PVA填料对低温生活污水生物脱氮的影响

赵 亮,张洛红,王鑫浩,成晶晶

(西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安710048)

0 引 言

中国的水体富营养化问题在水污染问题中所占比重呈现日益加剧的趋势．根据中国环境保护部门发布的2016年《中国环境状况公报》显示,全国湖泊(水库)富营养化问题突出．水体大量的氮、磷等营养物质是引起河流、湖泊水华和海湾等赤潮的主要原因,大量的城市污水中氮、磷的超标排放又是引起水体富营养化的重要原因．目前,国内外氨氮的处理方法主要有吹托法[1]、折点氯化法[2]、汽提法[3]和生物法[4]等方法,其中生物法是传统的去除氨氮方法[5-6],因其经济简便、处理效率高等特点而被普遍采用,虽然近几年出现了处理效果更好的选择性离子交换法[7],但考虑到处理成本太高而且产生难以处理的固体废物,因此,此方法难以推广使用．

PVA凝胶微球[8]是一种多孔的材料,放置于反应器中可以使硝化细菌及反硝化细菌大量积累,防止其在低温条件下的流失,并保证有足够的硝化细菌及反硝化细菌的数量(浓度),可以增强脱氮效果．因此文献[9]提出了PVA填料增强低温生活污水生物脱氮的方法．日本某公司在传统聚乙烯醇(PVA)载体基础上成功研发的PVA 凝胶小球是一种极具应用前景的高性能微生物固定化载体．国内以PVA 凝胶小球为微生物固定化载体在EGSB 反应器(体积为8.5 L)中处理水产养殖废水．研究结果表明,加入PVA 凝胶小球的EGSB 反应器经过37d的运行,PVA 凝胶小球表面富集了大量微生物,小球由白色变为深黄色,相比于其他方法，此方法简单便捷、效率高,从而引起了许多学者的关注.文中使用模拟CASS工艺[10]中添加PVA填料的方法,寻找最佳工艺参数,对比添加和未添加PVA填料下的氨氮去除率,得到PVA填料对氨氮处理效率提高的结果．

1 实 验

1.1 材料

PVA凝胶微球(重庆大学研制),回流的活性污泥(陕北某污水处理厂),排污井的进水(西安工程大学一号教学楼,经过一个多月的调查取样,监测得到进水氨氮维持在60～75 mg/L)．

1.2 仪器

25 L塑料容器、BT100-2J蠕动泵(上海市瑞堂蠕动泵)，ACO系列电磁式空压机(宁波工布机械有限公司)， JJ-1磁力搅拌器(山东康发科技有限公司)，SB-1型COD快速测定仪(连华科技有限公司)，JPB-607型溶解氧测定仪(连华科技有限公司)，PHS-3C型精密pH计(连华科技有限公司)，TJ-1分光光度计(连华科技有限公司)，烧杯,量筒,滴定管若干等．

1.3 方法

首先在模拟CASS工艺(20 L污水)中添加0.5 kg PVA凝胶球填料,通过调节蠕动泵的速度,使得回流比分别为200%,300%,400%,在各回流比下用纳氏试剂分光光度法测定进出水氨氮值,确定出最佳回流比．再依次通过蠕动泵调节进水量(3 L,5 L，10 L)，空压机调节曝气时间(1 h，2 h，3 h)，磁力搅拌器调节搅拌速度(1 r/s，2 r/s，3 r/s),分别测定进出水的氨氮值,得到最佳的进水量、曝气时间、搅拌速度．最后,在最佳回流比、进水量、曝气时间、搅拌速度条件下,测定添加PVA凝胶球填料和未添加填料的模拟CASS工艺的进出水氨氮值,得到PVA凝胶球填料对低温生活污水的脱氮效果．

2 结果与分析

2.1 回流比对低温生活污水生物脱氮效果的影响

图1是不同回流比[11]条件下,添加PVA填料的CASS工艺氨氮去除率的对比图.可以看出，在低温条件下,同一进水氨氮,回流比为200%，300%，400%时,氨氮去除率分别为35%，65%，32%左右.在回流比为300%时,氨氮去除效果达到最高．当回流比为200%时,污水大部分都停留在好氧区或厌氧区,好氧区的硝化细菌将氨氮转化为硝酸或亚硝酸,硝酸或亚硝酸不能到达厌氧区进行反硝化细菌的反硝化作用,从而不能去除氨氮;当回流比为400%时,硝化细菌和反硝化细菌一直处于好氧区,反硝化细菌不能进行反硝化作用,因此,氨氮难以去除;当回流比为300%时,硝化细菌进行硝化作用,将产生的硝酸和亚硝酸用于反硝化细菌的反硝化作用,反硝化作用将硝酸和亚硝酸转化成氮气,从而去除氨氮．实验表明添加填料的CASS工艺中,最佳回流比为300%．

2.2 进水量对低温生活污水生物脱氮效果的影响

图2是在回流比为300%的前提下,添加PVA填料的CASS工艺其他条件不变,进水量[12]分别为3 L,5 L,10 L,氨氮去除率的对比图.可以看出，在进水量为3 L和10 L时去除率基本维持在20%以下,但在进水量为5 L时,氨氮去除率达到45%左右．当进水量为3 L时,微生物从污水中不能获取更多碳源进行脱氮,从而影响脱氮效果;当进水10 L时,由于进水量过大,CASS系统受污水冲击太大,氨氮去除率低下,因此,进水过大或过小都不利于脱氮，只有在进水量为5 L时,污水既能提供足够的碳源,又不会冲击CASS系统,氨氮才能有效去除．由此确定出CASS工艺的进水量为5 L．

图 1 不同回流比对氨氮去除效果的影响 图 2 不同进水量对氨氮去除效果的影响 Fig.1 Influence of different reflux ratio on the effect of ammonia nitrogen removal Fig.2 Effect of different influent on NH3-N removal efficiency

2.3 曝气时间对低温生活污水生物脱氮效果的影响

图3是在回流比为300%,进水量为5 L的前提条件下,添加PVA填料的CASS工艺,不同曝气时间[13]下的氨氮去除效果图.可以看出，在曝气时间为1 h，2 h时,氨氮的去除率维持在45%和65%左右,在曝气时间为3 h时,氨氮的去除率明显呈下降趋势．当曝气时间为1h时,氨氮没有通过硝化细菌全部转化为硝酸和亚硝酸,不能进行反硝化作用,从而影响氨氮去除率;当曝气为3 h时,曝气量过大,使污泥絮体难以形成,系统趋近崩溃,造成硝化细菌[14]和反硝化细菌[15]难以进行脱氮;当曝气量为2 h时,氨氮能及时转化为硝酸和亚硝酸,反硝化细菌能快速将硝酸和亚硝酸转化为氮气,因此,氨氮去除率较高．由此确定添加PVA填料的CASS工艺2 h的曝气时间是最佳的．

2.4 搅拌速度对低温生活污水生物脱氮效果的影响

图4是在回流比为300%,进水量为5 L,曝气时间为2 h的条件下,添加PVA填料的CASS工艺,不同搅拌速度[16]条件下氨氮的去除率情况.可以看出，在搅拌速度为1 r/s,2 r/s，3 r/s时,氨氮的去除率维持在45%，65%，35%左右．搅拌速度为1 r/s时,由于搅拌慢,部分污泥沉降在反应器底部,污泥和污水不能完全混合,造成脱氮效果较差;在搅拌速度为3 r/s时,由于搅拌速度过大,使得较多的氧气进入污水中,污水中的氧气含量过多,反硝化细菌不能进行反硝化反应,因此,脱氮效果变差,CASS系统也趋近崩溃;当搅拌速度为2 r/s时,硝化细菌可以获得足够的氧气进行硝化反应,反硝化细菌也处于缺氧状态,可以进行反硝化反应,使得氨氮转化成氮气,从而使得氨氮的去除率维持在65%左右．由此确定出在添加PVA填料的CASS工艺中2 r/s的搅拌速度是最佳的．

图 3 不同曝气时间的氨氮去除率情况 图 4 不同搅拌速度下的氨氮去除率 Fig.3 Removal rate of ammonia nitrogen at Fig.4 Removal rate of ammonia nitrogen at different aeration time different stirring speed

由图1～4确定出添加PVA填料的最佳工艺参数为回流比为300%,进水量为5 L,曝气时间2 h,搅拌速度为2 r/s．

图 5 添加和未加PVA填料的CASS工艺脱氮效果比较Fig.5 Comparison of denitrification efficiency of CASS process with and without PVA filler at low temperature

2.5 最佳参数运行条件下,PVA填料对低温生活污水氨氮去除效果的影响

图5是在低温,同一进水氨氮,相同工艺参数下,添加PVA填料和未添加PVA的CASS工艺的脱氮效果比较.实验表明添加PVA填料对低温CASS工艺的氨氮去除率维持在65%左右,未添加PVA填料的氨氮去除率维持在15%左右,这是由于PVA填料,其约20 μm的孔径易于细菌的生存,提高了CASS工艺中硝化和反硝化细菌的数量和浓度,并减小了因低温污泥膨胀[17]等带来的细菌流失风险,低温生活污水中的氨氮可以通过足够数量的硝化和反硝化细菌转化为氮气,从而可以有效的提高低温生活污水的脱氮效果．

3 结 论

(1) 在低温条件下,实验所模拟的CASS工艺的最佳运行参数为进水量为5 L,曝气时间为2 h,回流比为300%,搅拌速度为2 r/s．CASS工艺添加PVA填料,对氨氮的去除效果稳定,基本维持在65%左右,相比不加填料的情况下,其效果明显．

(2) PVA填料能富集大量的硝化和反硝化细菌,添加PVA填料间接增加了细菌的数量,从而可以增强脱氮效果．

(3) 针对北方寒冷地区的低温生活污水生物处理,添加PVA填料是一种便捷、简单的解决方法,适宜在北方寒冷地区推广．

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