厭氧/特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理低碳氮比工業(yè)廢水脫氮效果優(yōu)化分析*

郝夢(mèng)影 楊宇杰 敬雙怡 楊文煥 于玲紅 李衛(wèi)平

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著國家對(duì)工業(yè)廢水排放重視程度的不斷提高，工廠生產(chǎn)廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。由于工業(yè)廢水水質(zhì)復(fù)雜，多數(shù)具有污染物濃度高、碳氮比(C/N)失衡、有毒有害及不易降解的化學(xué)成分多等特點(diǎn)，在處理過程中往往會(huì)遇到各項(xiàng)污染指標(biāo)去除困難或去除運(yùn)行成本高的問題[1]。目前，我國大部分工業(yè)廢水處理多采用傳統(tǒng)的氧化溝工藝、間歇式活性污泥法、A/O工藝和A2/O工藝等。這些工藝運(yùn)行管理成熟，處理效果較穩(wěn)定，然而仍存在占地面積大、管理及運(yùn)行費(fèi)用高、出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)。因此，尋求高效、節(jié)能、環(huán)保的廢水處理工藝是我國工業(yè)發(fā)展的迫切要求。

特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)[2-3]在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)改造，具有占地面積小、消耗低、處理效果較好、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn)[4-8]，特異性主要表現(xiàn)為采用SDC-03型填料和DNF409高效反硝化菌，具有較強(qiáng)的脫氮能力。另外，在SMBBR前增設(shè)厭氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(AMBBR)，通過水解酸化作用去除部分有機(jī)物，并將難降解的有機(jī)大分子污染物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)污染物，提高了廢水中BOD5和COD比(B/C)，為后續(xù)好氧裝置減輕處理負(fù)荷。目前，厭氧/特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(A/SMBBR)逐漸深入到各污廢水領(lǐng)域，如韓劍宏等[9]研究的鄰苯二甲酸二辛酯生產(chǎn)廢水、李衛(wèi)平等[10-11]研究的農(nóng)藥含酚廢水和生活污水、于玲紅等[12]研究的石油發(fā)酵工業(yè)廢水等處理均取得了良好的成果。

本研究以低C/N工業(yè)廢水為研究對(duì)象，考察A/SMBBR對(duì)低C/N工業(yè)廢水處理的脫氮效果，并采用基于Box-Behnken設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，探究不同影響因子對(duì)脫氮效果的單獨(dú)及其交互作用，建立以TN去除率為響應(yīng)值的二次響應(yīng)曲面模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證分析，從而確定最佳運(yùn)行條件。

1 材料與方法

1.1 填 料

采用SDC-03型六角蜂窩多孔結(jié)構(gòu)填料，該填料材質(zhì)為甘蔗渣親水性可降解的改性高分子材料，對(duì)酸堿變化有一定抵抗力，抗老化能力強(qiáng)，使用壽命長，具有高度親水性，投加后微生物成熟速度較快，衰老的生物膜較易從填料上脫落。規(guī)格為高10 mm、直徑30 mm、比表面積約900 m2/m3、密度0.97 g/cm3[13]。由于SDC-03型填料比表面積大、內(nèi)表面粗糙，填料內(nèi)部為微生物生長繁殖提供了良好的生存環(huán)境。

1.2 反硝化菌劑

本次中試試驗(yàn)使用的菌種為DNF409高效反硝化菌。該菌種是經(jīng)紫外線誘導(dǎo)變性后的芽孢桿菌(Bacillus)，能在低溫(下限10 ℃)、有機(jī)物濃度很低的環(huán)境下生存，適宜溫度和pH分別約為28 ℃、8，適應(yīng)能力強(qiáng)、繁殖能力旺盛，具有高效反硝化作用，能促進(jìn)亞硝酸鹽和硝酸鹽轉(zhuǎn)化，在各種不良的環(huán)境條件均能得到良好的脫氮效果。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由鋼板焊接而成，AMBBR有效容積600 L，為防止污泥流失設(shè)有沉淀池，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速150 r/min；SMBBR有效容積586 L，底部設(shè)有孔徑3 mm的穿孔曝氣管。設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為1.2 m3/d，AMBBR中DO控制在低于0.5 mg/L，SMBBR中DO為4～6 mg/L。

進(jìn)水經(jīng)提升泵至中試調(diào)節(jié)池，經(jīng)沉淀、中和作用后經(jīng)提升泵至AMBBR內(nèi)進(jìn)行反硝化反應(yīng)，再流入SMBBR進(jìn)行氨化和硝化反應(yīng)，好氧反應(yīng)出水至東流砂式沉淀池，通過回流泵將硝化液回流至AMBBR內(nèi)進(jìn)一步消耗COD和TN，同時(shí)東流砂式沉淀池能進(jìn)一步降低出水SS，提高廢水水質(zhì)。圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The figure of the test device

1.4 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水來自江西省撫州市宜黃縣某工業(yè)園區(qū)污水處理廠調(diào)節(jié)池。該污水處理廠處理能力10 000 t/d，匯集了園區(qū)內(nèi)各企業(yè)生產(chǎn)廢水、部分生活污水及雨水徑流等。水質(zhì)成分復(fù)雜，C/N相對(duì)較低，B/C約0.17(質(zhì)量比)，生物可降解性較差。經(jīng)AMBBR處理后B/C約0.33，提高了廢水可生化性。原水水質(zhì)：TN、COD、BOD5、氨氮、TP、SS分別為111～235、95～368、31～63、25～57、1.09～5.18、10～17 mg/L，pH為6.94～7.50。

1.5 分析項(xiàng)目與方法

COD、氨氮、TN、BOD5、TP、SS均根據(jù)文獻(xiàn)[14]中標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；pH、DO和水溫采用便攜式水質(zhì)分析儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 A/SMBBR的掛膜啟動(dòng)

采用連續(xù)進(jìn)水的自然掛膜法掛膜[15]。填料比表面積大、內(nèi)表面較粗糙，系統(tǒng)中的微生物可較好地吸附在其內(nèi)表面，同時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)處于夏季，氣溫較高，微生物活性較高，繁殖速度快，因此掛膜速度較快。在水力停留時(shí)間(HRT)為2.0 d、水溫為25～27 ℃、碳源投加量為80 mg/L、填料填充率為50%的工況下運(yùn)行15 d，可觀察到填料內(nèi)表面附著黃褐色的生物膜，且出水各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，表示掛膜啟動(dòng)完成。

2.2 單因素試驗(yàn)

穩(wěn)定運(yùn)行期間，沒有額外說明，實(shí)驗(yàn)條件一般為進(jìn)水TN 160 mg/L、HRT=3.0 d、水溫25～28 ℃、pH=7.50、填料填充率50%、碳源投加量80 mg/L。

2.2.1 碳源投加量

進(jìn)水COD較低，可生化性差，為保證試驗(yàn)出水效果，需要補(bǔ)加碳源。雖然甲醇的反硝化效率較高，有利于生物降解，但因其價(jià)格高、有毒性、難以運(yùn)輸，故中試采用乙醇作為外加碳源[16]，改變碳源投加量，考察碳源投加量對(duì)TN去除率的影響，結(jié)果見圖2。隨碳源投加量的增加，TN去除率逐漸升高，系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。分析認(rèn)為，在反應(yīng)過程中，反硝化菌利用碳源作為電子供體通過反硝化作用進(jìn)行氮素轉(zhuǎn)化[17]，其他工況不變的前提下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)碳源投加量逐漸提高，系統(tǒng)可提供給微生物的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸增多，微生物的繁殖速度加快，加大了碳源的利用率，提高了TN去除率。

圖2 碳源投加量對(duì)TN去除率的影響Fig.2 Effect of carbon source dosage on TN removal rate

2.2.2 HRT

適當(dāng)?shù)腍RT是確保廢水處理效果、基建及運(yùn)行費(fèi)用的重要影響因素。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，改變HRT，每個(gè)階段穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)周期后監(jiān)測(cè)水質(zhì)，探究HRT對(duì)TN去除率的影響，結(jié)果見圖3。TN去除率隨HRT延長先增大后減小，當(dāng)HRT為3.0 d時(shí)，TN去除率達(dá)到最大值。分析原因認(rèn)為A/SMBBR采用連續(xù)流處理方式，當(dāng)HRT縮短，單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的進(jìn)水流量增加，加大了水流對(duì)生物膜的沖刷作用，附著在填料表面的生物膜因受水流剪切作用而易發(fā)生脫落[18]，從而導(dǎo)致TN去除率較低。A/SMBBR為串聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)HRT過長，AMBBR消耗大量有機(jī)物，SMBBR內(nèi)微生物因營養(yǎng)物質(zhì)不足而活性降低，抑制物質(zhì)不斷積累，從而抑制微生物活性，導(dǎo)致TN去除率降低。該運(yùn)行工況下，HRT為2.5～3.5 d時(shí)，系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。

圖3HRT對(duì)TN去除率的影響Fig.3 Effect of HRT on TN removal rate

2.2.3 填料填充率

填料填充率是A/SMBBR工藝中的重要因素，改變填料填充率，探究填料填充率對(duì)TN去除率的影響，結(jié)果見圖4。TN去除率隨填料填充率的增加先增后減，當(dāng)填充率為50%時(shí)最大。分析原因認(rèn)為：當(dāng)填充率由30%升至50%時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)填料體積增加，系統(tǒng)內(nèi)可提供微生物附著生長的表面積加大，生物量和生物相相對(duì)增多，氧利用率加大，增強(qiáng)了好氧微生物活性，改善了脫氮效果；當(dāng)填料填充率由50%升至60%，雖然填料提供的微生物附著面積增加，但其在反應(yīng)器內(nèi)的流化狀態(tài)也相應(yīng)變差，部分填料發(fā)生擁堵，沉降在反應(yīng)器底部造成氧的傳遞率下降，氧利用率低，造成系統(tǒng)TN去除率下降。綜合考慮脫氮效果和經(jīng)濟(jì)因素，填料填充率宜為40%～60%，既可達(dá)到高效的脫氮效果，又可符合設(shè)備的運(yùn)行要求。

圖4 填料填充率對(duì)TN去除率的影響Fig.4 The influence of filling rate of padding on the TN removal rate

2.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化與分析

2.3.1 基于Box-Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)分析，采用基于Box-Behnken的響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)了3因素3水平的試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化[19]，考察所選擇的3個(gè)參數(shù)(碳源投加量(X1)、HRT(X2)、填料填充率(X3))對(duì)TN去除率的影響及其交互作用，確定最佳運(yùn)行條件。Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平見表1，設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平

表2Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果

2.3.2 響應(yīng)曲面模型建立與分析

采用Design-Expert 8.0.5軟件，對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[20]，建立以碳源投加量、HRT、填料填充率為變量，以TN去除率(Y，%)為響應(yīng)值的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型(見式(1))。對(duì)該模型的方差分析結(jié)果見表3。模型P<0.000 1，F(xiàn)=257.17，說明模型準(zhǔn)確度較高，回歸效果顯著；3個(gè)參數(shù)單獨(dú)對(duì)TN去除率影響作用順序?yàn)樘盍咸畛渎?F=886.05)>碳源投加量(F=634.20)>HRT(F=17.90)；3個(gè)參數(shù)之間均存在一定的交互作用，其中填料填充率和HRT的交互作用對(duì)TN去除率影響最顯著，其次是填料填充率和碳源投加量的交互作用，碳源投加量和HRT的交互作用對(duì)TN去除率影響最弱。

(1)

由圖5可知，增大填料填充率和延長HRT對(duì)TN去除率的提高均有促進(jìn)作用，填料填充率對(duì)TN去除率影響比HRT顯著。分析原因：隨著反應(yīng)器內(nèi)填料體積增加，系統(tǒng)內(nèi)可提供微生物附著生長的表面積也增大，微生物繁殖速度增快，提高了廢水處理效率。由圖6可知，TN去除率隨填料填充率和碳源投加量增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，說明填料填充率和碳源投加量并不是越大越好。填料填充率對(duì)TN去除率影響比碳源投加量顯著。分析原因：填料填充率大于55%時(shí)，填料在反應(yīng)器內(nèi)的流化狀態(tài)變差，氧的利用率低，硝化作用減弱，使得脫氮效果變差；碳源投加量超過90 mg/L時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)微生物營養(yǎng)過剩，抑制微生物降解，導(dǎo)致出水TN升高，處理效果也不理想。由圖7可知，碳源投加量和HRT之間的交互作用對(duì)TN去除率的影響較弱，增大碳源投加量和延長HRT，TN去除率相應(yīng)提高，碳源投加量對(duì)TN去除率影響比HRT顯著。分析原因：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)碳源增加，系統(tǒng)內(nèi)提供微生物生長繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)增多，微生物活性較強(qiáng)，促進(jìn)了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，TN去除率增加。

2.3.3 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

表3 二次多項(xiàng)式模型的方差分析

注：1)P<0.000 1表示顯著。

圖5 填料填充率和HRT對(duì)TN去除率的交互影響(碳源投加量為80 mg/L)Fig.5 Interaction effect of filler filling rate and HRT on TN removal rate (carbon source dosage 80 mg/L)

圖6 填料填充率和碳源投加量對(duì)TN去除率的交互影響(HRT=3.0 d)Fig.6 Interactive effect of filler filling rate and carbon source dosage on TN removal rate (HRT 3.0 d)

圖7HRT和碳源投加量對(duì)TN去除率的交互影響(填料填充率為50%)Fig.7 Interactive effect of HRT and carbon source dosage on TN removal rate (filler filling rate 50%)

圖8TN去除率實(shí)際值與預(yù)測(cè)值關(guān)系Fig.8 The relationship between actual value and predicted value of TN removal rate

3 結(jié) 論

(1) 單因素試驗(yàn)分析表明，當(dāng)碳源投加量為60～100 mg/L、HRT為2.5～3.5 d、填料填充率為40%～60%時(shí)，A/SMBBR組合工藝對(duì)低C/N工業(yè)廢水脫氮效果較好。

(2) 響應(yīng)曲面法分析表明，3個(gè)參數(shù)對(duì)TN去除率影響順序?yàn)樘盍咸畛渎?碳源投加量>HRT，其中填料填充率和HRT之間的交互作用最顯著。

(3) 模型預(yù)測(cè)的最佳條件為碳源投加量90 mg/L、HRT=3.0 d、填料填充率55%，TN去除率預(yù)測(cè)值為90.78%。在該條件下TN去除率實(shí)際值達(dá)91.02%，與模型預(yù)測(cè)值基本一致，表明響應(yīng)曲面模型與實(shí)際情況擬合良好。