生物接觸氧化法處理食品廢水運行效果研究

武曉紅，單 桐

(1.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,林學(xué)系，山西 太原 030009；2.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

生物接觸氧化法(BCO)是從生物膜法進(jìn)化出來的同時具有活性污泥法與生物膜法兩種工藝特點的一種新型高效污水處理方法，具有耐沖擊、負(fù)荷高、掛膜快、適應(yīng)性強、克服污泥膨脹、可間歇等優(yōu)點[1].此放法首次應(yīng)用于20世紀(jì)19世紀(jì)末[2]，但直到20世紀(jì)70年代后期，塑料材料[3]工業(yè)發(fā)展之后，此法才開始迅速發(fā)展.中國在20世紀(jì)70年代中開始研究此法在城市污水和工業(yè)污水上的應(yīng)用，現(xiàn)已投入實際生產(chǎn)中[4].

食品加工廢水通常有固體懸浮物多、可生化性好、有機物含量高、含氮量高、水量水質(zhì)變化大、油脂高的特點.針對當(dāng)前食品加工廢水的污水處理設(shè)施普遍存在投資運行費用高、活性污泥量大、處理效果不穩(wěn)定、出水氨氮和CODcr不達(dá)標(biāo)、污泥膨脹頻發(fā)等問題，同時結(jié)合生物接觸氧化法自身的技術(shù)特點，用多級串聯(lián)式生物接觸氧化的優(yōu)化設(shè)計理論[5]，本試驗將使用缺氧[6]/二級生物接觸氧化(A/BCO)的串聯(lián)組合生物反應(yīng)器工藝處理食品加工廢水[7].此工藝投資運行費用低，處理效果穩(wěn)定，既能取得剩余污泥的減量化和穩(wěn)定化同時得到較高的固體懸浮物、氨氮和CODcr去除率，使得排水質(zhì)量達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8987-1996)中第二類污染物最高允許排放要求的一級標(biāo)準(zhǔn)：CODcr為100 mg/L,氨氮為15 mg/L.

圖1 缺氧/二級生物接觸氧化工藝流程圖

表1試驗污水水質(zhì)

Tab.1 The inflow water quality during experiment

項目CODcr/mg·L-1NH3-N/mg·L-1水溫/℃pH含量613.2～843.132.67～50.3920～246.76～7.58

表2 試驗分析測定項目、方法及儀器

筆者主要研究A/BCO處理食品加工廢水時，水力停留時間(HRT)以及氣水比(GWR)[8]對A/BCO去除CODcr及氨氮運行效果的影響，以期為A/BCO處理食品加工廢水的研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用缺氧/二級生物接觸氧化/斜板沉淀一體化裝置.該試驗裝置用透明有機玻璃制成，尺寸為750 mm×200 mm×450 mm，有效高度為250 mm，有效容積為52.5 L.該反應(yīng)器為四部分，第一部分缺氧池，第二部分一級生物接觸氧化池，第三部分二級生物接觸氧化池，第四部分沉淀池.在本試驗反應(yīng)器中的水流在各部分均是上向流.詳細(xì)工藝流程圖見圖1.

本試驗裝置正常運行時連續(xù)24 h運行，硝化液回流泵，生化反應(yīng)器中機械攪拌機均連續(xù)運行，污泥回流泵定時運轉(zhuǎn)，通常早晚各進(jìn)行一次污泥回流.

1.2 試驗用水

本試驗用水來自于太原市某食品加工基地，出水已經(jīng)過隔油以及化糞池處理.近期，通過對該食品加工基地的化糞池出水進(jìn)行多次取樣分析后，其水質(zhì)指標(biāo)如下表1所示.

此時的出水呈黑色，異味重，有大量的固體懸浮物，由脂類、蛋白質(zhì)、糖、有機酸等組成的有機污染物和氮等無機污染物的含量仍然很高，因此需要進(jìn)一步的處理.

1.3 接種污泥與污泥培養(yǎng)

接種污泥均來源于太原某污水廠二沉池回流污泥.靜置沉降后，再用100目的細(xì)孔篩進(jìn)行過濾，最終得到沉降污泥.得到的污泥在系統(tǒng)運行之前需要進(jìn)一步的掛膜處理，為了使得掛膜速度加快，在掛膜的初期，對進(jìn)水要加入各種污泥培養(yǎng)基.

1.4 試驗測試項目、方法和測試儀器

試驗過程所測試項目、方法及所用的測試儀器見表2.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 HRT對運行效果的影響

HRT是反映待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，也是污水與生物膜接觸并作用的平均時間，是污水生物處理系統(tǒng)設(shè)計運行的關(guān)鍵參數(shù)之一，數(shù)值上等于反應(yīng)器有效容積與進(jìn)水流量之比.本試驗中，反應(yīng)器是固定容積條件，因此可以通過改變進(jìn)水流量大小即可以改變水力停留時間的長短.本試驗設(shè)定氣水比為15∶1[9]，混合液回流比為300%，然后改變進(jìn)水流量，確定水力停留時間分別為3、5、7、10、14、20 h六種不同情況下對CODcr去除和氨氮(NH3-N)去除的影響.

2.1.1 HRT對CODcr去除的影響 HRT對CODcr去除影響情況如表3所示.根據(jù)表3可以得知，試驗裝置對CODcr的去除率在HRT小于10 h之前，隨著水力停留時間的延長而呈較快的增長之勢，當(dāng)HRT大于10 h之后，CODcr去除率降低，且去除率呈負(fù)增長的趨勢,這主要是因為隨著HRT的延長，污水中存在的大量有機底物會在缺氧池中被氧化降解，這就會使好氧池中生物膜物因為負(fù)荷過低，而得不到足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，最終加快老化脫落速度，從而就使得CODcr去除率下降，使出水CODcr濃度升高.因此我們可以看出水力停留時間在10-14 h時，系統(tǒng)對CODcr的去除率最高，可以達(dá)到90%以上，而且出水CODcr的濃度也在60 mg/L左右，達(dá)到了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn).

2.1.2 HRT對氨氮(NH3-N)去除的影響 不同HRT對應(yīng)NH3-N去除的效果如表4所示.

表3 HRT對CODcr去除的影響

Tab.3 HRT or the removal of CODcr

水力停留時間/h原水CODcr濃度/mg·L-1出水CODcr濃度/mg·L-1CODcr平均去除率/%3767.5138.917581.95812.5119.437585.37773.581.99189.410711.852.673292.614724.763.773691.220730.375.220989.7

表4 HRT對氨氮(NH3-N)去除的影響

Tab.4 HRT on the removal of NH3-N

水力停留時間/h原水氨氮濃度/mg·L-1出水氨氮濃度/mg·L-1氨氮平均去除率/%341.3726.1872136.7539.8319.4370451.2742.1716.3197961.31040.7712.4348569.51439.849.4420876.32041.128.1417680.2

根據(jù)表4可以得知，隨著HRT的不斷延長，氨氮的去除率呈不斷上升的趨勢，但是氨氮的去除率的增長速度呈下降的趨勢.這主要是因為氨氮的去除主要是通過好氧池硝化菌的硝化作用，將氨氮氧化為硝態(tài)氮來去除，因此，隨著HRT的不斷延長，好氧池的好氧自養(yǎng)硝化菌就會大量繁殖，直到細(xì)菌繁殖量達(dá)到達(dá)到動態(tài)飽和時，氨氮的去除率在此過程中不斷升高，直到穩(wěn)定.對于本試驗來說，達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn)即可，故HRT選擇10-14 h即可，此時氨氮出水濃度小于15 mg/L，且氨氮去除率達(dá)到69%以上.

2.2 GWR對運行效果的影響

GWR數(shù)值上等于曝氣量與進(jìn)水量之比，此參數(shù)直接影響反應(yīng)器中溶解氧的濃度，因此GWR是廢水處理非常重要的參數(shù)之一，必須選擇合適的參數(shù).確定進(jìn)水流量為1.5L/h，混合液回流比為300%，以及根據(jù)之前試驗，確定HRT為10 h的條件下，考察氣水比為11∶1、13∶1、15∶1、17∶1、19∶1五種情況下對CODcr和氨氮(NH3-N)去除的影響.

2.2.1 GWR對CODcr去除的影響 GWR對CODcr去除影響情況如表5所示.根據(jù)表5可以得知，隨著氣水比的不斷提高，CODcr去除率是先上升后下降的趨勢.當(dāng)GWR從11∶1到15∶1不斷增加的過程中，CODcr去除率呈不斷上升趨勢.這主要是因為GWR的增加提高了生物膜表面的氧的濃度梯度和傳質(zhì)效率，加速了生物氧化的過程，進(jìn)而增加CODcr被生物膜的吸附降解去除作用.但是當(dāng)GWR從15∶1到19∶1不斷增加的過程中，過高的GWR還加劇水流對填料上生物膜的沖刷，同時，過高的溶解氧也增加了生物膜自身的代謝作用，這兩方面都會加速微生物的老化，造成生物膜的脫落，進(jìn)而降低了微生物的活性與降解有機污染物的能力.當(dāng)GWR為15∶1-17∶1時，CODcr去除率達(dá)到最高90%以上，而且出水CODcr的濃度也在65 mg/L左右，達(dá)到了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn).

2.2.2 GWR對氨氮(NH3-N)去除的影響 不同GWR時氨氮(NH3-N)去除的效果如表6所示.

表5 GWR對CODcr去除的影響

Tab.5 GWR on the renoveal of CODcr

GWR原水CODcr濃度/mg·L-1出水CODcr濃度/mg·L-1CODcr平均去除率/%11∶1723.7135.331981.313∶1714.387.858987.715∶1743.262.428891.617∶1783.572.08290.819∶1721.882.285288.6

表6 GWR對氨氮(NH3-N)去除的影響

Tab.6 GWR on the removal of NH3-N

氣水比原水氨氮濃度/mg·L-1出水氨氮濃度/mg·L-1氨氮平均去除率/%11∶139.7322.7255642.813∶140.3519.0048552.915∶140.3711.5861971.317∶141.0212.2649870.119∶139.9713.0302267.4

根據(jù)表6可知，與CODcr的去除效果相比，氨氮(NH3-N)的去除率受GWR的影響會更加明顯[10]，這就說明溶解氧在硝化過程中是非常重要的因素.隨著GWR的不斷增加，氨氮(NH3-N)的去除率是先升高后平穩(wěn)再略有下降，GWR達(dá)到15∶1-17∶1時，氨氮(NH3-N)的去除率達(dá)到70%以上，且出水的濃度達(dá)到了12 mg/L左右，達(dá)到了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn).

3 結(jié)論

1)通過本試驗的研究，我們可以看到缺氧/二級生物接觸氧化法對食品廢水處理的效果是非常顯著的，此時的出水，水體清澈、無異味，無懸浮物，而且水質(zhì)完全達(dá)到設(shè)計要求，污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn)，而且對CODcr去除率和氨氮(NH3-N)去除率也是比較高的.

2)試驗結(jié)果表明該試驗裝置運行的最佳HRT為10 h，此時對CODcr平均去除率和氨氮(NH3-N)的平均去除率分別達(dá)到92.6%和69.5%，且出水的CODcr和氨氮(NH3-N)的濃度均達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn).

3)試驗結(jié)果表明該試驗裝置運行的最佳GWR范圍為15∶1與17∶1之間，我們最后確定15∶1，此時的CODcr和氨氮(NH3-N)的去除率分別達(dá)到91.6%和71.3%，且出水的CODcr和氨氮(NH3-N)的濃度均達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8987-1996)的一級排放標(biāo)準(zhǔn).

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