陈佳慧 蔡德所 散剑娣 谢紫珺 郭一恒

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.湖北交投智能检测股份有限公司,湖北 武汉 430050;3.三峡基地发展有限公司,湖北 宜昌 443000)

近年来,现代工农业技术发展迅速,由此带来的水污染和水资源短缺问题日益严重[1-2],提高水处理技术水平刻不容缓。生活污水是居民日常生活中排出的污水,其主要有机污染物包括蛋白质、脂肪、尿素、氨氮等。针对生活污水的处理技术中,生物膜法被证实是一种有效的处理手段。生物膜法中,曝气生物滤池(Biological Aerated Filter,BAF)是一种应用广泛的水处理系统,主要通过滤料表面生物膜的生物氧化作用和物理截留作用实现污水中污染物的降解与去除[3-5]。研究表明[6-8],BAF不仅能够有效去除污水中的悬浮物和有机物,还可以实现脱氮、除磷、除碳,且占地面积较小、工艺简单、运行成本较低、出水水质较好,常用于处理不同类型的污水。

滤料是曝气生物滤池的核心部分,其表面结构和物理化学特性影响着生物膜的附着生长与繁殖,还影响着该工艺的处理效果和运行效能。目前BAF滤料以页岩、高岭土和黏土烧制的陶粒为主,具有比表面积大、表面粗糙、孔隙性好、吸附能力强、生物附着性强、挂膜效果好等优点,有利于微生物在陶粒表面附着生长[9-10]。但页岩、高岭土和黏土等制备原料属于不可再生资源,大量开采会严重破坏生态环境,且制备成本较高。河道底泥是一种固体废弃物,其化学成分与制陶原料相似。利用河道底泥制备BAF用陶粒,不仅生活污水处理成本低,还可实现河道底泥的资源化利用。

本研究以河道底泥为主要原料制备陶粒,利用底泥陶粒作为BAF滤料处理生活污水,研究BAF挂膜启动、不同水力停留时间对污染物去除效果的影响,并与市售BAF陶粒进行比较,考察底泥陶粒曝气生物滤池的污水处理效能。以期为河道底泥的资源化利用提供一条新思路,为底泥陶粒用作BAF滤料处理生活污水的实践应用提供参考。

1.1 试验材料

试验用河道底泥采自广西桂林会仙湿地古桂柳运河,膨润土购自湖北东曹化学科技有限公司,可溶性淀粉取自国药集团化学试剂有限公司,石灰石购自宜昌志阳建材厂。按照河道底泥、膨润土、淀粉及石灰石质量比70∶30∶10∶13进行称重、混匀,制成粒径为6 mm的颗粒;将制得颗粒放置于干燥箱中,105 ℃下干燥2 h;随后放入马弗炉中,400 ℃下预热10 min,再在1 000 ℃下焙烧15 min,自然冷却后取出烧制好的底泥陶粒样品。

市售陶粒购自济南市煜赢环保建材厂,呈灰色球状。接种污泥为山东潍坊某污水处理厂的二沉池活性污泥。试验用水为三峡大学水科楼旁家属楼集水井的生活污水,其水质情况如表1所示。

表1 生活污水水质指标Table 1 Water quality indexes of domestic sewage

1.2 试验装置

利用自行设计的曝气生物滤池进行试验,装置示意如图1所示。试验装置由进水桶、圆柱体反应器、空气泵、蠕动泵、气体流量计、出水桶构成。反应器采用直径和高度分别为18、50 cm的柱状圆筒,从下到上分别为布水层、滤料层、出水层。距离底部10 cm处设置PVC过滤板构成了布水层。滤料层填充有20 cm高的陶粒,填料总体积为5 L。在填料层上方10 cm处设置出水口,防止曝气时废液漏出。

图1 试验装置示意Fig.1 Diagram of testing device

1.3 试验方法

1.3.1 陶粒性能表征

根据《水处理用人工陶粒滤料标准》(CJT 299—2008),分别对底泥陶粒和市售陶粒的空隙率、比表面积、堆积密度和表观密度、破损率与磨损率之和、盐酸可溶率等性能指标进行测试,并利用扫描电镜(SEM)对其表面形态进行测试和分析对比。

1.3.2 反应器的挂膜启动

试验采用接种挂膜法。将底泥陶粒滤料和市售陶粒滤料分别装填到BAF中,加入活性污泥并淹没陶粒滤料进行接种,再注入生活污水闷曝3 d,曝气量设为4 L/min。曝气24 h后静置3 h,排出上清液并重新注满生活污水。第4 d后,排空BAF,注入生活污水并连续进水,水力停留时间设为16 h,溶解氧为2～5 mg/L,连续运行直至出水水质基本稳定,则认为反应器挂膜启动完成。参考《水和废水监测分析方法》(第4版)[11],每天监测进出水的COD、NH3-N、TP等,pH则通过pH计测定。

2.1 陶粒性能表征

2.1.1 SEM分析

对底泥陶粒和市售陶粒进行扫描电镜分析,结果如图2所示。可以看出:底泥陶粒表面粗糙,孔隙结构丰富,介孔和大孔居多,具有较强的吸附潜力,有利于微生物的附着、生长与繁殖[12];市售陶粒表面致密,孔隙结构以微孔、介孔居多。

图2 2种陶粒滤料的SEM图Fig.2 SEM images of two kinds of ceramsite filter media

2.1.2 陶粒性能测试

分别对底泥陶粒和市售陶粒进行了空隙率、比表面积、堆积密度和表观密度、破损率与磨损率之和、盐酸可溶率等水处理滤料性能测试,结果如表2所示。

表2 底泥陶粒和市售陶粒的性能指标Table 2 Performance indicators of sediment ceramsite and commercial ceramsite

由表2可知:底泥陶粒各项指标均满足《水处理用人工陶粒滤料》(CJ/T 299—2008)中规定的要求。底泥陶粒的空隙率和比表面积均高于市售陶粒,同时底泥陶粒的堆积密度和表观密度均小于市售陶粒。

2.2 BAF挂膜期间污染物的去除效果

2.2.1 COD的去除效果

底泥陶粒曝气生物滤池(SSC-BAF)和市售陶粒曝气生物滤池(CTC-BAF)挂膜启动阶段COD的质量浓度变化和去除效果如图3所示。

图3 挂膜阶段BAF中COD的去除效果Fig.3 The removal efficiency of COD in BAF during the biofilm formation stage

由图3可知:反应器的进水COD平均质量浓度为61.05 mg/L。在第4 d(即闷曝结束后),进水COD为92.6 mg/L,SSC-BAF的出水COD为83.07 mg/L,CTC-BAF的出水COD为75.23 mg/L,反应器对COD的去除率分别为10.29%、18.75%,这是由于陶粒滤料对有机物的吸附截留作用以及闷曝结束后滤料表面附着微生物对有机物的降解作用[13]。随着挂膜时间的延长,两组BAF出水COD的质量浓度不断减小,去除率不断增加,说明微生物在陶粒表面及内部附着生长,进行自身新陈代谢不断降解有机物,致使出水中COD浓度不断减小。第15 d时,SSC-BAF的COD去除率为83.46%,而CTC-BAF的COD去除率为74.27%。第15 d后,两组装置COD去除率基本趋于稳定,出水水质良好且稳定。可以看出,SSCBAF对COD的去除效果优于CTC-BAF,说明SSCBAF比CTC-BAF更易被微生物附着,底泥陶粒挂膜效果比市售陶粒效果好。

2.2.2 NH3-N的去除效果

底泥陶粒曝气生物滤池(SSC-BAF)和市售陶粒曝气生物滤池(CTC-BAF)挂膜启动阶段NH3-N的质量浓度变化和去除效果如图4所示。

图4 挂膜阶段BAF中NH3-N的去除效果Fig.4 The removal efficiency of NH3-N in BAF during biofilm formation stage

由图4可知:反应器进水NH3-N的平均质量浓度为58.26 mg/L。第4 d时,CTC-BAF的NH3-N去除率为29.50%,而SSC-BAF的NH3-N去除率明显高于CTC-BAF的,为39.62%;这可能是因为在闷曝结束后,已经有少量硝化细菌附着在陶粒表面上进行生命代谢,导致刚开始挂膜就对污水中的氨氮有一定的去除效果。随后,从第5 d到第7 d,SSC-BAF的NH3-N去除率低于CTC-BAF的;第8 d时,两组BAF对氨氮的去除率保持较快速地增长,这说明异氧菌受限制而增殖缓慢,硝化细菌快速增长,硝化作用增强。第15 d时,SSC-BAF的NH3-N去除率为88.75%,CTC-BAF对NH3-N的去除率为81.20%;可以看出,SSC-BAF对NH3-N的去除效果优于CTC-BAF。第16 d后,NH3-N去除率呈下降趋势,这是由于微生物繁殖过快,生物膜增厚,造成BAF滤料发生堵塞,降低了BAF对污染物的去除效果[14]。

2.2.3 TP的去除效果

底泥陶粒曝气生物滤池(SSC-BAF)和市售陶粒曝气生物滤池(CTC-BAF)挂膜启动阶段TP的质量浓度变化和去除效果如图5所示。

图5 挂膜阶段BAF中TP的去除效果Fig.5 The removal efficiency of TP in BAF during biofilm formation stage

由图5可知:反应器进水TP的平均质量浓度为2.86 mg/L。在第4 d(进水第1 d),进水TP质量浓度为3.49 mg/L,SSC-BAF对TP去除效果显著,出水TP质量浓度为1.29 mg/L,去除率达到63.04%,而CTC-BAF的出水浓度为2.87 mg/L,去除率仅为17.77%。这是由于底泥陶粒孔隙结构丰富,吸附能力强;同时陶粒内部的少量金属盐可以有效地与磷酸盐结合,使得陶粒能够高效除磷[15]。随着挂膜时间的延长,从第4 d到第9 d,SSC-BAF对TP的去除率从63.04%增加到71.38%,而CTC-BAF对TP的去除率从17.77%上升到52.19%;第15 d时,SSC-BAF对TP的去除率为80.66%,CTC-BAF对TP的去除率为69.24%,且出水水质基本稳定,这说明生物膜已初步形成,BAF挂膜启动成功。

研究结果表明,反应器运行至第15 d时,BAF中各项指标的去除率趋于稳定,反应器内生物膜基本形成,反应器挂膜启动完成。SSC-BAF在挂膜阶段处理生活污水的效果优于CTC-BAF,说明底泥陶粒滤料挂膜效果优于市售陶粒滤料。

2.3 水力停留时间(HRT)对BAF系统处理效能的影响

为了使反应器达到最高的处理效率,本试验控制BAF气水体积比为5∶1,调节进水流量,使水力停留时间分别为16、18、20、22、24 h,考察水力停留时间对BAF系统处理效能的影响。

2.3.1 HRT对COD去除效果的影响

HRT对COD去除效果的影响见图6。

图6 水力停留时间对COD去除效果的影响Fig.6 Effect of HRT on COD removal efficiency

由图6可知:进水COD的质量浓度为50.6～67.31 mg/L,SSC-BAF出水COD的质量浓度为9.34～30.94 mg/L,CTC-BAF出水COD的质量浓度为14.67～34.71 mg/L。当水力停留时间为16、18、20、22、24 h时,SSC-BAF和CTC-BAF对COD的平均去除率分别为59.85%、69.67%、73.94%、77.24%、80.23%和50.53%、58.02%、65.03%、72.63%、68.74%。结果表明,较长的水力停留时间有利于陶粒滤料对COD的去除,且SSC-BAF对COD的去除效果优于CTC-BAF。

当水力停留时间为18 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水COD的平均质量浓度分别为20.67 mg/L和24.95 mg/L,均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。当水力停留时间延长至24 h时,SSC-BAF对COD的去除率保持相对稳定,而CTC-BAF对COD的去除率降低。这说明SSC-BAF具有更强的抗水力冲击负荷能力,运行稳定性更高。

BAF主要通过滤料的物理吸附、截留及滤料表面附着微生物的氧化和异养菌降解来去除污水中的有机物,实现COD的去除。由于底泥陶粒滤料比表面积大于市售陶粒且孔隙结构更丰富,其吸附能力更强,同等比表面积微生物附着量更丰富,水力停留时间延长后,生活污水与滤料充分接触,有利于微生物的附着生长与繁殖,且底泥陶粒滤料表面粗糙,微生物附着会更加稳定[16]。因此,底泥陶粒滤料可以提升BAF系统对COD的去除效果。

2.3.2 HRT对NH3-N去除效果的影响

HRT对NH3-N去除效果的影响见图7。

图7 水力停留时间对NH3-N去除效果的影响Fig.7 Effect of HRT on NH3-N removal efficiency

由图7可知:进水NH3-N的质量浓度为35.36～69.32 mg/L,SSC-BAF出水NH3-N的质量浓度为8.06～27.28 mg/L,CTC-BAF出水NH3-N的质量浓度为9.71～29.18 mg/L。当水力停留时间为16、18、20、22、24 h时,SSC-BAF对NH3-N的平均去除率为54.39%、62.56%、68.34%、71.21%、75.24%,CTCBAF对NH3-N的平均去除率为50.05%、57.02%、63.53%、67.28%、70.39%。可以看出,SSC-BAF对NH3-N的去除率明显高于CTC-BAF,表明SSC-BAF对NH3-N的去除效果优于CTC-BAF。

当水力停留时间为22 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水NH3-N的平均质量浓度分别为12.5 mg/L和14.21 mg/L,均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。随着水力停留时间的延长,出水NH3-N的质量浓度持续降低并趋于稳定。在较长的水力停留时间下,污染物与生物膜接触时间变长,但生物膜的厚度是有限的,微生物的降解作用也是有限的。

由于在曝气状态下,两组BAF内氧气充足,生物膜上的硝化细菌活性提高,硝化作用增强,污染物的去除率随水力停留时间的延长而增加;SSC-BAF溶解出的金属离子强化了硝化作用,有助于生化反应系统积累,从而提高了NH3-N的去除效果[17]。因此,底泥陶粒滤料可以提升BAF系统对NH3-N的去除效果。

2.3.3 HRT对TP去除效果的影响

HRT对TP去除效果的影响见图8。

图8 水力停留时间对TP去除效果的影响Fig.8 Effect of HRT on TP removal efficiency

由图8可知:进水TP的质量浓度为2.03～3.66 mg/L,SSC-BAF出水TP的质量浓度为0.46～1.28 mg/L,CTC-BAF出水TP的质量浓度为0.56～1.46 mg/L。当水力停留时间为16、18、20、22、24 h时,SSCBAF和CTC-BAF对TP的平均去除率分别为54.01%、61.45%、67.23%、73.92%、78.57%和50.72%、56.23%、62.06%、70.84%、72.08%,可知,随着水力停留时间的延长,两组BAF对TP的去除率逐渐增大,且SSCBAF对TP的去除效果优于CTC-BAF。

当水力停留时间为22 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水TP的平均质量浓度分别为0.56 mg/L和0.63 mg/L,均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

磷酸盐的去除主要通过滤料的截留吸附、微生物同化吸收和聚磷菌好氧吸磷等。由于底泥陶粒滤料表面附着微生物丰富且均匀,其中聚磷菌在好氧条件下吸收磷,实现生物除磷,降低了污水中的磷含量[18]。同时,底泥陶粒的成分中添加了石灰石(CaCO3),碳酸钙与生活污水中的磷酸盐反应可以生成磷酸钙沉淀,实现化学除磷,使污水中的磷减少,提高了SSC-BAF的除磷能力。因此,底泥陶粒滤料可以提升BAF系统对TP的去除效果。

以上结果表明,SSC-BAF在生活污水处理上相对CTC-BAF较优,其中SSC-BAF在低HRT下显示对COD去除的优越性。当水力停留时间达22 h及以上时,BAF处理效果较好且更稳定,对污染物的去除率较高。在保证污水处理效果的前提下,实际水处理中水力停留时间不宜过大。综上,确定处理生活污水的BAF反应器最佳水力停留时间为22 h。

(1)通过对底泥陶粒和市售陶粒进行性能测试和对比发现,底泥陶粒的表面更粗糙、空隙率更高、比表面积更大、密度更小,各项性能指标均满足《水处理用人工陶粒滤料》(CJ/T 299—2008)的要求,同时其表面粗糙、孔隙结构丰富,更适宜作为微生物的载体。

(2)微生物在底泥陶粒滤料成功挂膜仅需12 d,挂膜完成后,SSC-BAF对COD、NH3-N、TP的去除率比CTC-BAF分别提升了9.19、7.55、11.42个百分点。

(3)当水力停留时间分别达到22 h时,两组BAF出水COD、TP的质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准;出水NH3-N的质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。

(4)水力停留时间对BAF系统去除COD、TP有较大影响,对NH3-N的去除影响较小。当水力停留时间为22 h时,BAF处理效果更好且更稳定,此时SSC-BAF对COD、NH3-N、TP的平均去除率分别为77.24%、71.21%、73.92%,CTC-BAF对COD、NH3-N、TP的平均去除率分别为72.63%、67.28%、70.84%。SSC-BAF对生活污水中污染物的去除效果比CTC-BAF更好,底泥陶粒滤料可以提高BAF的处理效果。

(5)综合比较2种生物滤料的挂膜效果和除污效果,以河道底泥制备的陶粒滤料可以代替市售陶粒,具有市场应用潜力。底泥陶粒滤料BAF可实现河道底泥的资源化利用以及对生活污水的有效处理,达“以废治废”的效果。

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