400 ~ 650 mg/L, 載體投加率 20%, 在曝氣量為 0.25 m3 /h 的條件下, 此時載體可充分流化, 且 DO可保證在 2 mg/L 以上。分別在三相分離區污泥排空和控制泥層穩定兩種情形下進行試驗, 每段試驗穩定后連續監測 10~15 d, 系統對 BOD5 的去除效果對比如圖 3 所示。
由圖 3 可見, 兩種情況下, BOD5 的去除率均可達到 85%以上, 但在三相分離區存在穩定污泥層的運行條件下, BOD5 的去除率略高于三相分離區污泥全部排空的運行狀態。這表明, 三相分離區污泥層的微生物群落可以通過代謝作用繼續消耗一定碳源。
2.3 SS 的去除
試驗系統保持上述條件, 此時測得進水 SS 質量濃度范圍為 75.5 ~ 93.2 mg/L, 分別在三相分離區污泥排空和控制泥層穩定兩種情形下, 測得系統對 SS 的去除效果對比如圖 4 所示。
由圖 4 可見, 兩種情況下 SS 的去除率有明顯差別。在三相分離區存在穩定污泥層的運行條件下, SS 去除率可高達 80% ~ 90%, 而在三相分離區污泥全部排空的運行狀態下, 去除率為 75% ~ 79%。這表明, 三相分離區形成穩定的污泥層對出水水流中攜帶的微小懸浮顆粒有吸附和截濾作用, 有助于提高系統對 SS 的去除效果。
2.4 氨氮的去除
試驗系統保持上述條件, 測得進水氨氮質量濃度范圍為 69.4~80.6 mg/L, 兩種情形下分別測得系統對氨氮的去除效果對比如圖 5 所示。
從圖 5 可見, 兩種情況下氨氮的去除率并無十分明顯的差別, 均在 90%以上。但在三相分離區污泥全部排空的運行狀態下去除率較為穩定, 在 93% 左右小幅度波動, 而在三相分離區存在穩定污泥層的運行條件下, 氨氮去除率變化幅度稍大些, 在 91% ~ 95%之間, 這表明, 氨氮的去除主要在好氧流化區完成, 三相分離區污泥層對出水中氨氮濃度的變化僅有輕微影響。
2.5 總氮的去除
上述試驗條件下, 進水總氮質量濃度范圍為 86.1~97.7 mg/L, 在三相分離區兩種不同情形下分別測得系統對總氮的去除效果對比如圖 6 所示。
從圖 6 可見, 兩種情況下總氮去除率差別十分顯著。在三相分離區污泥全部排空的運行狀態下總氮去除率較低, 僅在 25% ~ 30%之間波動, 而在三相分離區存在穩定污泥層的運行條件下, 總氮去除率大幅度提高, 達到 70% ~ 75%。這表明, 在好氧流化區被微生物新陳代謝作用所利用以及在生物載體內微環境缺氧反硝化作用下所去除的總氮僅有 25% ~ 30%, 而三相分離區污泥層中的兼性微生物可利用附近流化區水流中的碳源及出水中的剩余碳源, 在三相分離區污泥層的缺氧條件下較好地進行反硝化, 可使系統對總氮的去除率提高到 70%~75%
2.6 污泥層對去除效果影響的機理探討
試驗現象反映出, 曝氣區存在一定碳源水平的條件下, 可取得很高的硝化程度。這表明固著在載體上的微生物群落內存在不受碳源抑制的硝化菌種群。李叢娜等〔2〕在對活性污泥 SBR 反應器同步脫氨氮系統進行研究時, 曾發現進水 BOD5 /NH3 越高, TN 去除率越高, 同步硝化反硝化現象越明顯, 并由此推測活性污泥菌膠團中存在異養硝化菌和好氧反硝化菌。筆者認為, 本試驗系統由于采用了多微孔結構的改性輕質生物陶粒, 固著了豐富的微生物菌群, 形成了有利的微環境, 并在試驗系統高 BOD5、高氨氮、DO 充分的運行條件下, 通過適應馴化與生物篩選作用, 獲得了可適應一定碳源水平的優勢硝化菌種群。
曝氣區對總氮的去除率僅有 25% ~ 30%, 表明本系統內并未出現占優勢的好氧反硝化菌, 其去除部分主要為微生物新陳代謝過程所利用。而當三相分離區存在穩定的污泥濾層時, 由曝氣區進入的水流, 經污泥濾層的接觸絮凝及淺池沉降作用, 出水中懸浮物被高效截留; 同時, 水流中硝態氮在此缺氧的污泥層中利用剩余的碳源進行反硝化, 使總氮去除率得以顯著提高; 反硝化過程釋出的 N2 則在三相分離區內凝集并溢出, 同時也起到攪拌污泥層, 強化接觸絮凝, 并使其動態更新的作用。
3 結
論高效復合生物流化床反應器結合了復合生物反應器與生物流化床的優點, 因此具有更高的處理效率。而三相分離區形成穩定的污泥層, 有利于進一步提高反應器對污水的凈化效果。曝氣流化區出水經三相分離區污泥層的接觸吸附及截濾作用, 出水中懸浮物被有效去除; 同時水流中硝態氮在此缺氧的污泥層中可利用剩余碳源進行反硝化, 使總氮去除率得以顯著提高; 而出水水流中的 BOD5 則在通過污泥層時被吸附和截濾后, 在反硝化作用中被作為碳源利用而得到進一步去除。 ——論文作者：王鶴立 1 , 程麗 2 , 周丹丹 2
[ 參考文獻] [ 1] 王鶴立, 程麗, 李向東. 高效復合生物反應器處理工業廢水的研究[J]. 工業水處理, 2001, 21( 12) : 29- 31.
[ 2] 李叢娜, 呂錫武, 稻森悠平. 同步硝化反硝化脫氮研究[J].給水排水, 2001, 27( 1) : 22- 24.
