底泥陶粒曝氣生物濾池處理生活污水的試驗研究

陳佳慧 蔡德所 散劍娣 謝紫珺 郭一恒

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002;2.湖北交投智能檢測股份有限公司,湖北 武漢 430050;3.三峽基地發(fā)展有限公司,湖北 宜昌 443000)

近年來,現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術發(fā)展迅速,由此帶來的水污染和水資源短缺問題日益嚴重[1-2],提高水處理技術水平刻不容緩。生活污水是居民日常生活中排出的污水,其主要有機污染物包括蛋白質(zhì)、脂肪、尿素、氨氮等。針對生活污水的處理技術中,生物膜法被證實是一種有效的處理手段。生物膜法中,曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter,BAF)是一種應用廣泛的水處理系統(tǒng),主要通過濾料表面生物膜的生物氧化作用和物理截留作用實現(xiàn)污水中污染物的降解與去除[3-5]。研究表明[6-8],BAF不僅能夠有效去除污水中的懸浮物和有機物,還可以實現(xiàn)脫氮、除磷、除碳,且占地面積較小、工藝簡單、運行成本較低、出水水質(zhì)較好,常用于處理不同類型的污水。

濾料是曝氣生物濾池的核心部分,其表面結構和物理化學特性影響著生物膜的附著生長與繁殖,還影響著該工藝的處理效果和運行效能。目前BAF濾料以頁巖、高嶺土和黏土燒制的陶粒為主,具有比表面積大、表面粗糙、孔隙性好、吸附能力強、生物附著性強、掛膜效果好等優(yōu)點,有利于微生物在陶粒表面附著生長[9-10]。但頁巖、高嶺土和黏土等制備原料屬于不可再生資源,大量開采會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境,且制備成本較高。河道底泥是一種固體廢棄物,其化學成分與制陶原料相似。利用河道底泥制備BAF用陶粒,不僅生活污水處理成本低,還可實現(xiàn)河道底泥的資源化利用。

本研究以河道底泥為主要原料制備陶粒,利用底泥陶粒作為BAF濾料處理生活污水,研究BAF掛膜啟動、不同水力停留時間對污染物去除效果的影響,并與市售BAF陶粒進行比較,考察底泥陶粒曝氣生物濾池的污水處理效能。以期為河道底泥的資源化利用提供一條新思路,為底泥陶粒用作BAF濾料處理生活污水的實踐應用提供參考。

1 試驗材料、裝置及方法

1.1 試驗材料

試驗用河道底泥采自廣西桂林會仙濕地古桂柳運河,膨潤土購自湖北東曹化學科技有限公司,可溶性淀粉取自國藥集團化學試劑有限公司,石灰石購自宜昌志陽建材廠。按照河道底泥、膨潤土、淀粉及石灰石質(zhì)量比70∶30∶10∶13進行稱重、混勻,制成粒徑為6 mm的顆粒;將制得顆粒放置于干燥箱中,105 ℃下干燥2 h;隨后放入馬弗爐中,400 ℃下預熱10 min,再在1 000 ℃下焙燒15 min,自然冷卻后取出燒制好的底泥陶粒樣品。

市售陶粒購自濟南市煜贏環(huán)保建材廠,呈灰色球狀。接種污泥為山東濰坊某污水處理廠的二沉池活性污泥。試驗用水為三峽大學水科樓旁家屬樓集水井的生活污水,其水質(zhì)情況如表1所示。

表1 生活污水水質(zhì)指標Table 1 Water quality indexes of domestic sewage

1.2 試驗裝置

利用自行設計的曝氣生物濾池進行試驗,裝置示意如圖1所示。試驗裝置由進水桶、圓柱體反應器、空氣泵、蠕動泵、氣體流量計、出水桶構成。反應器采用直徑和高度分別為18、50 cm的柱狀圓筒,從下到上分別為布水層、濾料層、出水層。距離底部10 cm處設置PVC過濾板構成了布水層。濾料層填充有20 cm高的陶粒,填料總體積為5 L。在填料層上方10 cm處設置出水口,防止曝氣時廢液漏出。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Diagram of testing device

1.3 試驗方法

1.3.1 陶粒性能表征

根據(jù)《水處理用人工陶粒濾料標準》(CJT 299—2008),分別對底泥陶粒和市售陶粒的空隙率、比表面積、堆積密度和表觀密度、破損率與磨損率之和、鹽酸可溶率等性能指標進行測試,并利用掃描電鏡(SEM)對其表面形態(tài)進行測試和分析對比。

1.3.2 反應器的掛膜啟動

試驗采用接種掛膜法。將底泥陶粒濾料和市售陶粒濾料分別裝填到BAF中,加入活性污泥并淹沒陶粒濾料進行接種,再注入生活污水悶曝3 d,曝氣量設為4 L/min。曝氣24 h后靜置3 h,排出上清液并重新注滿生活污水。第4 d后,排空BAF,注入生活污水并連續(xù)進水,水力停留時間設為16 h,溶解氧為2～5 mg/L,連續(xù)運行直至出水水質(zhì)基本穩(wěn)定,則認為反應器掛膜啟動完成。參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[11],每天監(jiān)測進出水的COD、NH3-N、TP等,pH則通過pH計測定。

2 試驗結果與討論

2.1 陶粒性能表征

2.1.1 SEM分析

對底泥陶粒和市售陶粒進行掃描電鏡分析,結果如圖2所示?？梢钥闯?底泥陶粒表面粗糙,孔隙結構豐富,介孔和大孔居多,具有較強的吸附潛力,有利于微生物的附著、生長與繁殖[12];市售陶粒表面致密,孔隙結構以微孔、介孔居多。

圖2 2種陶粒濾料的SEM圖Fig.2 SEM images of two kinds of ceramsite filter media

2.1.2 陶粒性能測試

分別對底泥陶粒和市售陶粒進行了空隙率、比表面積、堆積密度和表觀密度、破損率與磨損率之和、鹽酸可溶率等水處理濾料性能測試,結果如表2所示。

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

由表2可知:底泥陶粒各項指標均滿足《水處理用人工陶粒濾料》(CJ/T 299—2008)中規(guī)定的要求。底泥陶粒的空隙率和比表面積均高于市售陶粒,同時底泥陶粒的堆積密度和表觀密度均小于市售陶粒。

2.2 BAF掛膜期間污染物的去除效果

2.2.1 COD的去除效果

底泥陶粒曝氣生物濾池(SSC-BAF)和市售陶粒曝氣生物濾池(CTC-BAF)掛膜啟動階段COD的質(zhì)量濃度變化和去除效果如圖3所示。

圖3 掛膜階段BAF中COD的去除效果Fig.3 The removal efficiency of COD in BAF during the biofilm formation stage

由圖3可知:反應器的進水COD平均質(zhì)量濃度為61.05 mg/L。在第4 d(即悶曝結束后),進水COD為92.6 mg/L,SSC-BAF的出水COD為83.07 mg/L,CTC-BAF的出水COD為75.23 mg/L,反應器對COD的去除率分別為10.29%、18.75%,這是由于陶粒濾料對有機物的吸附截留作用以及悶曝結束后濾料表面附著微生物對有機物的降解作用[13]。隨著掛膜時間的延長,兩組BAF出水COD的質(zhì)量濃度不斷減小,去除率不斷增加,說明微生物在陶粒表面及內(nèi)部附著生長,進行自身新陳代謝不斷降解有機物,致使出水中COD濃度不斷減小。第15 d時,SSC-BAF的COD去除率為83.46%,而CTC-BAF的COD去除率為74.27%。第15 d后,兩組裝置COD去除率基本趨于穩(wěn)定,出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定?？梢钥闯?SSCBAF對COD的去除效果優(yōu)于CTC-BAF,說明SSCBAF比CTC-BAF更易被微生物附著,底泥陶粒掛膜效果比市售陶粒效果好。

2.2.2 NH3-N的去除效果

底泥陶粒曝氣生物濾池(SSC-BAF)和市售陶粒曝氣生物濾池(CTC-BAF)掛膜啟動階段NH3-N的質(zhì)量濃度變化和去除效果如圖4所示。

圖4 掛膜階段BAF中NH3-N的去除效果Fig.4 The removal efficiency of NH3-N in BAF during biofilm formation stage

由圖4可知:反應器進水NH3-N的平均質(zhì)量濃度為58.26 mg/L。第4 d時,CTC-BAF的NH3-N去除率為29.50%,而SSC-BAF的NH3-N去除率明顯高于CTC-BAF的,為39.62%;這可能是因為在悶曝結束后,已經(jīng)有少量硝化細菌附著在陶粒表面上進行生命代謝,導致剛開始掛膜就對污水中的氨氮有一定的去除效果。隨后,從第5 d到第7 d,SSC-BAF的NH3-N去除率低于CTC-BAF的;第8 d時,兩組BAF對氨氮的去除率保持較快速地增長,這說明異氧菌受限制而增殖緩慢,硝化細菌快速增長,硝化作用增強。第15 d時,SSC-BAF的NH3-N去除率為88.75%,CTC-BAF對NH3-N的去除率為81.20%;可以看出,SSC-BAF對NH3-N的去除效果優(yōu)于CTC-BAF。第16 d后,NH3-N去除率呈下降趨勢,這是由于微生物繁殖過快,生物膜增厚,造成BAF濾料發(fā)生堵塞,降低了BAF對污染物的去除效果[14]。

2.2.3 TP的去除效果

底泥陶粒曝氣生物濾池(SSC-BAF)和市售陶粒曝氣生物濾池(CTC-BAF)掛膜啟動階段TP的質(zhì)量濃度變化和去除效果如圖5所示。

圖5 掛膜階段BAF中TP的去除效果Fig.5 The removal efficiency of TP in BAF during biofilm formation stage

由圖5可知:反應器進水TP的平均質(zhì)量濃度為2.86 mg/L。在第4 d(進水第1 d),進水TP質(zhì)量濃度為3.49 mg/L,SSC-BAF對TP去除效果顯著,出水TP質(zhì)量濃度為1.29 mg/L,去除率達到63.04%,而CTC-BAF的出水濃度為2.87 mg/L,去除率僅為17.77%。這是由于底泥陶?？紫督Y構豐富,吸附能力強;同時陶粒內(nèi)部的少量金屬鹽可以有效地與磷酸鹽結合,使得陶粒能夠高效除磷[15]。隨著掛膜時間的延長,從第4 d到第9 d,SSC-BAF對TP的去除率從63.04%增加到71.38%,而CTC-BAF對TP的去除率從17.77%上升到52.19%;第15 d時,SSC-BAF對TP的去除率為80.66%,CTC-BAF對TP的去除率為69.24%,且出水水質(zhì)基本穩(wěn)定,這說明生物膜已初步形成,BAF掛膜啟動成功。

研究結果表明,反應器運行至第15 d時,BAF中各項指標的去除率趨于穩(wěn)定,反應器內(nèi)生物膜基本形成,反應器掛膜啟動完成。SSC-BAF在掛膜階段處理生活污水的效果優(yōu)于CTC-BAF,說明底泥陶粒濾料掛膜效果優(yōu)于市售陶粒濾料。

2.3 水力停留時間(HRT)對BAF系統(tǒng)處理效能的影響

為了使反應器達到最高的處理效率,本試驗控制BAF氣水體積比為5∶1,調(diào)節(jié)進水流量,使水力停留時間分別為16、18、20、22、24 h,考察水力停留時間對BAF系統(tǒng)處理效能的影響。

2.3.1 HRT對COD去除效果的影響

HRT對COD去除效果的影響見圖6。

圖6 水力停留時間對COD去除效果的影響Fig.6 Effect of HRT on COD removal efficiency

由圖6可知:進水COD的質(zhì)量濃度為50.6～67.31 mg/L,SSC-BAF出水COD的質(zhì)量濃度為9.34～30.94 mg/L,CTC-BAF出水COD的質(zhì)量濃度為14.67～34.71 mg/L。當水力停留時間為16、18、20、22、24 h時,SSC-BAF和CTC-BAF對COD的平均去除率分別為59.85%、69.67%、73.94%、77.24%、80.23%和50.53%、58.02%、65.03%、72.63%、68.74%。結果表明,較長的水力停留時間有利于陶粒濾料對COD的去除,且SSC-BAF對COD的去除效果優(yōu)于CTC-BAF。

當水力停留時間為18 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水COD的平均質(zhì)量濃度分別為20.67 mg/L和24.95 mg/L,均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。當水力停留時間延長至24 h時,SSC-BAF對COD的去除率保持相對穩(wěn)定,而CTC-BAF對COD的去除率降低。這說明SSC-BAF具有更強的抗水力沖擊負荷能力,運行穩(wěn)定性更高。

BAF主要通過濾料的物理吸附、截留及濾料表面附著微生物的氧化和異養(yǎng)菌降解來去除污水中的有機物,實現(xiàn)COD的去除。由于底泥陶粒濾料比表面積大于市售陶粒且孔隙結構更豐富,其吸附能力更強,同等比表面積微生物附著量更豐富,水力停留時間延長后,生活污水與濾料充分接觸,有利于微生物的附著生長與繁殖,且底泥陶粒濾料表面粗糙,微生物附著會更加穩(wěn)定[16]。因此,底泥陶粒濾料可以提升BAF系統(tǒng)對COD的去除效果。

2.3.2 HRT對NH3-N去除效果的影響

HRT對NH3-N去除效果的影響見圖7。

圖7 水力停留時間對NH3-N去除效果的影響Fig.7 Effect of HRT on NH3-N removal efficiency

由圖7可知:進水NH3-N的質(zhì)量濃度為35.36～69.32 mg/L,SSC-BAF出水NH3-N的質(zhì)量濃度為8.06～27.28 mg/L,CTC-BAF出水NH3-N的質(zhì)量濃度為9.71～29.18 mg/L。當水力停留時間為16、18、20、22、24 h時,SSC-BAF對NH3-N的平均去除率為54.39%、62.56%、68.34%、71.21%、75.24%,CTCBAF對NH3-N的平均去除率為50.05%、57.02%、63.53%、67.28%、70.39%。可以看出,SSC-BAF對NH3-N的去除率明顯高于CTC-BAF,表明SSC-BAF對NH3-N的去除效果優(yōu)于CTC-BAF。

當水力停留時間為22 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水NH3-N的平均質(zhì)量濃度分別為12.5 mg/L和14.21 mg/L,均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準。隨著水力停留時間的延長,出水NH3-N的質(zhì)量濃度持續(xù)降低并趨于穩(wěn)定。在較長的水力停留時間下,污染物與生物膜接觸時間變長,但生物膜的厚度是有限的,微生物的降解作用也是有限的。

由于在曝氣狀態(tài)下,兩組BAF內(nèi)氧氣充足,生物膜上的硝化細菌活性提高,硝化作用增強,污染物的去除率隨水力停留時間的延長而增加;SSC-BAF溶解出的金屬離子強化了硝化作用,有助于生化反應系統(tǒng)積累,從而提高了NH3-N的去除效果[17]。因此,底泥陶粒濾料可以提升BAF系統(tǒng)對NH3-N的去除效果。

2.3.3 HRT對TP去除效果的影響

HRT對TP去除效果的影響見圖8。

圖8 水力停留時間對TP去除效果的影響Fig.8 Effect of HRT on TP removal efficiency

由圖8可知:進水TP的質(zhì)量濃度為2.03～3.66 mg/L,SSC-BAF出水TP的質(zhì)量濃度為0.46～1.28 mg/L,CTC-BAF出水TP的質(zhì)量濃度為0.56～1.46 mg/L。當水力停留時間為16、18、20、22、24 h時,SSCBAF和CTC-BAF對TP的平均去除率分別為54.01%、61.45%、67.23%、73.92%、78.57%和50.72%、56.23%、62.06%、70.84%、72.08%,可知,隨著水力停留時間的延長,兩組BAF對TP的去除率逐漸增大,且SSCBAF對TP的去除效果優(yōu)于CTC-BAF。

當水力停留時間為22 h,SSC-BAF和CTC-BAF出水TP的平均質(zhì)量濃度分別為0.56 mg/L和0.63 mg/L,均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

磷酸鹽的去除主要通過濾料的截留吸附、微生物同化吸收和聚磷菌好氧吸磷等。由于底泥陶粒濾料表面附著微生物豐富且均勻,其中聚磷菌在好氧條件下吸收磷,實現(xiàn)生物除磷,降低了污水中的磷含量[18]。同時,底泥陶粒的成分中添加了石灰石(CaCO3),碳酸鈣與生活污水中的磷酸鹽反應可以生成磷酸鈣沉淀,實現(xiàn)化學除磷,使污水中的磷減少,提高了SSC-BAF的除磷能力。因此,底泥陶粒濾料可以提升BAF系統(tǒng)對TP的去除效果。

以上結果表明,SSC-BAF在生活污水處理上相對CTC-BAF較優(yōu),其中SSC-BAF在低HRT下顯示對COD去除的優(yōu)越性。當水力停留時間達22 h及以上時,BAF處理效果較好且更穩(wěn)定,對污染物的去除率較高。在保證污水處理效果的前提下,實際水處理中水力停留時間不宜過大。綜上,確定處理生活污水的BAF反應器最佳水力停留時間為22 h。

3 結 論

(1)通過對底泥陶粒和市售陶粒進行性能測試和對比發(fā)現(xiàn),底泥陶粒的表面更粗糙、空隙率更高、比表面積更大、密度更小,各項性能指標均滿足《水處理用人工陶粒濾料》(CJ/T 299—2008)的要求,同時其表面粗糙、孔隙結構豐富,更適宜作為微生物的載體。

(2)微生物在底泥陶粒濾料成功掛膜僅需12 d,掛膜完成后,SSC-BAF對COD、NH3-N、TP的去除率比CTC-BAF分別提升了9.19、7.55、11.42個百分點。

(3)當水力停留時間分別達到22 h時,兩組BAF出水COD、TP的質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準;出水NH3-N的質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準。

(4)水力停留時間對BAF系統(tǒng)去除COD、TP有較大影響,對NH3-N的去除影響較小。當水力停留時間為22 h時,BAF處理效果更好且更穩(wěn)定,此時SSC-BAF對COD、NH3-N、TP的平均去除率分別為77.24%、71.21%、73.92%,CTC-BAF對COD、NH3-N、TP的平均去除率分別為72.63%、67.28%、70.84%。SSC-BAF對生活污水中污染物的去除效果比CTC-BAF更好,底泥陶粒濾料可以提高BAF的處理效果。

(5)綜合比較2種生物濾料的掛膜效果和除污效果,以河道底泥制備的陶粒濾料可以代替市售陶粒,具有市場應用潛力。底泥陶粒濾料BAF可實現(xiàn)河道底泥的資源化利用以及對生活污水的有效處理,達“以廢治廢”的效果。