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      兩級(jí)木炭曝氣生物濾池的掛膜啟動(dòng)研究

      2012-11-05 00:30:32江小林
      關(guān)鍵詞:木炭原水濾池

      江小林,肖 云

      (武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢,430065)

      曝氣生物濾池集污水生物處理和濾池本身的截留過(guò)濾作用于一體,能有效去除污水中的各種污染物。它因占地面積小、工藝流程簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)好、基建和運(yùn)行費(fèi)用低、易于管理、可間斷運(yùn)行、對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注[1-5]。在曝氣生物濾池的處理工藝中,濾料的選擇直接影響到污水處理效率和成本[6]。活性炭因具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和良好的吸附性能而在污水處理領(lǐng)域倍受青睞,但其生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜,生產(chǎn)成本偏高。相比之下,木炭的制造工藝簡(jiǎn)單,制作原材料來(lái)源廣泛,價(jià)格較低,雖然其吸附性能比活性炭略差,且質(zhì)地疏松易碎,但在污水處理領(lǐng)域仍具有良好的應(yīng)用前景。與目前常用的陶粒填料(比表面積為3.99m2/g,對(duì)氨氮的吸附能力為0.21mg/g)相比,木炭的比表面積(100m2/g)較大,對(duì)氨氮的吸附能力(0.24mg/g)略強(qiáng)[1]。同時(shí),木炭的孔隙結(jié)構(gòu)更有利于原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖,也使其反沖洗周期稍長(zhǎng)于陶粒填料。因此,本文以木炭作為曝氣生物濾池的填料,以城市污水處理廠二沉池回流污泥為接種污泥,以初沉池出水為原水啟動(dòng)掛膜,研究?jī)杉?jí)木炭曝氣生物濾池的各級(jí)掛膜啟動(dòng)狀況,考察其在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)水中污染物的去除情況。

      1 試驗(yàn)裝置與方法

      試驗(yàn)裝置如圖1所示。兩濾柱均采用內(nèi)徑為80mm的有機(jī)玻璃柱加工而成,其有效高度為2000mm,柱內(nèi)裝填粒徑為2~8mm的木炭,底部配水區(qū)高度為100mm,以保證進(jìn)水的均勻性。濾料層高度為1600mm,清水區(qū)高度為200 mm,濾料層沿水流方向每隔300mm設(shè)一取樣口,每級(jí)濾柱共設(shè)5個(gè)。高位水箱用來(lái)保證水壓恒定,出水用儲(chǔ)存箱收集,以便為反沖洗提供水源。在兩個(gè)濾柱的底部均設(shè)曝氣和氣水反沖洗裝置,采用上向流方式運(yùn)行。

      圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment equipment

      試驗(yàn)開始于2011年7月9日,在水溫為25.4~29.6℃的條件下,兩濾柱均采用接種掛膜法,以城市污水處理廠二沉池的回流污泥作為接種污泥。掛膜分為兩個(gè)階段:(1)靜態(tài)掛膜,即向兩濾柱內(nèi)分別注入活性污泥進(jìn)行悶曝,曝氣量為20 L/h,2天后放空悶曝后的濾柱,注入新的活性污泥;(2)連續(xù)培養(yǎng),7月14日排出濾柱內(nèi)沒能有效掛膜的懸浮微生物(放空濾池),以初沉池出水為原水連續(xù)進(jìn)水(濾速約為1m/h),同時(shí)進(jìn)行曝氣,啟動(dòng)過(guò)程中DO濃度控制在3~5mg/L,7月19日開始將兩級(jí)濾柱改為串聯(lián)運(yùn)行并逐漸提高濾速,使其適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)的變化。在整個(gè)通水運(yùn)行期間對(duì)原水和各級(jí)出水的COD以及NH3-N濃度進(jìn)行檢測(cè)。

      另外,在掛膜啟動(dòng)期間,為了避免掛膜后濾柱內(nèi)微生物的過(guò)量繁殖以及進(jìn)水中攜帶的部分懸浮固體使濾柱內(nèi)的孔隙率減小、水頭損失增大甚至造成堵塞,需要對(duì)濾柱進(jìn)行定期的低強(qiáng)度反沖洗。一級(jí)濾柱(除碳段)每5天反沖一次,二級(jí)濾柱(硝化段)每8天反沖一次。兩個(gè)濾柱的反沖洗周期不同,當(dāng)其中一個(gè)濾柱處于反沖后的恢復(fù)期間時(shí),另一個(gè)能有效地穩(wěn)定出水水質(zhì)。

      2 結(jié)果與分析

      運(yùn)行初期,木炭填料漂浮于水中,位于濾柱中下部的填料表面有透明黏性物質(zhì),隨后木炭表面出現(xiàn)淺黃色絮體,并沿濾柱高度上升;從第3天開始,濾柱上出現(xiàn)黃褐色斑點(diǎn),并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),斑點(diǎn)不斷擴(kuò)散;到第7天,木炭上已附著了一層黃褐色的生物膜,木炭也因此而逐漸沉下來(lái)。通過(guò)顯微鏡可觀察到生物膜中包裹著大量絲狀菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物,如線蟲、草履蟲、鞭毛蟲、輪蟲等。

      啟動(dòng)過(guò)程中原水和各級(jí)出水的COD變化如圖2所示,COD去除率的變化如圖3所示。圖2中虛線所示位置為兩級(jí)濾柱串聯(lián)運(yùn)行前后的分界點(diǎn)。由圖2和圖3可見,盡管原水的COD(168~345mg/L)波動(dòng)較大,兩個(gè)濾柱分別通水運(yùn)行5天后,其出水COD均可達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平,一級(jí)濾柱出水COD平均值為116.4mg/L,二級(jí)濾柱出水COD平均值為117.8mg/L,兩個(gè)濾柱對(duì)COD的初始去除率均超過(guò)60%。

      圖2 原水和各級(jí)出水的COD變化Fig.2 COD changes of raw water and outflow water

      圖3 COD去除率隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of COD removal rate with time

      從圖3中可以看出,串聯(lián)運(yùn)行后一級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率較高且很穩(wěn)定,其平均COD去除率為82.27%;二級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率較低且波動(dòng)較大,COD去除率最高時(shí)達(dá)到27.42%,最低時(shí)為-5.44%,其平均值僅為11.47%。造成這一現(xiàn)象的主要原因是曝氣生物濾池對(duì)COD的去除效果與進(jìn)水COD值有關(guān),進(jìn)水COD越高,COD去除率就越高[7]。由于二級(jí)濾柱的進(jìn)水為一級(jí)濾柱的出水,易于降解的污染物已經(jīng)在一級(jí)濾柱中分解,當(dāng)一級(jí)濾柱的COD去除率達(dá)到飽和后,如果其出水COD仍然很高,那么二級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率會(huì)相應(yīng)提高,反之則降低,甚至出現(xiàn)COD去除率為負(fù)的現(xiàn)象。

      從圖3中還可以看出,在每次反沖洗之后,各級(jí)濾柱的COD去除率均有所下降,其原因是反沖洗在去除濾柱堵塞物的同時(shí),也沖掉了木炭中生長(zhǎng)的部分懸浮態(tài)微生物,導(dǎo)致濾柱對(duì)COD的降解能力下降。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),濾柱內(nèi)懸浮態(tài)微生物減少,固著態(tài)微生物大量增殖,反沖洗后COD去除率的降幅減小。掛膜啟動(dòng)后期,COD的累計(jì)去除率均達(dá)到80%以上且相當(dāng)穩(wěn)定。

      啟動(dòng)過(guò)程中原水和各級(jí)出水的NH3-N濃度變化如圖4所示,NH3-N去除率的變化如圖5所示。由圖4可見,原水NH3-N濃度為10~41 mg/L,串聯(lián)運(yùn)行后,二級(jí)濾柱出水的 NH3-N濃度很快就低于10mg/L。由圖5可見,一級(jí)濾柱對(duì)NH3-N的去除率極不穩(wěn)定,平均去除率僅為35.70%,而二級(jí)濾柱對(duì)NH3-N的去除效果明顯好于一級(jí)濾柱,啟動(dòng)運(yùn)行后第7天和第10天,二級(jí)濾柱對(duì)NH3-N的去除率分別達(dá)到64%和88.9%,其平均NH3-N去除率為75.30%,因此,二級(jí)濾柱對(duì)NH3-N的去除起主要作用。

      圖4 原水和各級(jí)出水的NH3-N濃度變化Fig.4 NH3-N concentration changes of raw water and outflow water

      圖5 NH3-N去除率隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of NH3-N removal rate with time

      在兩級(jí)濾柱串聯(lián)運(yùn)行后的第20天(此時(shí)水力負(fù)荷為4m/h、進(jìn)水 COD 為237mg/L、NH3-N濃度為15mg/L),曝氣生物濾池中 COD和NH3-N濃度的沿程變化如圖6和圖7所示。

      由圖6和圖7可見,各級(jí)濾柱的出水COD和NH3-N濃度均隨填料高度的增加而降低。沿水流方向前60cm填料對(duì)COD的去除效果最好,第2個(gè)取樣口處出水COD去除率已達(dá)到59.1%,填料高度在60~150cm之間時(shí),COD去除率增速變緩。這是因?yàn)?,進(jìn)水中有機(jī)物濃度沿濾柱高度方向不斷降低,導(dǎo)致其降解速率也不斷降低。沿水流方向60cm以后,填料對(duì)NH3-N的去除率迅速上升,第5個(gè)取樣口處的出水NH3-N去除率已達(dá)到57.3%。這主要是因?yàn)?,此時(shí)異養(yǎng)型微生物因得不到充足的營(yíng)養(yǎng)而處于減速增殖期[8],致使生物膜的增長(zhǎng)速度緩慢,而隨著填料高度的增加,溶解氧越來(lái)越多,自養(yǎng)型硝化細(xì)菌增殖速度加快,活性增強(qiáng),NH3-N的氧化速度加快,其去除率迅速上升。

      圖6 不同取樣口處的出水CODFig.6 COD of outflow water at different sample taps

      圖7 不同取樣口處的出水NH3-N濃度Fig.7 NH3-N concentration of outflow water at different sample taps

      3 結(jié) 論

      (1)采用木炭作為曝氣生物濾池的填料來(lái)處理生活污水,對(duì)COD和NH3-N的去除均能達(dá)到滿意效果,掛膜啟動(dòng)后期COD和NH3-N的去除率均達(dá)到80%以上。

      (2)采用接種掛膜法使木炭表面及內(nèi)部空間積存大量的活性污泥,并且能夠在較短時(shí)間內(nèi)在填料表面形成穩(wěn)定的生物膜,顯著提高了污染物的初始去除率,啟動(dòng)初期兩個(gè)濾柱對(duì)COD的初始去除率均達(dá)到60%以上。

      (3)兩級(jí)曝氣生物濾池能充分發(fā)揮各級(jí)優(yōu)勢(shì),使?fàn)I養(yǎng)類型不同的微生物在各自適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖。一級(jí)濾柱主要用于去除COD,二級(jí)濾柱主要用于去除氨氮,同時(shí)穩(wěn)定出水水質(zhì)。

      [1]周愛姣.木炭曝氣生物濾池的特性及效能研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

      [2]Boller M,Gujer W,Tschui M.Parameters affecting nitrifying biofilm reactors[J].Water Science and Technology,1994,29(10/11):1-11.

      [3]Mukherjee S,Kumar S,Misra A K,et al.Removal of phenols from water environment by activated carbon,bagasseash and wood charcoal[J].Chem Eng J,2007,129(1/3):133-142.

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      [6]徐秉坤,胡小兵,鐘梅英.兩級(jí)沸石曝氣生物濾池工藝特性研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(6):103-104.

      [7]付金祥,許海良,趙玉華,等.曝氣生物濾池在污水回用中的掛膜啟動(dòng)試驗(yàn)研究[J].工業(yè)水處理,2007,27(3):39-40.

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