艾 森,白志輝,宰涵英,許光鏈

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049)

污水處理廠在改善水環(huán)境方面起到了重大作用,但其尾水出路問(wèn)題一直未得到有效解決。污水處理廠尾水指經(jīng)過(guò)污水處理廠各工藝流程處理達(dá)標(biāo)排放,但未達(dá)到地表水或者城市內(nèi)河水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),仍存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的出水?？傮w來(lái)講,污水廠尾水存在氮磷濃度高、低碳氮比、進(jìn)一步生物降解困難等問(wèn)題,需要進(jìn)一步處理。而尾水中的磷可通過(guò)優(yōu)化工藝在污水廠進(jìn)行較為徹底的去除,這就使得尾水中TN的去除問(wèn)題更為突出[1]。目前污水廠排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)總氮的要求仍然難以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的要求,如果直接排入水體,將導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,造成飲用水質(zhì)的安全威脅和水源地環(huán)境的破壞。

近年來(lái)人工濕地處理工藝因其獨(dú)特的生態(tài)處理模式和將污染治理與城市景觀建設(shè)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn),逐步成為尾水處理的主流方法。然而傳統(tǒng)的人工濕地由于只利用植物修復(fù)技術(shù)和曝氣修復(fù)技術(shù),在處理以高鹽、高氮、低碳為污染特征以及水體具有色度的工業(yè)污水處理廠尾水的情況下具有水生植物光合作用較差、工程冬季運(yùn)行效果較差等缺點(diǎn)[2]。而在眾多的強(qiáng)化人工濕地的技術(shù)中人工填料生物接觸氧化技術(shù)因?yàn)槠渚哂胁皇芩w色度影響、透光性差、可生長(zhǎng)世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化和反硝化細(xì)菌以及不引起二次污染等優(yōu)勢(shì),是一種較好的強(qiáng)化人工濕地工業(yè)尾水脫氮的措施[3-5]。以往關(guān)于生物接觸氧化法的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室人工配水或是在處理可生化性較好的生活污水下進(jìn)行,而對(duì)可生化性較差的工業(yè)尾水的脫氮方面探索較少[6-10]。因此,針對(duì)工業(yè)尾水的深度脫氮,有必要探究高效的生物接觸氧化技術(shù)。

研究選取2種有代表性的市售懸掛填料和一種低廉的原料作為填料,在不同填充率和相同填充率下對(duì)比以相同尾水作為進(jìn)水的情況下,不投加碳源和投加葡萄糖作為碳源2種條件下的脫氮效果。最后在以稻草作為碳源的情況下對(duì)比幾種設(shè)置下的脫氮效果并深入探究新型填料的脫氮效果。為應(yīng)用于工業(yè)尾水脫氮的懸掛式填料生物接觸氧化技術(shù)的優(yōu)化提供理論與技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1) 原水 實(shí)驗(yàn)在淮安洪澤尾水濕地輸水渠岸邊進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)原水采用水泵從淮安洪澤尾水濕地輸水渠抽入。其水質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)

(2) 填料 實(shí)驗(yàn)所用3種不同填料均為較常用廉價(jià)易得的填料,其中合成纖維填料最為廉價(jià)易得,雖然其表面積和孔隙率都很低,但是同樣也能掛膜當(dāng)作生物填料,為了縮減成本,開發(fā)新型經(jīng)濟(jì)型填料,將其同樣選作此次實(shí)驗(yàn)填料。3種填料都掛膜成熟。主要性能參數(shù)見表2。

表2 填料的性能參數(shù)

(3) 反應(yīng)器 實(shí)驗(yàn)在5個(gè)直徑為60 cm,高140 cm 的塑料圓筒中進(jìn)行,有效容積為0.4 m3。填料的體積填充率通過(guò)水位的增長(zhǎng)來(lái)確定。反應(yīng)器的出水流回水渠。實(shí)驗(yàn)用水取自洪澤尾水濕地輸水渠,輸水渠水來(lái)自工業(yè)污水處理廠經(jīng)過(guò)曝氣塘和表面流濕地的出水。實(shí)驗(yàn)中5套反應(yīng)器同時(shí)運(yùn)作,分別記作填充率為1%生物繩填料、2%生物繩填料、5%生物繩填料、5%合成纖維填料、5%彈性填料。

(4) 外加碳源 實(shí)驗(yàn)中所用外加碳源葡萄糖為水溶液。稻草秸稈取自當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)反應(yīng)器均勻插入1.25 kg稻草秸稈。

1.2 實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用序批試進(jìn)出水。未加碳源下設(shè)置了HRT=1 d的2個(gè)周期和HRT=3 d的1個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)。之后投加葡萄糖進(jìn)行HRT=1 d的1個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)。最后進(jìn)行稻草為碳源下8 h的水質(zhì)變化檢測(cè)。從實(shí)驗(yàn)之前對(duì)水質(zhì)的分析可知水中氮素的存在形式主要為NO3-N和少量難以氨化的有機(jī)氮。故整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程只測(cè)定COD、NO3-N、DO、pH、溫度5個(gè)指標(biāo)。具體測(cè)定方法見表3。

表3 水質(zhì)檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 小試中5個(gè)反應(yīng)器的去除效果

小試中COD質(zhì)量濃度變化及NO3-N質(zhì)量濃度變化分別如圖1、圖2所示。從圖1、圖2可以看出,在HRT=1 d第1個(gè)周期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的去除率很低,在第2個(gè)周期運(yùn)行中去除率也很低,COD平均去除率僅有25%,而NO3-N平均去除率只有7%,出水的溶解氧質(zhì)量濃度為3.2 mg/L,依然處于好氧狀態(tài)。這是由于尾水可生化性較差導(dǎo)致異養(yǎng)好氧細(xì)菌難以消耗溶解氧,并營(yíng)造一個(gè)利于異養(yǎng)反硝化的條件。之后HRT=3 d的1個(gè)周期運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)的去除率依然很低。5種情況下的去除效果難以進(jìn)行比較。

圖1 小試中COD質(zhì)量濃度變化Fig.1 COD concentration change in the lab-scale test

圖2 小試中NO3-N質(zhì)量濃度變化Fig.2 NO3-N concentration change in the lab-scale test

投加葡萄糖后發(fā)現(xiàn)在HRT=1 d的1個(gè)周期的運(yùn)行后各項(xiàng)指標(biāo)的去除率大大提高。COD、NO3-N、TN平均去除率分別達(dá)到41%、40%、46%,證明了之前的推斷:尾水中的有機(jī)物主要為難生化降解的有機(jī)物,難以被異養(yǎng)反硝化菌所利用,然而葡萄糖作為碳源的工程利用價(jià)值較低,不適宜作為提高工業(yè)尾水的脫氮效果的外加碳源。

2.2 稻草為碳源下填料脫氮效果對(duì)比

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中COD質(zhì)量濃度變化及NO3-N質(zhì)量濃度變化分別如圖3、圖4所示。從圖4中看出在進(jìn)水后NO3-N有一個(gè)下降過(guò)程,2%生物繩填料下降最快,去除率達(dá)到21%,這是由短時(shí)間的快速吸附過(guò)程所導(dǎo)致的。2%的生物繩填料由于其結(jié)構(gòu)具有的較大比表面積和填充率較低不易結(jié)團(tuán)的性質(zhì)相對(duì)5%和1%的生物繩填料以及其他2種情況與尾水接觸最充分、吸附量最大。從圖3、圖4中看出,進(jìn)水之后的前3個(gè)小時(shí)之內(nèi)5種情況下NO3-N的去除速率較緩慢,COD也維持在一個(gè)低速下降的水平。這是由于水中的溶解氧處于好氧狀態(tài)且異養(yǎng)好氧細(xì)菌相對(duì)異養(yǎng)厭氧細(xì)菌來(lái)說(shuō)附著在填料的最外層,而稻草不斷溶出的有機(jī)物的傳質(zhì)被異養(yǎng)好氧菌消耗難以進(jìn)入內(nèi)層供反硝化細(xì)菌利用,導(dǎo)致反硝化速率都不高,難以看出去除效率差異。

圖3 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中COD質(zhì)量濃度變化Fig.3 COD concentration change in the static test

圖4 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中NO3-N質(zhì)量濃度變化Fig.4 NO3-N concentration change in the static test

圖4中顯示在11:05～15:05之間,5種情況下NO3-N的去除速率比之前加快而且2%的生物繩填料去除率最快,這可歸因于此時(shí)室外溫度達(dá)到一天當(dāng)中最高的35 ℃,異養(yǎng)反硝化活性也隨溫度升高而提高。2%的生物繩填料相對(duì)5%生物繩填料來(lái)說(shuō),狀態(tài)較為松散,傳質(zhì)能力更好,又因?yàn)樯锢K的中心結(jié)構(gòu)相對(duì)彈性填料更利于厭氧微生物的生長(zhǎng),所以2%的生物繩填料相對(duì)5%的生物繩填料和5%的彈性填料NO3-N去除率較高。

另外從圖4中能看出5%合成纖維填料雖然沒(méi)有孔隙率,但是基本具有僅次于2%生物繩填料的NO3-N去除效果。這是由于這種新型填料是以廉價(jià)的廢棄地毯為原料制作的,填料表面具有合成纖維絲層,填料表面粗糙而且表面積較大,附著微生物較多,彌補(bǔ)了沒(méi)有孔隙率的缺點(diǎn)。目前生產(chǎn)中通過(guò)改性使得合成纖維絲的親水性能得到一定改善,有利于微生物附著生長(zhǎng)。但是其疏水能力依然較強(qiáng),使得易于帶正電荷的合成纖維絲在水中因?yàn)楸砻娈a(chǎn)生氣泡隔絕了纖維絲與水的接觸,不能令靜電荷全部釋放,而細(xì)菌因?yàn)閿y帶負(fù)電荷,與纖維絲產(chǎn)生了靜電吸引,同樣增強(qiáng)了填料表面的微生物附著能力,利于生長(zhǎng)世代周期較長(zhǎng)的反硝化細(xì)菌。同時(shí),此種填料質(zhì)量輕,具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和生物穩(wěn)定性,因此是一種具有工程應(yīng)用前景且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型填料。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 經(jīng)過(guò)小試可知延長(zhǎng)水力停留時(shí)間各指標(biāo)去除效果未發(fā)生明顯變化,5種情況下的去除效果依然難以進(jìn)行比較。在外加葡萄糖作為碳源后NO3-N去除能力大幅度提高。脫氮效果與可生化利用的有機(jī)碳源的量密切相關(guān),但葡萄糖作為碳源的工程利用價(jià)值較低,不宜作為提高工業(yè)尾水的脫氮效果的外加碳源。

(2) 2%生物繩填料由于其結(jié)構(gòu)具有較大比表面積和填充率較低不易結(jié)團(tuán)的性質(zhì)相對(duì)5%和1%的生物繩填料以及其他2種情況與尾水接觸最充分,在起步階段吸附效果最好以致起步時(shí)NO3-N去除率最大。2%生物繩填料相對(duì)5%生物繩填料來(lái)說(shuō)處于較為松散狀態(tài),傳質(zhì)能力更好,又因?yàn)樯锢K的中心結(jié)構(gòu)相對(duì)彈性填料更利于厭氧微生物的生長(zhǎng),所以2%生物繩填料相對(duì)5%生物繩填料和彈性填料NO3-N去除率較高。

(3) 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中合成纖維填料雖然孔隙率都很低,但表現(xiàn)出了僅次于2%生物繩填料的脫氮能力,主要是因?yàn)槠浔砻娓接泻铣衫w維絲層,而且質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、生物穩(wěn)定性好。所以在生物接觸氧化應(yīng)用于工業(yè)尾水脫氮中具有廣闊的應(yīng)用前景。