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污水中氮磷及有机污染物去除工艺

发布时间:2018-8-5 8:00:52  中国污水处理工程网

  污水中有机污染物、氮、磷的极限去除与污水处理厂的资源节约一直是我国污水处理技术的重点研究方向。如今,污水处理厂排放标准不断提高,然而大量合流制管网的存在和工业企业的不断增加,导致城市污水处理厂普遍存在进水颗粒污染物含量高、工业废水增多、碳源匮乏的现象,且工业废水带来大量难降解有机物,给污水处理厂生物池内的微生物带来破坏性的影响,严重影响出水COD的达标。基于此,开发优化碳源利用和强化污水处理效果的工艺技术十分必要。

  生物吸附降解工艺利用细菌的絮凝吸附作用实现对进水中有机物的快速高效去除。城市污水中所含COD约50%以上是由SS形成的,而生物吸附降解工艺中生物吸附工艺(biological absorption,AB)的絮凝吸附作用对污水中非溶解性有机物具有较强去除效果。研究发现生物吸附段主要以吸附、吸收的形式去除的有机物。且生物吸附段的水利停留时间(hydraulic detention time, HRT)和污泥龄(sludge retention time, SRT)均较短,污泥可以快速高效富集进水碳源进行资源利用。如郑凯凯等研究发现生物吸附池可以快速富集进水中55.1%的有机物,产生的剩余污泥采用厌氧发酵方式处理,可生产优质碳源运用到后期生物处理,实现了资源回收。

  多级A/O工艺利用微生物在缺氧好氧交替环境下的生命活动实现对污染物的去除,可以充分利用碳源实现对氮磷高效去除,且具有操作灵活,抗冲击负荷能力强的优点,符合近年来国家倡导的节能减排,清洁生产的号召。有研究者利用多级A/O工艺处理低碳源生活污水,对TN、TP去除率达到了79.6%和79.5%。目前多级A/O工艺在石家庄市、潍坊市、西安市等的城镇污水处理厂的提标改造中被广泛应用,可见该技术具有良好的应用前景。

  常规污水处理厂多采用活性污泥法作为主体工艺,而二级出水中通常含有30~40 mg·L−1的COD,其中大部分为难生物降解有机物,这部分污染物难以被常规生物处理工艺去除。针对难降解有机物的去除难点,活性炭吸附是较为有效的处理方式之一,但由于价格及成本高难以应用于污水处理。而褐煤制备的活性焦作为一种新型的吸附材料,与活性炭性质相似,且其来源更广成本更低,具有比表面积相对较小、中孔发达的特点,对难降解的大分子有机物具有良好的吸附性能。目前活性焦在污水处理方面,主要应用于工业废水,如焦化废水、垃圾渗滤液等,也可以用于强化常规生物处理,对污染物均表现出较好的处理效果,尤其对有机物去除效果显著,可见活性焦在污水处理方面具有较大潜能和较好的应用前景。

  本研究将AB工艺、多级A/O工艺与活性焦滤池相结合,充分利用各单元快速富集有机物、节省内回流设施、无需外加碳源、抗冲击负荷能力强、脱氮除磷效率高、优化系统出水等优点,通过参数优化、进出水水质检测、工艺沿程分析、活性污泥静态模拟实验、有机物组分分析等手段,对组合工艺处理效果进行系统研究。

  1 材料与方法

  1.1 实验用水

  实验进水为江苏省无锡市某污水处理厂曝气沉砂池出水,该厂进水生活污水和工业废水平均比例为3:1,是极具代表性的城市污水处理厂进水。表1为实验进水主要水质指标。

  表1 进水水质

  Table 1 Quality of wastewater

  表1 进水水质

  Table 1 Quality of wastewater 统计值COD浓度/(mg·L−1)TN浓度/(mg·L−1)STN浓度/(mg·L−1)NH3-N浓度/(mg·L−1)NO3−-N浓度/(mg·L−1)TON浓度/(mg·L−1)TP浓度/(mg·L−1)PO43--P浓度/(mg·L−1)SS浓度/(mg·L−1)pH

  平均值2874038340.1545.23.1306.9

  浓度范围150~40030~6028~5620~460~0.52~91.5~81~615~506.5~7

  注: STN表示溶解性总氮,TON表示总有机氮。

  1.2 实验装置及运行工况

  组合工艺装置如图1所示,生物吸附池为圆柱状,尺寸为d×H=20 cm×50 cm,HRT为0.5 h,DO维持0.3~0.5 mg·L−1,SRT为10 d;污水自生物吸附池流至多级A/O段,该段工艺设置为厌氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧,采用多段多点进水,进水点分别为厌氧池、第1级缺氧池(A1)、第2级缺氧池(A2);活性焦滤池尺寸为d×H=15 cm×100 cm,填充比为60%。装置运行分3个阶段:(Ⅰ)启动阶段,在0~10 d,取该厂好氧池污泥于反应器中进行培养;(Ⅱ)优化运行阶段(10~40 d),调整多级AO段进水流量比、HRT、回流比,通过参数调整使系统实现了较好的污染物处理效果;(Ⅲ)稳定运行阶段(40~80 d),将系统控制在最优参数下稳定运行。

  图1 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺流程

  1.3 分析方法

  水样预处理后,NO3−-N、NH3-N、NO2−-N、PO43--P、TN、STN、TP、COD等指标均采用国标法测定,TON的检测方法为差减法,计算公式为:

  C(TON)=C(STN)-C(NH3-N)- C(NO3−-N)-C(NO2−-N)

  (1)

  SS、MLSS和MLVSS采用质量法,水中悬浮物质粒径分布采用激光粒度仪法(LS230/SV M+型,BACKM ANCO ULTER)进行检测,活性焦表面物理性质采用BET法(brunauer,emmett and teller)进行检测。

  1.4 有机物组分检测

  采用气质联用法(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)分析系统处理前后有机物组分变化。首先分别将水样用滤纸过滤,除去其中的悬浮物质,然后对水样中有机物进行萃取,以去离子水作为空白试样,参照美国环保署对工业废水的取样和分析方法[18],先进行中性萃取,量取500 mL过滤出水,将pH调至中性,用50 mL二氯甲烷进行萃取,用力振荡5 min,静置,待分层完全后将萃取层进行分离,之后再加入50 mL二氯甲烷重复以上的操作,并将2次萃取物进行合并;然后将萃余部分用5 mol·L−1的NaOH调节pH至12,再分2次用25mL二氯甲烷萃取,将萃取层合并;最后将萃余部分用20%的硫酸调节pH至2,分2次用25 mL的二氯甲烷萃取,合并萃取层,将3份萃取层混合,用旋转蒸发器在43 ℃下浓缩至1 mL,加少量无水硫酸钠干燥,在4 ℃条件下保存待测。有机物组分采用GC-MS(美国Agilent公司,6890-5973型)进行分析。

  1.5 静态模拟实验

  系统中活性污泥的脱氮除磷性能采用静态模拟实验进行测定,硝化速率、反硝化速率、释磷速率分别参照文献中的测定方法,其中硝化速率和反硝化速率分别表示单位污泥每小时产生或去除硝酸盐的量,释磷速率表示单位污泥每小时释放的磷酸盐的量,单位均为mg·(g·h)−1。生物降解实验是利用2 L系统中活性污泥对2 L多级A/O段出水进行2 h曝气实验,取不同时间点水样检测COD变化情况。

  2 结果与讨论

  2.1 组合工艺对氮的去除

  图2(a)为系统对NH3-N、TN的去除情况,TN的进水平均浓度为40 mg·L−1,TN出水平均浓度为12.1 mg·L−1,NH3-N去除率可达100%,出水中基本不含有氨氮,其原因是多级好氧为硝化细菌提供了良好生长环境,系统硝化能力良好,因此多级A/O工艺段可以实现NH3-N完全硝化。

  系统优化过程中(10~40 d),在10 d时将多级A/O系统进水分配比例由1:1:1调整为5:3:2,发现脱氮效率由37%上升至51.2%,其原因为多级A/O系统中污泥量沿流程逐渐递减,调整进水流量比后,碳源分配更合理,可以使有限碳源被反硝化细菌和聚磷菌高效利用,避免在好氧段的浪费[22];在20 d时将HRT由原12.8 h调整为10.7 h,发现系统脱氮能力有小幅度上升,由72%上升至75.4%;在30 d时将污泥回流比由80%调整为100%,该时期(30 ~70 d)污水处理厂接入了大量的垃圾渗滤液(图2(b)),带来了难以被生物氨化的有机氮,严重影响了出水TN水平,TN去除率由75%降至65%。有研究表明,污水处理厂进水中有机氮组分十分复杂,较大部分难以被生物去除,导致大量溶解态有机氮存在于二级出水中,会导致污水处理厂出水TN浓度偏高。经过短期(40~60 d)适应之后,系统脱氮能力快速回升,TN去除率上升至77%,说明系统能在较短时间内适应外来冲击,恢复菌群活性,保证处理效果,具有较好抗冲击能力。系统稳定运行期间,TN平均去除率为76.5%,出水TN平均浓度为10.5 mg·L−1,实现了高标准出水。系统的硝化速率和反硝化速率均随运行时间上升,至稳定运行阶段分别为3.67 mg·(g·h)−1和3.47 mg·(g·h)−1(表3),可见该系统中脱氮功能菌活性较好,能保证系统有效脱氮。

  图2 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺脱氮效果

  2.2 组合工艺对磷的去除

  进水TP浓度为1.5~8 mg·L−1,进水磷酸盐浓度为1~6 mg·L−1(表1)。其余部分为颗粒态物质携带的磷。系统中生物吸附段利用絮凝吸附快速去除进水中颗粒态污染物,从而去除颗粒物质携带的不溶性TP和部分溶解性磷酸盐[26]。多级A/O段聚磷菌主要利用厌氧释磷、好氧吸磷机制实现生物除磷。

  在优化阶段(10~40 d),调整多级A/O进水流量比和HRT对除磷效果影响较大,TP去除率由60%上升至80%。其原因为污水进水比例调整为5:3:2可以及时为厌氧释磷反应提供碳源,减少了聚磷菌和反硝化细菌的竞争,有利于聚磷菌的生长;且污泥自二沉池回流至厌氧区,在生物池内创造出由高到低的污泥浓度梯度,厌氧区内进水比例增大有利于大量聚磷菌在厌氧区的释磷。HRT直接影响泥水接触时间,将HRT由原12.8 h调整为10.7 h,减弱了聚磷菌在缺氧区的反复释磷,使出水TP浓度降低。释磷静态模拟实验亦发现多级A/O系统中活性污泥除磷能力随着运行时间呈小幅度上升,释磷速率由初期的2.54 mg·(g·h)−1上升至稳定阶段3.21 mg·(g·h)−1,较无锡地区常规污水处理厂均值2.53 mg·(g·h)−1高26.37%。最终系统出水TP浓度稳定在0.2~0.4 mg·L−1之间,平均为0.25 mg·L−1(图3),实现了TP高标准出水。具体联系污水宝或参见http://betqol.com更多相关技术文档。

  图3 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺除磷效果

  2.3 组合工艺对有机物的去除

  在启动阶段,有机物处理效果不佳且出水波动较大,出水COD均值为45 mg·L−1(图4),其主要原因为初期生物吸附池中活性污泥菌群尚未适应低HRT、低DO的运行环境,未形成具有生物絮凝吸附功能的特征菌群,发挥吸附絮凝作用;其次,多级A/O段接种污泥取自该污水处理厂移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR),骤然失去填料附着,生物量大幅度下降,MLVSS由3 200 mg·L−1降至1 650 mg·L−1,导致有机物去除效果不佳。在该运行阶段,活性焦滤池去除了进水中大部分有机物,其原因为活性焦可以利用其较大的比表面和中孔结构,吸附去除进水中不溶性和部分溶解性有机物。

  在运行优化阶段,有机物处理效果波动较大,但是各污染物去除率呈稳定上升趋势,将进水比例由1:1:1调整为5:3:2时,发现组合工艺对COD的去除率由80%上升至90%,有较大幅度提升,其原因为AO系统中生物量延程递减,进水比例调整为5:3:2均衡负荷,更有利于微生物利用有机物,孙月鹏在多级A/O工艺处理低碳源污水的实验研究中发现,进水比例为5:3:2条件下,多级A/O反应器长期稳定运行,亦实现了有机物的高效去除,与本研究采用的运行参数相近,实验结果相符。优化运行阶段结束时,系统出水COD去除率由运行初期的65%上升至94.2%。在40 d后,反应器进入稳定运行期,出水COD平均值为20 mg·L−1,去除率为95%。

  图4 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺有机物去除效果

  2.3.1 生物吸附段有机物去除

  由图5可见,稳定运行阶段进水COD在生物吸附段去除量为140~285 mg·L−1,平均去除率为55%,主要去除了进水中不溶性颗粒态物质。其原因为生物吸附段活性污泥处于低HRT,低DO环境,对有机物的去除以微生物的絮凝吸附作用为主。通过图6对生物吸附段进出水中颗粒物粒径检测发现,污水中位径由26.11 μm降至18.43 μm,平均粒径由34.51 μm下降至21.42 μm,其中大于35 μm的大颗粒物比例由36.15%降至15.5%,可见生物吸附段对进水中粒径较大的颗粒态有机物实现了快速去除,污泥富集该部分有机物,为后续剩余污泥的资源化奠定了基础。

  通过有机物组分变化分析(表2)发现,系统进水中含22种溶解性有机物,其中5种苯环类物质占总有机物含量30.79%,其余多为长链烷烃类物质,吸附池出水中主要为氯代苯、2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚、2,2-亚甲基双(1,1-二甲基乙基)甲基苯酚、八甲基环四硅氧烷等4种物质,均为大分子、难生物降解的环烷类或含苯环的有机物,其中2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚、2,2-亚甲基双(1,1-二甲基乙基)甲基苯酚由于在苯环上连接甲基和羟基(—OH)使其具有较强亲水性,所以难以被吸附去除。

  图5 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺COD沿程变化

  图6 污水粒径变化

 

  表2 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺进出水有机物组分变化

  2.3.3 活性焦滤池对有机物去除情况

  活性焦滤池对COD去除率约为14%,COD平均浓度由二级出水40 mg·L−1降至20 mg·L−1,实现了有机物的极限去除,相较于该污水处理厂MBBR工艺的出水COD(一般在40 mg·L−1左右)水平更低。

  有机物组分检测发现,活性焦出水中含有8种有机物,比组合工艺进水减少了13种(表2),出水中主要为长链烷烃和醇类,占总有机物总量46.53%,原水中难生物降解的大分子苯环类物质均被去除。对比多级AO出水和活性焦滤池出水中有机物组分发现,经过活性焦吸附和截留,芳香族类、环烷烃类、卤代烃类有机物比例由50.23%降至10.24%,其原因为吸附剂的吸附容量大小与其孔结构密切相关,通常需要吸附剂孔径与和吸附质分子大小相互匹配,检测活性焦表面物理性质,其孔径分布如图8所示,在大于2 nm的中孔范围内有峰值出现,其孔径的峰值出现在3.5~4.0 nm之间。有研究发现,活性焦的吸附过程中,表面中孔对大分子有机物的吸附发挥着重要作用。中孔结构可以有效吸附去除多级A/O出水中难生物降解的残留有机物,特别是大分子结构复杂的芳香族类和环烷烃类有机物,因此活性焦滤池可以有效降低系统出水COD浓度。靳昕等将活性焦滤池应用于污水处理厂二级出水,发现可以保证出水COD稳定在50 mg·L−1以内,可见活性焦对于生物处理尾水中残留有机物具有良好处理效果,能保证系统出水的安全性,避免对受纳水体生物产生毒害。

  图8 活性焦孔径分布曲线

  3 结论

  1) 对生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺进行参数优化,结果表明,多级A/O段进水流量比、HRT、污泥回流比均影响污染物去除效果,最优进水流量比为5:3:2,HRT为10.7 h。

  2) 生物吸附-多级A/O-活性焦组合工艺对污染物具有良好去除能力,稳定运行阶段COD、TN、TP平均去除率为95%、76.5%、80%,出水COD、TN、TP平均浓度为20、8.5、0.25 mg·L−1,实现了出水超低排放。

  3) 通过对各工艺段有机物处理效果和有机物组分分析发现,生物吸附段、多级A/O段、活性焦滤池段对有机物的平均去除率分别为55%、26%、14%,吸附段能快速去除粒径较大的不溶性颗粒有机物;多级A/O段利用大部分溶解性有机物进行脱氮除磷,对SCOD去除率为55%,但出水中仍含有部分难生物降解物质;活性焦滤池可以利用活性焦丰富的中孔结构有效吸附去除多级AO出水中难生物降解的芳香类及环烷类有机物,能控制组合工艺出水COD在较低水平,保证受纳水体的安全。(来源:环境工程学报 作者:王东)

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