泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù)

嚴(yán) 莉 王文昭， 吳華南* 劉偉文 李功政 張心寶*

(1.福瑞萊環(huán)?？萍?深圳)股份有限公司，廣東 深圳 518000;2.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，廣東深圳 518000; 3.深汕特別合作區(qū)環(huán)境與資源事務(wù)中心，廣東深圳 518200)

活性污泥法［1］自1912年被提出以來，經(jīng)過100多年發(fā)展，已經(jīng)成為了眾多污水處理技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的方法。20世紀(jì)80年代在傳統(tǒng)活性污泥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的活性污泥—生物膜共生技術(shù)［2］(Integrated Fixed-Film Activated Sludge，IFAS)結(jié)合了活性污泥和生物膜的優(yōu)勢(shì)，使污水處理效果得到了提升。近年來，隨著工業(yè)化和城市化程度地不斷提升，城鎮(zhèn)污水排放量和氮磷污染物不斷增加，導(dǎo)致了生活廢水中低COD質(zhì)量濃度和水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)狀，而氮磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素。隨著國(guó)家眾多環(huán)保政策的出臺(tái)，給污水處理領(lǐng)域提出了更高要求，越來越多的水處理廠面臨著深度脫氮除磷、脫除重金屬的挑戰(zhàn)，為了滿足需求，只能依賴價(jià)格高昂的納濾膜或者反滲透膜，然而成本往往無法承受，因此亟需能夠低成本實(shí)現(xiàn)污水深度處理與回用的新技術(shù)。厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)技術(shù)［3］由于節(jié)省能量、剩余污泥產(chǎn)量低、節(jié)約投資成本和運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，在處理低碳氮比的高氨氮濃度廢水方面廣泛應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合活性污泥—生物膜共生和厭氧氨氧化污水處理各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù)，制成處理能力為0.5 t/d的一體化污水處理裝置，對(duì)裝置運(yùn)行過程中的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，最終裝置穩(wěn)定運(yùn)行后出水達(dá)到了我國(guó)GB 18918—2002，城市污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)工藝介紹

格柵除渣的生活污水在經(jīng)過預(yù)曝氣之后，進(jìn)入一體化IFASMox污水處理裝置中，一體化污水處理裝置中部格柵上放置經(jīng)過改性的混合多孔微生物載體，工藝流程如圖1所示。在經(jīng)過一段時(shí)間微生物馴化富集培養(yǎng)之后，活性污泥在反應(yīng)器中以懸浮生長(zhǎng)的狀態(tài)存在，微生物在載體表面及孔隙表面富集成膜，形成類顆粒污泥的三維立體生態(tài)結(jié)構(gòu)。在活性污泥作用下，污水中的有機(jī)物被逐步降解消耗，達(dá)到去除COD的目的。經(jīng)過預(yù)曝氣的污水中富含溶解氧，進(jìn)水流經(jīng)載體所形成的顆粒污泥，在其表面形成具有高濃度溶解氧的好氧層，在載體內(nèi)部，隨著氧氣消耗，逐漸變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，在溶解氧梯度變化的載體微生態(tài)壞境中，能夠?qū)崿F(xiàn)亞硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌協(xié)同共生，促進(jìn)不同微生態(tài)層之間近距離物質(zhì)傳遞，最終形成穩(wěn)定的厭氧氨氧化反應(yīng)達(dá)到脫氮的目的;另外，隨著污水中溶解氧被消耗，沿反應(yīng)器水流方向的溶解氧濃度逐漸降低，由最初的好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下發(fā)生硝化—反硝化反應(yīng)脫除氨氮。一體化裝置內(nèi)活性污泥和生物膜中的亞硝化、硝化、反硝化及厭氧氨氧化菌在協(xié)同作用下，最終達(dá)到深度脫氮的效果。多孔載體對(duì)污水中的重金屬、磷和難降解有機(jī)物還有吸附脫除作用，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。

圖1 工藝流程圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 微生物載體制備

選用多孔的石墨、火山巖、沸石混合物(體積比為1∶1∶1)為本實(shí)驗(yàn)的生物載體，對(duì)其進(jìn)行酸/堿溶液浸泡腐蝕前處理過程，將多孔材料孔隙中的雜質(zhì)溶解，隨后用蒸餾水沖洗直至水洗液呈中性，最終填料形成了疏松多孔的立體絮狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過前處理過程，填料比表面積由2左右增加到5以上，增加了生物膜有效附著面積，有利于其微生態(tài)環(huán)境的形成和后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利展開。

2.2 一體化污水處理裝置

設(shè)計(jì)容積為0.6 m3、日處理量為0.5 t的一體化污水處理裝置，在裝置中部設(shè)置格柵，格柵上放置0.18 m3載體。污水在進(jìn)入一體化裝置前，先經(jīng)過格柵除渣和曝氣處理，使進(jìn)水中富含溶解氧;出水口后設(shè)置沉淀池，使泥水分離后出水。

本實(shí)驗(yàn)中，不投加外加碳源及菌種，進(jìn)水為城市生活污水，具有COD濃度低、氨氮濃度高、進(jìn)水污染物濃度波動(dòng)小的特點(diǎn)，在30周的運(yùn)行過程中，進(jìn)水懸浮物(SS)濃度200 mg/L，COD濃度為200 mg/L，NH3-N濃度40 mg/L～50 mg/L，TP濃度10 mg/L。將該污水處理裝置運(yùn)行30周，期間定時(shí)取水樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，對(duì)運(yùn)行周期內(nèi)的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析。

3 裝置運(yùn)行情況

3.1 SS去除效果

設(shè)備運(yùn)行30周，懸浮物去除效果如圖2所示，在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，去除率穩(wěn)定在95%以上，出水SS濃度小于10 mg/L，去除效果好。

圖2 懸浮物（SS）去除效果

3.2 COD去除效果

COD去除效果如圖3所示。從圖3中可以看出，裝置運(yùn)行4周后COD去除率基本穩(wěn)定，均保持在80%以上，后期出水COD濃度小于50 mg/L，去除效果良好，達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。分析本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中，僅有一次曝氣處理，由于水中溶解氧限制，導(dǎo)致COD濃度進(jìn)一步降低困難。

圖3 COD去除效果

3.3 NH3-N去除效果

運(yùn)行期間，TN和NH3-N去除效果如圖4所示，從圖4中數(shù)據(jù)可知，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，TN整體去除率達(dá)到80%以上，TN濃度穩(wěn)定在10 mg/L左右。在設(shè)備運(yùn)行前兩周，氨氮去除率較低，僅為20%～40%，之后氨氮去除效果開始逐漸好轉(zhuǎn)，第9周后氨氮去除率達(dá)到68.6%，總體去除效果良好。后期裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，氨氮的平均去除率為90.7%，且出水NH3-N濃度小于5.0 mg/L，達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。從圖4中可以看出，NH3-N去除達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)較長(zhǎng)，約為11周，這可能是由于厭氧氨氧化菌(在30℃ ～40℃條件下，其倍增時(shí)間為10 d～14 d［5］)生長(zhǎng)緩慢導(dǎo)致的。

圖4 TN和NH 3-N去除效果

3.4 TP 去除效果

設(shè)備運(yùn)行期間，TP去除情況如圖5所示，從圖5中數(shù)據(jù)可知，在運(yùn)行的第1周和第2周，TP的去除效果為20%，從第3周開始，TP去除率升高，在裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，去除率達(dá)到95%以上，出水TP濃度穩(wěn)定在0.5 mg/L以下，達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備總磷去除效果好，除了填料的吸附作用外，推測(cè)在裝置內(nèi)發(fā)生了“氣化除磷”［6，7］反應(yīng)，即磷酸鹽被還原為磷化氫以達(dá)到除磷的效果。目前，對(duì)磷化氫的產(chǎn)生機(jī)理尚未有定論。

圖5 總磷（TP）去除效果

4 結(jié)語

研究了將活性污泥—生物膜共生、厭氧氨氧化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù)，生活污水經(jīng)過該技術(shù)處理，達(dá)到深度脫除氮磷的效果，裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，SS，COD，TN，NH3-N及TP去除率均達(dá)到了城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，無需外加碳源，僅經(jīng)過一次預(yù)曝氣處理、節(jié)省能量，且其處理效果良好，使得其在未來城市生活污水及其他低碳氮比廢水處理領(lǐng)域上應(yīng)用前景良好。

致謝:感謝北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院深圳再生復(fù)合環(huán)保材料工程實(shí)驗(yàn)室為本實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)、相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試，感謝深圳市科技計(jì)劃(JSGG20170822164024506，KJYY20171012 103638606)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的支持。