陳佳慧 蔡德所 散劍娣 謝紫珺 郭一恒

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)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(shù)發(fā)展迅速,由此帶來的水污染和水資源短缺問題日益嚴(yán)重[1-2],提高水處理技術(shù)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(jī)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(shù)中,生物膜法被證實(shí)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(yīng)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(shí)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(jī)物,還可以實(shí)現(xiàn)脫氮、除磷、除碳,且占地面積較小、工藝簡單、運(yùn)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(jié)構(gòu)和物理化學(xué)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(yùn)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(qiáng)、生物附著性強(qiáng)、掛膜效果好等優(yōu)點(diǎn),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(yán)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(xué)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(shí)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(jìn)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(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料、裝置及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用河道底泥采自廣西桂林會仙濕地古桂柳運(yùn)河,膨潤土購自湖北東曹化學(xué)科技有限公司,可溶性淀粉取自國藥集團(tuán)化學(xué)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(jìn)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(yù)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(jì)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(yàn)用水為三峽大學(xué)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(biāo)Table 1 Water quality indexes of domestic sewage

1.2 試驗(yàn)裝置

利用自行設(shè)計的曝氣生物濾池進(jìn)行試驗(yàn),裝置示意如圖1所示。試驗(yàn)裝置由進(jìn)水桶、圓柱體反應(yīng)器、空氣泵、蠕動泵、氣體流量計、出水桶構(gòu)成。反應(yīng)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(shè)置PVC過濾板構(gòu)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(shè)置出水口,防止曝氣時廢液漏出。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of testing device

1.3 試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)進(jìn)行測試,并利用掃描電鏡(SEM)對其表面形態(tài)進(jìn)行測試和分析對比。

1.3.2 反應(yīng)器的掛膜啟動

試驗(yàn)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(jìn)行接種,再注入生活污水悶曝3 d,曝氣量設(shè)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(jìn)水,水力停留時間設(shè)為16 h,溶解氧為2～5 mg/L,連續(xù)運(yùn)行直至出水水質(zhì)基本穩(wěn)定,則認(rèn)為反應(yīng)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(jìn)出水的COD、NH3-N、TP等,pH則通過pH計測定。

2 試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖2所示。可以看出:底泥陶粒表面粗糙,孔隙結(jié)構(gòu)豐富,介孔和大孔居多,具有較強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)果如表2所示。

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

由表2可知:底泥陶粒各項(xiàng)指標(biāo)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(yīng)器的進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為61.05 mg/L。在第4 d(即悶曝結(jié)束后),進(jìn)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(yīng)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(jī)物的吸附截留作用以及悶曝結(jié)束后濾料表面附著微生物對有機(jī)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(jìn)行自身新陳代謝不斷降解有機(jī)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(yīng)器進(jìn)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?yàn)樵趷炂亟Y(jié)束后,已經(jīng)有少量硝化細(xì)菌附著在陶粒表面上進(jìn)行生命代謝,導(dǎo)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(xì)菌快速增長,硝化作用增強(qiáng)。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(yīng)器進(jìn)水TP的平均質(zhì)量濃度為2.86 mg/L。在第4 d(進(jìn)水第1 d),進(jìn)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(dá)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(jié)構(gòu)豐富,吸附能力強(qiáng);同時陶粒內(nèi)部的少量金屬鹽可以有效地與磷酸鹽結(jié)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(jié)果表明,反應(yīng)器運(yùn)行至第15 d時,BAF中各項(xiàng)指標(biāo)的去除率趨于穩(wěn)定,反應(yīng)器內(nèi)生物膜基本形成,反應(yīng)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(yīng)器達(dá)到最高的處理效率,本試驗(yàn)控制BAF氣水體積比為5∶1,調(diào)節(jié)進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jié)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)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(qiáng)的抗水力沖擊負(fù)荷能力,運(yùn)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(jī)物,實(shí)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(jié)構(gòu)更豐富,其吸附能力更強(qiáng),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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。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(xì)菌活性提高,硝化作用增強(qiáng),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(qiáng)化了硝化作用,有助于生化反應(yīng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

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(shí)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(yīng)可以生成磷酸鈣沉淀,實(shí)現(xiàn)化學(xué)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(jié)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(dāng)水力停留時間達(dá)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(shí)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(yīng)器最佳水力停留時間為22 h。

3 結(jié) 論

(1)通過對底泥陶粒和市售陶粒進(jìn)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(xiàng)性能指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。

(3)當(dāng)水力停留時間分別達(dá)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn);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(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

(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(dāng)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(yīng)用潛力。底泥陶粒濾料BAF可實(shí)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(dá)“以廢治廢”的效果。