曝气生物滤池处理生活污水的实验研究

李俊生,王兴戬,谷 芳,左金龙

(1.哈尔滨商业大学环境工程系,哈尔滨 150076;2.中国市政工程华北设计研究总院,天津 300074;3.哈尔滨商业大学食品工程学院化学中心,哈尔滨 150076)

随着我国城市化水平的提高和社会经济的发展,城市大型住宅小区、中小城镇、生产企业等排放源的水污染控制表现得尤为突出,单一依靠污水处理厂建设和运行管理难以满足污水处理和水资源保护的需求.曝气生物滤池作为一种新型污水生物处理技术[1-3],综合了过滤、吸附和生物代谢等多种净化功能、具有负荷高、占地少、能耗低、出水好、工艺简单、适应性强等优点[4-5],适合中小型点源污染控制需求,可有效解决我国水污染处理资金投入的“瓶颈”的问题.为此,采用陶粒为滤料的曝气生物滤池对哈市小区的生活污水进行处理,来考察水力停留时间(HRT)、曝气量、pH值对 COD、氨氮等处理效果的影响[6-7].

1 材料与方法

1.1 试验用水

实验用水为小区生活污水.水质见表1.

表1 实验生活用水水质

1.2 试验装置

试验装置见图1所示.

图1 上向流生物曝气滤池实验装置示意图

反应器为有机玻璃加工的曝气生物滤池高1 900 mm,内径 90mm,填料选用粒径 3～5mm、比重 1.19 g/cm的陶粒,填充高度 1 440mm,出水高度 1 710 mm,承托层以上每隔 300 mm设一个取样口,曝气口位于距底部 400 mm处,压缩空气经曝气扩散器进入反应器,储于水箱中的生活污水经蠕动泵进入反应器下部,水流方向自下而上,冲洗水、气自反应器底部进入,从上部出水口排出.

1.3 挂膜驯化

本研究中,曝气生物滤池的挂膜启动采用投加种泥闷曝,连续流培养的模式进行,即在反应器启动时投加一定量的活性污泥作为种泥,先闷曝培养3 d然后在进水流量 1 L/h,气水比(3～5)∶1的条件下连续运行连续运行 7 d后,COD和氨氮的去除率分别达到 75%和 60%,同时出水也较稳定.至此挂膜工作已完成,反应器已经顺利启动.

1.4 分析项目与方法

分析项目与检测方见表2所示.

表2 常规化学检测指标的分析方法

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间(HRT)对处理效能的影响

2.1.1 对 COD去除能力的影响

上向流单级曝气生物滤池模型反应器在不同水力停留时间下对 COD的去除能力如图2所示.

图2 HRT对COD去除能力的影响

由图2可以看出,在进水 COD质量浓度变化范围为 290～440mg/L的情况下,随着水力停留时间的缩短,模型反应器对 COD的平均去除率总体上呈逐渐减低的趋势.当水力停留时间由 6 h缩至1 h时,出水的 COD的对应质量浓度为 43.26、48.69、52.63、42.15、92.54、132.21mg/L,相应的 COD平均去除率分别为 90%、85.8%、83.7%、85.6%、69.3%、66.6%.当水力停留时间在 6 h到 3 h之间变化时,模型反应器对 COD去除能力变化幅度相对较小,在 83.7%～90%之间,但当水力停留时间由 3 h缩至 1 h,相应的 COD平均去除分别为 69.3%,66.6%,有机物去除能力显下降.在试验中还发现,在试验的每个过滤周期后期,反应器进水端区域生物膜出现一定程度发黑现象.这是由于在反应器底部污泥截流量大,生物膜增长快,生物膜较厚,膜内供养不足所致.发黑层随着水力停留的时间缩短而逐渐向上延伸.这是由于水力停留时间的缩短相应增加了水力负荷,即增加了进入反应器的有机负荷,使去除率效率受影响.另一方水力停留时间的缩短,水流在滤层中的流速加快,使生物膜容易脱落,使出水 COD增加,影响去除效果.图2也表明,反应器有一定抗水力负荷冲击能力,当水力停留时间在 6 h到 3 h之间变化时,对反应器对COD去除能力影响不大.

2.1.2 对氨氮去除能力的影响

图3 HRT对氨氮去除能力的影响

上向流单级曝气生物滤池模型反应器在不同水力停留时间下对氨氮去除能力的影响如图3所示.提高幅度不大,仅提高 3.2%左右.同时图4也表明,反应器具有较好的氧转移和利用率,只需较低的曝气量就可以达到较好的处理效果.

图4 曝气量对 COD去除能力的影响

由图3可以看出,在进水氨氮质量浓度为 47～56mg/L的范围内,随着水力停留时间的缩短,对反应器的硝化有显著影响.水力停留时间由 6 h降低到 1 h,出水的氨氮质量浓度相应为 5.28、7.11、6.78、7.76、16.66、36.39 mg/L,相应的氨氮去除率为 89.1%、87.3%、86.7%、85.7%、64.8%和34.1%.当水力停留时间在 6 h到 3 h之间变化,出水氨氮平均值小于 8mg/L,去除率在 85%以上,可以满足国家二级出水的标准.当缩减至1 h,出水的氨氮质量浓度显著加大,去除率显著降低.这是由于一方面水力停留时间减少,有机物质量浓度、水力和气流的剪切力增大,导致异养菌增加较快,生物膜更新也快,致使氨氧化细菌和和硝化细菌环境不利,整体活性降低.另一方面水力停留时间的缩短,水力负荷加大,反冲洗周期缩短,使氨氧化细菌和和硝化细菌容易脱落流出,从而降低了整个反应器的的硝化能力.

2.2 曝气量对处理效能的影响

在水力停留时间 3 h,温度 18～23℃的运行条件下,pH值保持在 7左右,进水 COD质量浓度在290.52～347.42 mg/L之间,曝气量对上向流单级曝气生物滤池反应器处理效能的影响情况.

2.2.1 对 COD去除能力的影响

由图4可以看出,在进水 COD质量浓度变化范围为 321～347mg/L之间,随着曝气量的增大去除能力有逐渐提高的趋势.当曝气量由 0.08 m3/h增大到 0.32 m3/h,出水 COD的质量浓度为 56.31、49.36、40.62、42.36mg/L,相应的模型反应器对 COD的去除率为 83.4%,85.7%,86.1%和 86.8%.说明提高曝气量,可提高对有机物的去除,但

2.2.2 对氨氮去除效果的影响

由图5可以看出,在进水氨氮质量浓度变化范围为 40.7～46.0mg/L之间,在一定得曝气量范围内对有机物的去除率有所提高.当曝气量由 0.08 m3/L增大到 0.32m3/L,出水氨氮的质量浓度对应为 7.36、6.45、6.62、10.24 mg/L,相应反应器对氨氮的去除率为 81.9%、85.0%、85.2%、77.8%.表明曝气量在 0.08m3/L到 0.24m3/L之间,反应器对氨氮的去除率随着曝气量增加对 COD的去除有所提高;曝气量由 0.24 m3/h到 0.32 m3/h之间,反应器对氨氮的去除率随着曝气量增加对COD的去除有所降低;降低 8%左右,说明增大曝气量,一方面增加了污水中的溶解氧,使生物膜中的氧浓度梯度增大,将促使溶解氧向生物膜深层扩散,使厌氧层厚度下降,反硝化能力降低;另一方面提高曝气量使液体的紊流加强,促进溶解氧扩散,加速了生物膜的更新速度.

图5 曝气量对氨氮去除能力的影响

2.3 pH值对处理效能的影响

在水力停留时间 3 h,曝气量 0.08～0.24 m3/h之间,温度为 18～23℃的运行条件下,进水 pH值变化对上向流单级曝气生物滤池反应器处理效能的影响情况.

2.3.1 对 COD去除能力的影响

当进水 COD的平均质量浓度为 368.8 mg/L,pH值在 6.09～8.72之间变化时,反应器对 COD的去除情况如图6所示.

图6 进水pH值对 COD去除能力的影响

由图6可以看出,pH值在 6.09～8.72之间对有机物去除基本没有影响,也反映了曝气生物滤池对进水的 pH值具有较好的缓冲能力,曝气生物滤池的这一特点说明反应器内部具有复杂的生物种群结构和丰富的生态类型组成,从而对不同的水质条件表现出群体的适应性,这与曝气生物滤池的结构特征是密切相关的.

2.3.2 对氨氮去除能力的影响

当进水氨氮的平均质量浓度为 53.95 mg/L,pH值在 6.09～8.72之间变化时,反应器对氨氮的去除情况如图7所示.

图7 进水 pH值对氨氮去除能力的影响

由图7可以看出,pH值在 6.57～8.72之间对氨氮的去除影响不大,出水的氨氮分别为 8.0、4.3、6.7、6.5、7.6 mg/L,相应去除率在 81% ～ 88%之间,出水氨氮均可达到国家二级标准.当在 pH值为 6.09,出水氨氮为 16.40%,去除率为 72.09%.可以看出 pH值小于 6.57,在偏酸性的区间内,出水氨氮值明显上升,且不能达到排放标准.

3 结 语

1)水力停留时间对生物滤池的效能明显影响,缩短水力停留时间(HRT)使反应器对 COD、氨氮的去除率逐渐下降.

2)曝气强度对反应器的处理效果有不同程度的影响.试验中发现,在一定的范围内增大曝气量可有效降低出水 COD及氨氮值.

3)生活污水的 pH值范围对反应器的处理效果基本没有影响.生活污水的 pH值在 6.57～8.72之间,曝气生物滤池对 COD、氨氮的去除率基本不变.

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