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塑料填料曝气生物滤池处理河水的研究
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塑料填料曝气生物滤池处理河水的研究

2019-07-01      阅读:
以曝气生物滤池(BAF)处理河水时出水氨氮质量浓度小于 0.5 mg/L 为目标,通过实验室小试对几种新型塑料填料的挂膜性能、硝化速率等进行了对比研究。通过中试研究了优选出的填料的挂膜运行情况、气量要求、硝化速率及氨氮冲击负荷等。结果表明,BAF 系统最大进水体积流量为 6 m3/h,出水氨氮的质量浓度可以稳定小于 0.5 mg/L,气量要求远低于常规陶粒滤料;此时填料表面积的最大硝化速率为 50.1 mg/(m2·d)。BAF 在冲击负荷下最大氨氮进水负荷为 91.72 g/(m3·d)。塑料填料完全能够满足处理要求,同时具有压力损耗低、反冲洗频率低的优点。

曝气生物滤池(BAF)作为一种有效的水处理工艺,以其出水效果好、运行稳定和占地小等优点在水处理中得到重视,特别是在净水处理和深度处理中广泛应用[1]。填料是 BAF 的重要组成部分,它是微生物的载体,决定了反应器内附着生长的微生物量,也影响着内部传质效果,同时对悬浮物有一定的过滤作用。不同的填料,其基建投资、运行成本和处理的效果都会有差异,选择一种合适的填料是 BAF 工艺的关键环节,有着重要的意义。
 
近年来一些研究和实践显示,塑料填料与传统的陶粒填料相比,具有曝气量和曝气压力损失小、反冲洗时不易破碎、更换频率低、能耗及运行成本低等优点。因此,本研究以河水为水源,以出水氨氮的质量浓度小于 0.5 mg/L 为目标,通过小试比选了 4 种塑料填料,并通过中试对比优化填料的运行条件和效果,为实际设计提供参考依据。
 
1     材料与方法
 
1.1    塑料填料比选小试
 
实验材料:实验中 4 种填料性能参数和形状如表 1 所示。
 
实验方法:分别将 4 种填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用;分别将取自某污水处理厂的回流污泥 10 L、生活污水 10 L、以及河水 25 L,注入1#~4# 反应器中,然后放入准备好的填料,进行曝气并采集初始样品。
 
(1)每天于 8:30、20:30 采集样品,测定水体中氨氮含量与 COD,计算其耗氧速率与硝化速率。采样后,加入碳源(醋酸钠)与氮源(氯化铵),维持反应器内氨氮的质量浓度为 15 mg/L,BOD5 为 50 mg/L;
 
(2)在挂膜初期阶段,为了降低加入碳源和氮源带入的盐分,每天停止曝气 0.5 h 后,排出上清液15 L,并注入等体积的新鲜河水。为了适当降低反应器内 MLSS 的含量,从第 6 天开始,每天排出 15 L混合液,并注入等体积的河水;
 
(3)用 CaCO3 缓冲溶液调节反应器内 pH,使其维持在 7~8;
 
(4)测定培养期间 DO 含量、pH 及硝化速率。


 
1.2   填料中试
 
挂膜:根据小试结果,将优选出的填料在中试现场进行接种挂膜。BAF 反应器直径 1 m,总高度 4.5 m,填料高度 2.5 m,填充率约 80%。将经过河水浸泡24 h 的填料同取自污水处理厂的活性污泥共同注入反应池中。填料在反应器中经过 4 周左右的培养,以利于生物膜在填料表面的生长。整个挂膜过程中,1 d内测定 1~3 次氨氮含量、COD、DO 和 MLSS 含量、碱度,并根据测定结果,将 KH2PO4、CH3COONa、Na2CO3 和 NH4HCO3 加入反应器中以维持适宜的COD、磷酸盐和氨氮含量、碱度。
整个挂膜过程中,各实验参数见表 2。
BAF 运行实验:经过 4 周左右的实验,挂膜完成,此时排空 BAF 后开始向 BAF 连续注入河水,最初 BAF 中河水的体积流量为 1 m3/h;不断减少 BAF的进气量,使 BAF 出水 DO 的质量浓度维持在最小4 mg/L。此后 4 周中逐步增大 BAF 中河水体积流量,最大至 6 m3/h。挂膜过程各营养物含量及参数见表 2。
硝化速率的测定:通过 2 种方法进行,(1)从反应器中取 12 L 填料,轻轻地用河水将填料冲洗 3 次,去除表面附着的悬浮物,并将填料平均放入 3 个烧杯中;然后将河水注入烧杯中直至 5 L;将氨氮加入烧杯中以提高氨氮含量,并进行曝气,每隔 1 h 取 1 次样品并测定氨氮含量;(2)利用 1.2 节中 BAF 运行实验所测定的进、出水氨氮含量计算 BAF 的硝化速率。
 
1.3  BAF 氨氮冲击负荷实验
为保证 BAF 出水氨氮含量能稳定达标,进行了冲击负荷实验。在上述实验完成后,通过人为改变进水氨氮含量,并测定、计算各含量下 BAF 的硝化速率,以确定 BAF 的处理水量与进水氨氮含量之间的关系,计算不同处理水量下的最大氨氮负荷,为设计运行提供可靠参数。

结果与讨论
填料比选小试
 
2.1.1 填料挂膜与运行情况
小试期间,各反应器内硝化速率 r 与水温变化情况见图 1。
 

由图 1 可见,硝化速率与水温的变化趋势一致。
 
 
在培养的前 7 d,硝化速率明显上升,一方面是因为水温上升,另一方面可能是由于微生物量的增加。从培养第 7 天开始,水温降低,而且循环换水过程使各反应器内活性污泥含量降低,因此硝化速率显著下降。随着水温回升和微生物量的增加,在培养第 13天后各反应体系硝化速率均出现上升趋势。与培养前期相比,在相同的水温条件下,培养后期即使在各反应体系活性污泥含量已大幅下降的情况下,其硝化速率仍维持在较高的水平,对于 3#、4# 反应体系而言,硝化速率还略高于前期培养阶段,可见培养期间填料表面生物膜生长良好。

填料硝化速率测定
对填料硝化速率进行 2 次测试,结果见图 2。

从图 2 可见,3# 填料硝化速率最好,2 次测试中分别为 0.8、1.0 mg/(L•h)以上;其次为 4# 填料,其 2次测试结果分别为 0.6、0.8 mg/(L•h)左右;1# 和 2# 填料则几乎没有发生硝化反应。从填料表面形态看,3#、4# 填料有明显的生物膜生长,1## 和 2# 则不明显。与 4# 填料相比,3# 填料密度较大,在曝气量小的情况下,基本沉在底层,便于生物膜的生长。但是在实际运行过程中,特别是在反冲洗阶段,可能会造成生物膜的大量脱落,影响处理效果。而 4# 填料流化效果好,即使在小曝气量情况下,仍然会相互碰撞,
 
因此生长的生物膜会相对牢固。鉴于此,本研究认为4# 填料为优选填料,并用 4# 填料进行后续实验。

中试运行 BAF 运行情况 图 3 显示了 BAF 在不同进水量情况下氨氮的去除情况。

从图 3 可见,在各个水流量条件下,出水氨氮的质量浓度均能够满足低于 0.5 mg/L 的处理要求,其平均为 0.33 mg/L。当进水体积流量增大到 6 m3/h时,出水氨氮稍微增加,这表明 BAF 的处理能力可能达到最大限。
 
2.2.2 气量要求
 
BAF 正常运行状况下,相比陶粒而言,塑料填料需要的气量更少。经过气体流量计测定,显示上述反应阶段的平均空气体积流量为 3 m3/h,即气水体积比为 1:2,这一气量能充分满足 DO 的质量浓度保持 4 mg/L 的要求。而对于陶粒填料,一般气水体积比为 3:1,是当前所用气量的 6 倍。
 
2.2.3 硝化速率测定
 
用烧杯进行了 4 次硝化速率测定实验,并对测定结果进行了 Michaelis-Menten 动力学拟合,如图 4所示[2]。最大硝化速率为 1.67 mg/(L•h),以此所得填料表面的最大硝化速率为 50.1 mg/(m2•d)。

利用图 3 中所测定的进、出水氨氮质量浓度计算 BAF 的硝化速率,并与烧杯实验结果进行比较,如图 5 所示。

从图 5 可见,通过 BAF 运行实验结果计算所得硝化速率波动较大,其最大硝化速率为 2.55 mg/(L•h),

这一结果明显高于烧杯实验所得的结果。之所以出现这种差异,是因为 BAF 运行过程中所得的测量结果精确性较差,且只有一个进水、出水和流量数据,而烧杯实验每组数据点较多,精确性较好。
 
2.3 BAF 氨氮冲击负荷
 
BAF 运行 30 d 后,开始向进水中投加 NH4HCO3,并在不同流量下对进出水氨氮含量及体系的气量进行测定,结果如图 6 所示。

从图 6 可看出,在未投加 NH4HCO3 前,进水氨氮的质量浓度在 0.43~1.29 mg/L,当进水体积流量从 1 m3/h 逐渐升至 6 m3/h,出水氨氮的质量浓度稍有增加,但仍小于 0.5 mg/L,表明 BAF 的处理能力可能接近最大限;在 BAF 运行到第 59~64 天时,提高进水体积流量到 7 m3/h,进水氨氮的质量浓度维持在
0.79~1.5 mg/L,出水氨氮的质量浓度为 0.48~0.68mg/L ,基本上不能达到 的控制标准 可见,0.5 mg/L 在正常进水条件下,BAF 能保持氨氮含量稳定达标的最大进水体积流量为 6 m3/h。
 
在 BAF 运行到第 70~75 天时,保持进水体积流量为 6 m3/h,进水氨氮的质量浓度提高到 1.44~1.92mg/L,此时出水氨氮的质量浓度为 0.53~0.89 mg/L,基本上不达标;而当 BAF 运行在第 43~54 天时,进水体积流量为 5 m3/h 左右,进水氨氮的质量浓度在2.0 mg/L 以上,出水氨氮超标率为 55%。
 
通过 SPSS17.0 相关分析,得出进水氨氮负荷和出水氨氮质量浓度在 0.01 水平上存在显著双侧正相关关系,相关系数为 0.77,2 者关系如图 7 所示。
 
从图 7 可见,当出水氨氮的质量浓度为 0.5 mg/L时,进水氨氮负荷为 0.18 kg/d,即 91.72 g/(m3•d),重现率为 85.2%。因此可得出,BAF 最大氨氮进水负荷为 91.72 g/(m3•d)。

3  结  论
小试中,通过对比 4 种塑料填料的硝化速率和运行效果,4# 填料为最佳填料。

中试采用 4# 填料,在正常河水进水条件下,BAF系统最大进水体积流量为 6 m3/h,出水氨氮的质量浓度可以稳定地小于 0.5 mg/L,气量要求远低于常规陶粒滤料;此时填料表面积的最大硝化速率为 50.1mg/(m2•d)。
 
BAF 在冲击负荷下最大氨氮进水负荷为 91.72g/(m3•d)。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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