污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能

赵 冰,柳晓燕,李胜红,朱芬芬

污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能

赵 冰,柳晓燕,李胜红,朱芬芬*

(中国人民大学环境学院,北京 100872)

对污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能进行探讨,将活性炭和污泥基生物炭分别投入A2O工艺厌氧池活性污泥,发现其对COD削减率最高分别为72.9%和41.1%,均能有效削减,生物炭对TN削减率最高为74.1%,优于活性炭.表征显示污泥基生物炭上更易附着活性污泥且比表面积更大.在A2O小试厌氧池中以“1次/污泥龄”为频率投加活性炭、污泥基生物炭和脱脂污泥基生物炭,结果发现:投加污泥基生物炭对COD、TN、TP的削减均优于活性炭,投加脱脂污泥基生物炭对COD、TN的削减与投加活性炭相当,对TP平均削减率高达85.6%,优于活性炭,表明生物炭处理(BT)工艺比粉末活性炭处理(PACT)工艺处理生活污水能力更强,脱脂污泥基生物炭作为污泥脂质提取后的副产品更经济.

污泥基生物炭；活性污泥系统；PACT工艺；A2O小试

随着我国城镇化水平不断提高,城镇设施建设不断完善,污水处理量逐年增加.为使污水处理后达标排放,满足回用水要求,各地方污水处理厂均开展提标改造,以应对水量和水质两方面处理需求.当前约有90%的污水处理厂建设了三级深度处理设施[1].在提标改造过程中暴露出许多问题,如污泥活性低时易沉降,污水处理效率低,混合液悬浮固体(MLSS)和溶解氧(DO)浓度升高,不利于脱氮除磷[2].有毒有害有机微污染物在生化处理段去除效率普遍较低,需添加多种药剂以调节水质,增加了污水处理厂运营成本,与可持续发展理念相违背[3-6].现有粉末活性炭处理(PACT)工艺是通过将粉末活性炭加入到污水处理工艺的生化段,使粉末活性炭与活性污泥相互作用,以增强对污染物的去除效率[7].目前主要应用在印染废水、渗滤液等工业废水的处理.国外也有运用PACT工艺处理市政污水的实际案例[7-9].虽然污染物去除效果显著,但粉末活性炭价格较贵,污水处理成本会有所增加.生物炭的相关研究与应用是近年来的热点,在水质净化、土壤改良等领域有经济高效的特点,以污泥为原料制备的污泥基生物炭比商用活性炭的综合潜力更大,一方面原材料获取方便且经济,另一方面对固体废弃物污泥本身进行了资源化处理,同时可节省污泥后续处理成本[10].本研究选取需进行处理处置的城镇污泥为原料制备生物炭,以污泥基生物炭和脱脂污泥基生物炭代替煤质、椰壳或木屑制备的传统粉末活性炭,构建新型生物炭处理(BT)工艺,采用间歇投加方式,分析其在实际工程中运行的可能性,期望对相关工艺和工程技术提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

取北京市某污水处理厂料仓污泥(含水率为80%～86%),烘干粉碎后过20目筛.采用索氏提取法进行脱脂.将10g用滤纸包裹的干污泥置于索氏提取器中,将400mL正己烷和乙醇的混合液(体积比为1:1)加入提取瓶,于80℃条件下水浴加热8～12h.滤纸中剩余固体即为脱脂污泥[11].将经过预处理的污泥和脱脂污泥分别置于管式炉中,在500℃条件下进行绝氧热解,升温速率为5～10℃/min,恒温1h,最终分别得到污泥基生物炭(SBB)和脱脂污泥基生物炭(DSBB).活性炭为市售粉末活性炭(AC,粒径为200目).

1.2 试验方法

1.2.1 烧杯实验方法 从图1所示的A2O小试装置取100mL新鲜厌氧池活性污泥于300mL烧杯中,设计AC和SBB的投加量3个梯次,分别为0.05,0.10和0.20g,反应时间分别为0.5,1.0和2.0h,组合后得到9组实验样本,反应条件设置情况如表1所示.取厌氧池活性污泥不添加碳基材料,仅搅拌,其他条件保持一致.随后将混合液通过离心过滤,测定反应前厌氧池活性污泥水相和反应后混合液滤液中的COD、TN和TP,以比较AC、SBB在烧杯实验中与污泥的协同作用效果.对反应后的厌氧池活性污泥、(活性污泥+AC)混合样和(活性污泥+SBB)混合样进行表征.利用荧光显微镜BK-FL和场发射扫描电子显微镜(SEM) SU8200测定微观形貌特征;利用麦克ASAP2020比表面积测定仪测定比表面积、孔容孔径等;利用傅立叶红外光谱仪测定表面官能团,其中采用Perkin Elmer Frontier型号红外光谱仪测定活性污泥及其与碳基吸附剂作用后样品,采用VERTEX 70型号光谱仪测定SBB.

1.2.2 A2O小试实验方法 从北京市某污水处理厂曝气池取20L泥样,进行驯化培养,培养期约30d.A2O系统pH值为6.7～6.9.厌氧池、缺氧池和好氧池的DO浓度分别为0.7,1.1和3.6mg/L,MLSS分别为3004,2892和2953mg/L.污泥负荷为0.15kg BOD5/(kgMLSS·d),污泥停留时间为15d.C/N=6,C/P= 40.进水流量速率为1.67L/h,水力停留时间为8.88h.污泥外回流比为100%,内回流比为200%.

图1 A2O小试装置运行示意

表1 反应条件设置情况

本研究设计运行2个规格相同的A2O小试装置,材料均为有机玻璃,装置结构如图1所示.单个池体体积为4.5L,总有效体积为22.5L.以实验室药剂配水模拟市政生活污水作为污水来源,以葡萄糖为有机碳源,浓度为0.41g/L;以氯化铵为氮源,浓度为0.19g/L;以磷酸二氢钾为磷源,浓度为0.03g/L,以碳酸氢钠为无机碳源,同时起调节pH值的作用,浓度为0.08g/L.AC、SBB、DSBB的投加方式为间歇投加、投加频率为1次/污泥龄.

根据《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)》[12],采用一体型三参数测定仪(5B-6C,北京连华)测定水样COD浓度值.根据《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ636-2012)》[13]和《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法(GB/T11893-1989)》[14]分别测定水样TN和TP,TN在波长220和275nm下测定吸光度值,按式(1)计算校正吸光度值,TP在波长700nm下测定吸光度值,分别代入各自校准曲线得出浓度值.按公式(2)计算削减率,用Origin软件绘制浓度图和削减率图.

=220-2×275(1)

式中:为校正吸光度值;220为波长220nm下测定的吸光度值;275为波长275nm下测定的吸光度值.

=(0-)÷0×100% (2)

式中:为削减率,%;0为投加碳基吸附剂前的背景浓度值,mg/L;为浓度值,mg/L.

2 结果与讨论

2.1 烧杯实验探讨BT工艺的可行性

2.1.1 投加量和反应时间的影响 将AC和SBB置于蒸馏水中会产生浸出污染物,为使实验数据准确,首先进行污染物浸出实验,得到的污染物浸出值作为背景值,并在计算中减掉背景值可得污染物实际值,结果表明AC和SBB浸出COD值分别为(107.50±54.20)mg/L和(88.80±37.20)mg/L,浸出TN几乎为0.

AC和SBB对COD削减情况如图2所示,可以看出,AC比SBB对COD去除效果更好.从投加量看,AC对COD去除效果最佳的投加量为0.05g,其次为0.1g,最差为0.2g;SBB对COD去除效果最佳的投加量为0.1g(以活性污泥样体积计算为1000mg/L,下同),其次为0.2g,最差为0.05g,但整体相差不大,表明AC在对COD去除过程中投加量较少可产生较好去除效果,随着投加量增加会抑制对COD的去除.从反应时间看,AC和SBB对COD去除效果最佳的反应时间均为0.5h,其次均为2.0h,最差为1.0h.且AC和SBB对COD去除效果最好的条件分别为0.10g+ 0.5h和0.10g+1.0h.

AC和SBB对TN削减情况如图3所示,可以看出AC对TN几乎无去除效果,而SBB对TN有较好去除效果,削减率最高为74.1%.从投加量看,SBB投加量为0.05和0.2g时对TN去除效果较好,削减率均能达到35%.从反应时间看,AC和SBB对TN去除效果最佳的反应时间分别为2.0和1.0h,最差均为0.5h,推测SBB和活性污泥协同作用去除TN在1.0～2.0h达到饱和.SBB对TN去除效果最好的反应条件为0.20g+1.0h.

2.1.2 烧杯实验反应后混合样的表征分析 (1)荧光显微镜及SEM结果与分析

为探究碳基材料与活性污泥的耦合协同作用机理,将添加了碳基材料的混合样品和活性污泥进行表征分析,根据上述投加量和反应时间的探讨,确定AC、SBB的投加量均为1000mg/L样品,搅拌时间为1.0h,此条件下SBB对COD去除效果最好,对TN去除效果也较好.

图2 投加量和反应时间对COD的影响

反应条件见表1,下同

图3 投加量和反应时间对TN的影响

将得到的混合样品置于荧光显微镜下放大40倍观察,如图4所示.结果表明,活性污泥经过搅拌后呈现出较为均匀的分布状态,添加AC后,呈现出较为明显的分离状态,AC上附着的活性污泥较少;添加SBB后,呈现较活性污泥稍差的分布状态,推测SBB对活性污泥具有较好的附着性,大部分碳粒被活性污泥附着包裹.

根据扫描电镜(放大倍数为10k)结果,如图5所示,可得上述相似结论.与添加AC相比,活性污泥和添加SBB后的表观更为相似,均具有相对平滑紧密的结构,印证了添加SBB的条件下,活性污泥可以得到更好附着.周颖[15]的研究表明果壳生物炭表面生物膜结构较为紧密,与本文结果一致.

图4 活性污泥及其与碳基吸附剂作用后的显微镜观测

图5 活性污泥及其与碳基吸附剂作用后的SEM图

(2)BET检测结果与分析

BET检测结果如表2所示,活性污泥添加SBB与添加AC得到的混合材料相比,比表面积、孔体积、平均孔径均差别不大,且孔体积均大于活性污泥.添加了AC和SBB混合材料的比表面积分别为1.1988和1.3389m2/g,未添加碳基材料的活性污泥比表面积为0.1153m2/g,反应后的混合材料比表面积比活性污泥大了约10倍,且AC和SBB比表面积分别为1000和13.5260m2/g,反应后的混合材料比表面积急剧变小,表明AC和SBB对活性污泥具有附着性.

(3)红外光谱表征结果

活性污泥及其碳基材料反应后混合样的红外光谱如图6所示,活性污泥的特征波峰分别为波数为3300的O-H伸缩振动,1700的C=C伸缩振动及1050的C-O伸缩振动,添加AC和SBB后混合样红外光谱图在特征波数3300、1700、1050表现出相同波峰,且3个样品红外光谱图相似,表明活性污泥在AC和SBB表面附着性强.

表2 活性污泥及其与碳基吸附剂作用后的BET检测结果

图6 活性污泥及其与碳基吸附剂作用后的红外光谱图

2.2 小试装置探讨BT工艺处理生活污水可行性分析

2.2.1 BT与PACT工艺出水COD对比 采用PACT工艺处理制药废水的小试研究中,反应器中AC的投加量为1500mg/L时,出水中COD的去除率明显降低[16].但是考虑到工艺和污水背景,此次实验设计投加量较工业废水小,设计投加量为4.5g或3.0g.投加AC、SBB、DSBB后,A2O小试系统出水COD的变化如图7所示.投加活性炭和生物炭后,COD浓度在10d中均小于投加前的背景值.除投加4.5gSBB外,在10d的出水检测结果中,其余投加组COD浓度均低于城镇污水处理厂污染物一级A标准限值.投加4.5gAC对COD的去除效果较为明显,削减率为35.1%～63.6%,A2O小试装置运行较为平稳.投加4.5gSBB后,运行10d的平均削减率为37.0%,但COD浓度在30～80mg/L间反复,运行期间仍有5d远超出一级A标准限值.这可能是由于投加4.5gSBB前COD背景值过高,且其余组实验温度均为16～20℃之间,该组为8～10℃,实验时环境温度过低,影响了污泥活性所致[17-18].投加3.0gSBB的结果显示,COD浓度基本维持在20～30mg/L,COD削减率最高可达79.7%,最低为55.2%,除运行5d时COD浓度略高于准四类水标准外,其余9d均可达到准四类水标准.投加4.5gDSBB后,COD浓度基本维持在10～30mg/L,COD削减率为27.7%～75.2%.总体来看, 10d COD平均削减率投加4.5gSBB组低于4.5gAC组,投加4.5gDSBB组与4.5gAC组差别不大,投加3.0gSBB组高于4.5gAC组.综上所述,相同温度条件下,投加生物炭可以达到投加活性炭时对COD的去除效果.

图7 BT与PACT工艺的COD对比

2.2.2 BT与PACT工艺出水TN对比 如图8所示,除投加4.5gSBB外,其余投加活性炭及生物炭后的TN浓度均小于投加前的背景值.PACT工艺运行中,TN仅有第1d出水的检测结果低于城镇污水处理厂污染物一级A标准和一般地区准四类水标准限值,但TN削减率最高可达57.1%,最低为24.0%.投加4.5gSBB后前期TN去除效果较好,在第4d时TN浓度最低,TN削减率达到88.2%.但是从第5d开始,出水TN均高于未投加时.原因可能为SBB投加到活性系统中起到的吸附作用较小,主要是作为微生物载体,提供更多微生物附着位点,增强微生物活性和对环境的耐受性,以达到去除污染物的目的[19-21].结合A2O系统脱氮除磷原理,投加SBB后,微生物浓度获得附着位点,浓度增加,导致后期微生物群落间出现竞争关系.一方面是氧气竞争,导致好氧池中硝化细菌活性降低,硝化反应减弱,因此后期对TN的去除效果减弱;一方面是碳源竞争,导致A2O小试系统稳定性降低.投加3.0gSBB对TN削减效果明显,TN浓度前8d均符合一级A标准及一般地区准四类水标准,其中有3d符合水体富营养化问题突出地区的准四类水标准.投加4.5gDSBB后,TN浓度有7d符合一级A标准和一般地区准四类水标准,TN削减率为14.3%～ 56.5%.总体来看,10d TN平均削减率情况与COD相似,投加4.5gSBB组最低,投加4.5gDSBB组略低于4.5gAC组,投加3.0gSBB组高于4.5gAC组.综上所述,相同温度条件下,投加生物炭可以达到投加活性炭时对TN的去除效果.

图8 BT与PACT工艺的TN对比

2.2.3 BT与PACT工艺出水TP对比 如图9所示,投加4.5gAC后和投加4.5gSBB后,TP的浓度均未低于城镇污水处理厂污染物一级A标准及准四类水标准限值.与TN变化情况一致,除投加4.5gSBB外,其余投加活性炭及生物炭后的TP浓度均小于投加前的背景值.投加4.5gAC后,TP削减率为18.0%～73.7%,去除效果好于TN.投加4.5gSBB后,后期5～10d的TP去除效果好于前期的1～4d.投加3.0gSBB后,TP削减率均超过80%.投加4.5gDSBB后,TP削减率均超过75%,COD、TN和TP的浓度随时间推进均呈现先降低后增加的趋势,可能是在投加DSBB后,由于管道堵塞等装置运行原因,DSBB与活性污泥混合不充分所致[22-24].总体来看,10d TP平均削减率大小顺序与COD和TN一致,投加4.5gSBB组最低,其次是投加4.5gAC组、投加4.5gDSBB组,投加3.0gSBB组最高,证明了温度确实会对活性污泥系统产生影响[25].投加4.5gSBB后对TP去除效果较差,而投加3.0gSBB后效果很好,可能由于厌氧环境下聚磷菌只能利用污水中的易降解有机污染物作为碳源满足自身需求,但该装置中葡萄糖为唯一碳源,可能在厌氧池已经存在反硝化菌和聚磷菌的竞争.由图9还可以看出,投加4.5gDSBB组10d TP平均削减率与3.0gSBB组差别不大,并远高于4.5gAC组. Yang等[26]综述了生物炭在水资源回收中的应用,Zhang等[27]对生物炭及其改性物去除水中磷酸盐进行评价,均表明生物炭具备有效的捕磷能力,通常受其物理化学参数影响,表面的有机官能团有助于增强静电引力,促进磷吸附. Kizito等[28]利用木头、玉米棒、稻壳、锯末制备的生物炭从厌氧消化液中回收磷酸盐,结果表明回收能力分别为7.67mg/g、6.43mg/g、5.73mg/g、5.41mg/g,本研究中3.0gSBB和4.5gDSBB组的回收能力平均分别为13.10mg/g、13.78mg/g,优于Kizito等人.综上所述,相同温度条件下,投加生物炭对TP的去除效果远好于投加活性炭.原因为投加SBB或DSBB后,A2O小试装置厌氧池、缺氧池和好氧池中的污泥浓度增加,为维持原定约15d的污泥停留时间,增加了排泥量,进而增加溶解性磷元素随剩余污泥的排出量,导致出水中TP浓度显著降低[29-30].

图9 BT与PACT工艺的TP对比

3 结论

3.1 烧杯实验结果表明,活性炭和污泥基生物炭均能对COD产生较好去除效果,且污泥基生物炭对TN去除效果更好,更容易被活性污泥附着.AC和SBB对COD削减率最高值分别为72.9%和41.1%,对TN削减率最高值分别为8.3%和74.1%.

3.2 小试装置结果表明,BT工艺比PACT工艺具有更强的处理生活污水能力,脱脂污泥基生物炭比污泥基生物炭更经济.生活污水中投加4.5gAC、3.0gSBB和4.5gDSBB后,COD削减率分别为35.1%～63.6%、55.2%～79.7%和27.7%～75.2%,TN削减率分别为24.0%～57.1%、18.3%～66.6%和14.3%～ 56.5%,TP削减率分别为18.0%～73.7%、81.4%～ 92.5%和75.8%～90.1%.因此,污泥基生物炭能够提升活性污泥系统处理能力.

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ZHAO Bing, LIU Xiao-yan, LI Sheng-hong, ZHU Fen-fen*

(School of Environment & Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)., 2022,42(7)：3156～3163

This study investigates the sludge-based biochar to enhance the treatment performance of activated sludge systems. The highest COD reduction rates of 72.9% and 41.1% were found for activated carbon and sludge-based biochar, respectively, into the activated sludge of anaerobic tank in the A2O process. The highest reduction rate of TN was 74.1%, which was more effective than that of activated carbon. Characterization showed that activated sludge was more easily attached to sludge-based biochar and had a larger specific surface area. Activated carbon, sludge-based biochar and defatted sludge-based biochar were added in the anaerobic tank of A2O pilot plant at the frequency of one addition per sludge age. The results showed that adding sludge-based biochar had better reduction effect on COD, TN and TP than adding activated carbon. Compared with the addition of activated carbon, adding defatted sludge-based biochar had little difference in COD and TN reduction, but the average reduction rate of TP was 85.6%, which was more effective than that of activated carbon. In conclusion, biochar treatment (BT) process is more powerful than powdered activated carbon treatment (PACT) process in treating domestic sewage, and defatted sludge-based biochar is more economical as a by-product of sludge lipid extraction.

sludge-based biochar；activated sludge system；PACT process；A2O small scale test

X705

A

1000-6923(2022)07-3156-08

赵 冰(1994-),女,河北石家庄人,中国人民大学博士研究生,主要研究方向为固体废物处理处置与资源化.发表论文3篇.

2021-12-16

国家重点研发计划(2019YFC1906501)

* 责任作者, 教授, zhufenfen@ruc.edu.cn