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陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池的研究

发布时间:2020/09/15     浏览:

摘要:采用陶粒、沸石、活性炭填料合理组合作为曝气生物滤池的填料对高校生活污水进行处理。研究了组合填料生物滤池生物膜的培养,不同水力负荷、容积负荷和气水比对污水处理效率的影响,以及该生物滤池对生活污水的处理效果。结果表明,采用组合填料生物滤池,接种挂膜培养周期为25d,在水力负荷为2.5m3/(m2·h),气水比3.5:1,组合填料生物滤池出水COD、BOD、SS、NH3-N和色度平均值达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T 18920-2002水质要求。

填料是影响曝气生物滤池的处理效果的主要因素。填料的选择在曝气生物滤池的设计和运行效果中至关重要。目前,国内外研究较多的曝气生物滤池填料大多是矿物颗粒或人工烧结的材料,如沸石、陶粒、颗粒活性炭、无烟煤等,研究和应用方式也多为单一填料。面对水质复杂多变的生活污水,单一滤料虽能满足排放要求,但其系统启动、运行稳定性以及处理效果都限制了它的发展和推广。为了能更好地处理水质复杂的生活污水,提高曝气生物滤池的处理效果和运行稳定性,研究了组合填料曝气生物滤池启动、运行以及对城市污水处理的效果,对今后组合填料在工程上的应用具有重要意义。

波涛净水通过实验,对陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池进行研究,实验结果与讨论如下:

1、填料的选择与填装

遵循填料的选择原则,曝气生物滤池中选用亲水性强,附着生物量多且速度快的陶粒填料、具有较强吸附氨氮能力的沸石填料以及有机物吸附能力强,过滤速度快的活性炭三种填料。填料层底层为300mm的陶粒层,粒径为的4~6mm;陶粒层上层为600mm陶粒-沸石层,以利用沸石对氨氮的良好吸附效果,强化对碳氮的去除效果。为了降低滤料的投资成本,陶粒和沸石体积比例为3:2,粒径均为3~4mm,均匀混合后填装;上层装填活性炭层,高度为300mm,粒径为2~4mm,作为深度处理层,进一步的吸附降解有机物和氨氮污染物。

2、生物膜的培养与驯化

采用人工接种培养挂膜法,系统启动时间为2月份,实验室温度约15℃。由于原水水质为城市生活污水,接种污泥取自附近第三污水处理厂氧化沟的混合液,投加量为15L。采用间歇培养并逐步增加流速的方式。运行25d后,反应器内壁可以看见附着的大量丝状絮体,填料上包裹有浅色生物膜,利用显微镜观察,剥离的生物膜内生物相丰富,含有大量菌胶团及丝状物,认为该系统培养挂膜成功。

2.1挂膜期间对COD去除效果

挂膜期间曝气生物滤池对COD去除效果如图2,图2可以看出,在反应器运行的开始阶段,曝气生物滤池对原水中COD去除率较低,主要由滤料层颗粒间机械截留作用和物理吸附作用去除。随着运行时间的增加,微生物在滤料表面大量富集,陶粒层对原水中COD的去除率逐渐上升,开始COD的去除效率增加较快,好氧异养微生物吸附于滤料表面大量繁殖,从而使废水中的大量有机物得到降解,10d后污水中COD的去除率增长较慢,出水COD小于50mg/L,表明好氧异养微生物已基本培养成功,但此时的生物膜容易脱落,使出水水质出现波动。至25d后,出水水质趋于稳定,去除率稳定在85%左右。

陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池的研究

2.2挂膜期间对氨氮的去除效果

挂膜期间陶粒-沸石-活性炭组合填料曝气生物滤池对原水中氨氮的去除如图3,系统启动时,氨氮的去除效率很低,主要是依靠滤料的过滤截留和吸附作用去除,并且该去除率持续时间较长,主要是因为硝化细菌的世代时间比较长,在与异养菌的共存环境中处于劣势,随着培养时间的增加,填料表面的硝化细菌数量逐渐增多,硝化能力逐渐增强,氨氮去除率逐步上升。到25d左右,出水中氨氮的去除率稳定在95%以上,出水氨氮浓度降至0.5mg/L以下。

陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池的研究

3、水力负荷、容积负荷、气水比对陶粒-沸石-活性炭组合填料曝气生物滤池的处理效果的影响

3.1水力负荷对陶粒-沸石-活性炭组合填料曝气生物滤池的处理效果的影响

水力负荷分别为1.5m3/(m2·h) 、2.5m3/(m2·h)和3.5m3/(m2·h)时对污水中的有机物、氨氮及浊度去除效果的影响如表1所示。

表1不同水力负荷对有机物、氨氮和浊度去除效率的影响

水力负荷 COD的平均去除效率 氨氮的平均去除效率 浊度的平均去除效率
1.5m3/(m2·h) 89.5% 90.7% 91.2%
2.5m3/(m2·h) 87.8% 96.3% 93.2%
3.5m3/(m2·h) 80.4% 85.5% 92.8%

由表1所示,三种水力负荷下,COD去除效率没有明显的变化,但随着水力负荷的升高,COD的去除效率略有降低,在水力负荷为3.5m2/(m2·h)时COD去除效率降低较多,可能是因为进水量较大,水力停留时间过短,部分污染物尚未得到及时降解,随出水流出,造成污染物去除率下降;氨氮的平均去除效率先升高后下降。在水力负荷2.5m3/(m2·h)时,氨氮的平均去除效率大,达到93.3%,原因可能是原水中氨氮浓度较低,当水力负荷升高时,氨氮的容积负荷也相应提高,进水中更多的氨氮可被硝化细菌利用。当水力负荷提高到3.5m3/(m2·h)时,水力停留时间减小,而硝化菌增长速度较慢,世代时间长,需要有较长的水力停留时间。另一方面过高水力负荷也增强了水流的洗刷冲击,不利于生物膜的更新。随着水力负荷的增加,反应器对浊度的去除能力基本不变,截留去除效率在90%上,说明组合生物滤池在选定的水力负荷范围内对浊度的去除非常有效。因此,水力负荷控制在2.5m3/(m2·h)时,能够满足对有机物、氨氮和浊度的处理要求,同时节约了运行成本。

3.2容积负荷对组合填料生物滤池的处理效果的影响

在水力负荷一定的条件下,增加进水中有机物的浓度,BOD容积负荷增加,COD去除效率增加,出水中COD值也变大,当BOD容积负荷增加到3.0kg/(m3·d)以上时,COD去除效率下降,由于有机物浓度的增加,能够提供足够的营养物质,提高生物膜中生物活性,使得COD去除效率升高,但当有机物较多时,微生物只能降解部分有机物,导致部分有机物随出水流出,处理效果变差。BOD容积负荷较小时,随着BOD容积负荷增加,氨氮的去除效率增加,当BOD容积负荷大于3.0kg/(m3·d)时,对氨氮去除效果影响不明显。BOD容积负荷对浊度几乎没有影响。

硝化容积负荷分别为0.4~0.6kg/(m3·d)的范围内,进水氨氮浓度增加,氨氮去除效率随着增加,去除效率大于90%。当水力负荷在3.5kg/(m3·d)以上,硝化容积负荷大于0.6kg/(m3·d)时,氨氮去除效率随硝化容积负荷率的增加先略有降低,后升高,趋势缓慢。对于COD、浊度在此范围内去除效果无明显变化。

3.3气水比对组合填料生物滤池的处理效果的影响

进水流量为78.5L/h,水力负荷2.5m3/(m2·h)的条件下,气水比分别为1.5:1, 2.5:1,3.5:1和5.5:1,各气水比下运行7d,考察对COD去除效率、氨氮去除效率和浊度去除效率的影响(见表2)。

表2气水比对陶粒/沸石/活性炭组合填料生物滤池去除效果的影响

气水比 COD的平均去除效率/% 氨氮的平均去除效率/% 浊度的平均去除效率/%
1.5:1 83.4 85.7 95.5
2.5:1 85.3 89.2 93.2
3.5:1 86.1 95.7 92.0
5.5:1 86.0 92.1 91.8

随着气水比的增加,陶粒-沸石-活性炭组合填料曝气生物滤池对COD的去除效率逐渐提高,但提高的幅度逐渐减小。在气水比为5.5:1时,COD去除效率开始下降。说明曝气生物滤池进水COD浓度低时,只需较少的曝气量。高气水比形成的湍流会使水中溶解氧解析,以及造成生物膜脱落,降低固着微生物量,导致反应器去除负荷的降低。

氨氮的去除效率受气水比的影响较大,当气水比为1.5:1时,氨氮的平均去除效率为85.7%。此时反应器中溶解氧浓度为3.6mg/L。当气水比增加到3.5:1时,氨氮的去除效率升高,平均去除效率为95.7%,平均去除效率增加10个百分点。但氨氮去除效率随气水比增加的趋势逐渐减缓。当气水比为5.5:1时,氨氮去除效率为92.1%。这主要是因为在曝气生物滤池内单位浓度的硝化需氧量是单位浓度有机物的需氧量的4.57倍。滤池中溶解氧有一定饱和浓度,随着气水比增加,溶解氧饱和度会减小,同时气水比过大加剧生物膜的脱落,使氨氮去除效率下降网。气水比由1.5:1提高到5.5:l,悬浮物的平均去除效率稍有降低,说明气水比对悬浮物去除能力影响较小。曝气量的增加,促进了生物膜的更新,同时较强的气体冲刷作用使生物膜脱落,出水浊度稍有增加。为了保证足够的溶解氧以及污染物的去除效率,同时避免对生物膜的冲刷,系统的气水比以控制在3.5:1。

3.4、组合填料生物滤池处理校园污水的运行效果控制流量为78.5Lh,水力负荷为25m3/(m2·h),气水比3.5:1时,陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池对校园生活污水进行处理,稳定运行3个月后,出水平均水质如表3。

表3监测平均出水出质

项目 ρ/(mg·L-1 pH 色度/度
COD BOD SS NH3-N
出水水质 30.6(≤50.0) 8.2(≤10) 5.5(≤10) 1.24(≤10) 6-9 6(≤30)

从表3的监测统计数据可以看出,采用组合填料生物滤池对污水进行深度处理后,出水COD、BOD、SS、NH3-N和色度均能满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T18920-2002水质要求。

3、结论

(1)陶粒、沸石、活性炭填料具有较大的比表面积,填料颗粒表面粗糙,具有氨氮、有机物吸附能力,有利于微生物“挂膜”,合理的组合,适合做微生物的附着场所。

(2)陶粒-沸石-活性炭组合填料生物滤池的启动挂膜采用人工接种挂膜法,在气温为15℃左右,挂膜周期为25d左右,COD和氨氮的去除率分别稳定在85%和95%。挂膜周期较单一陶粒曝气生物滤池短,出水水质好,运行稳定。

(3)流量为78.5L/h,水力负荷为2.5m3/(m2·h),气水比3.5:1时,组合填料生物滤池对校园生活污水进行处理出水COD、BOD、SS、NH3-N和色度达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB/T18920-2002水质要求,且系统运行稳定。

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