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    塑料填料曝氣生物濾池處理河水的研究
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    塑料填料曝氣生物濾池處理河水的研究

    2019-07-01      閱讀:
    以曝氣生物濾池(BAF)處理河水時出水氨氮質量濃度小于 0.5 mg/L 為目標,通過實驗室小試對幾種新型塑料填料的掛膜性能、硝化速率等進行了對比研究。通過中試研究了選出的填料的掛膜運行情況、氣量要求、硝化速率及氨氮沖擊負荷等。結果表明,BAF 系統大進水體積流量為 6 m3/h,出水氨氮的質量濃度可以穩定小于 0.5 mg/L,氣量要求遠低于常規陶粒濾料;此時填料表面積的大硝化速率為 50.1 mg/(m2·d)。BAF 在沖擊負荷下大氨氮進水負荷為 91.72 g/(m3·d)。塑料填料完夠滿足處理要求,同時具有壓力損耗低、反沖洗頻率低的點。

    曝氣生物濾池(BAF)作為一種有效的水處理工藝,以其出水效果好、運行穩定和占地小等點在水處理中得到重視,特別是在凈水處理和處理中廣泛應用[1]。填料是 BAF 的重要組成部分,它是微生物的載體,決定了反應器內附著生長的微生物量,也影響著內部傳質效果,同時對懸浮物有一定的過濾作用。不同的填料,其基建投資、運行成本和處理的效果都會有差異,選擇一種合適的填料是 BAF 工藝的關鍵環節,有著重要的意義。
     
    近年來一些研究和實踐顯示,塑料填料與傳統的陶粒填料相比,具有曝氣量和曝氣壓力損失小、反沖洗時不易破碎、更換頻率低、能耗及運行成本低等點。因此,本研究以河水為水源,以出水氨氮的質量濃度小于 0.5 mg/L 為目標,通過小試比選了 4 種塑料填料,并通過中試對比化填料的運行條件和效果,為實際設計提供參考依據。
     
    1     材料與方法
     
    1.1    塑料填料比選小試
     
    實驗材料:實驗中 4 種填料性能參數和形狀如表 1 所示。
     
    實法:分別將 4 種填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用;分別將取自某污水處理廠的回流污泥 10 L、生活污水 10 L、以及河水 25 L,注入1#~4# 反應器中,然后放入準備好的填料,進行曝氣并采集初始樣品。
     
    (1)每天于 8:30、20:30 采集樣品,測定水體中氨氮含量與 COD,計算其耗氧速率與硝化速率。采樣后,加入碳源(醋酸鈉)與氮源(氯化銨),維持反應器內氨氮的質量濃度為 15 mg/L,BOD5 為 50 mg/L;
     
    (2)在掛膜初期階段,為了降低加入碳源和氮源帶入的鹽分,每天停止曝氣 0.5 h 后,排出上清液15 L,并注入等體積的新鮮河水。為了適當降低反應器內 MLSS 的含量,從 6 天開始,每天排出 15 L混合液,并注入等體積的河水;
     
    (3)用 CaCO3 緩沖溶液調節反應器內 pH,使其維持在 7~8;
     
    (4)測定培養期間 DO 含量、pH 及硝化速率。


     
    1.2   填料中試
     
    掛膜:根據小試結果,將選出的填料在中試現場進行接種掛膜。BAF 反應器直徑 1 m,總高度 4.5 m,填料高度 2.5 m,填充率約 80%。將經過河水浸泡24 h 的填料同取自污水處理廠的活性污泥共同注入反應池中。填料在反應器中經過 4 周左右的培養,以利于生物膜在填料表面的生長。整個掛膜過程中,1 d內測定 1~3 次氨氮含量、COD、DO 和 MLSS 含量、堿度,并根據測定結果,將 KH2PO4、CH3COONa、Na2CO3 和 NH4HCO3 加入反應器中以維持適宜的COD、磷酸鹽和氨氮含量、堿度。
    整個掛膜過程中,各實驗參數見表 2。
    BAF 運行實驗:經過 4 周左右的實驗,掛膜完成,此時排空 BAF 后開始向 BAF 連續注入河水,初 BAF 中河水的體積流量為 1 m3/h;不斷減少 BAF的進氣量,使 BAF 出水 DO 的質量濃度維持在小4 mg/L。此后 4 周中逐步 BAF 中河水體積流量,大至 6 m3/h。掛膜過程各營養物含量及參數見表 2。
    硝化速率的測定:通過 2 種方法進行,(1)從反應器中取 12 L 填料,輕輕地用河水將填料沖洗 3 次,表面附著的懸浮物,并將填料平均放入 3 個燒杯中;然后將河水注入燒杯中直至 5 L;將氨氮加入燒杯中以提高氨氮含量,并進行曝氣,每隔 1 h 取 1 次樣品并測定氨氮含量;(2)利用 1.2 節中 BAF 運行實驗所測定的進、出水氨氮含量計算 BAF 的硝化速率。
     
    1.3  BAF 氨氮沖擊負荷實驗
    為保證 BAF 出水氨氮含量能穩定達標,進行了沖擊負荷實驗。在上述實驗完成后,通過人為改變進水氨氮含量,并測定、計算各含量下 BAF 的硝化速率,以確定 BAF 的處理水量與進水氨氮含量之間的關系,計算不同處理水量下的大氨氮負荷,為設計運行提供可靠參數。

    結果與討論
    填料比選小試
     
    2.1.1 填料掛膜與運行情況
    小試期間,各反應器內硝化速率 r 與水溫變化情況見圖 1。
     

    由圖 1 可見,硝化速率與水溫的變化趨勢一致。
     
     
    在培養的前 7 d,硝化速率明顯上升,一方面是因為水溫上升,另一方面可能是由于微生物量的增加。從培養 7 天開始,水溫降低,而且換水過程使各反應器內活性污泥含量降低,因此硝化速率顯著下降。隨著水溫回升和微生物量的增加,在培養 13天后各反應體系硝化速率均出現上升趨勢。與培養前期相比,在相同的水溫條件下,培養后期即使在各反應體系活性污泥含量已大幅下降的情況下,其硝化速率仍維持在較高的水平,對于 3#、4# 反應體系而言,硝化速率還略高于前期培養階段,可見培養期間填料表面生物膜生長良好。

    填料硝化速率測定
    對填料硝化速率進行 2 次測試,結果見圖 2。

    從圖 2 可見,3# 填料硝化速率好,2 次測試中分別為 0.8、1.0 mg/(L•h)以上;其次為 4# 填料,其 2次測試結果分別為 0.6、0.8 mg/(L•h)左右;1# 和 2# 填料則幾乎沒有發生硝化反應。從填料表面形態看,3#、4# 填料有明顯的生物膜生長,1## 和 2# 則不明顯。與 4# 填料相比,3# 填料密度較大,在曝氣量小的情況下,基本沉在底層,便于生物膜的生長。但是在實際運行過程中,特別是在反沖洗階段,可能會造成生物膜的大量脫落,影響處理效果。而 4# 填料流化效果好,即使在小曝氣量情況下,仍然會相互碰撞,
     
    因此生長的生物膜會相對牢固。鑒于此,本研究認為4# 填料為選填料,并用 4# 填料進行后續實驗。

    中試運行 BAF 運行情況 圖 3 顯示了 BAF 在不同進水量情況下氨氮的情況。

    從圖 3 可見,在各個水流量條件下,出水氨氮的質量濃度均能夠滿足低于 0.5 mg/L 的處理要求,其平均為 0.33 mg/L。當進水體積流量到 6 m3/h時,出水氨氮稍微增加,這表明 BAF 的處理能力可能達到大限。
     
    2.2.2 氣量要求
     
    BAF 正常運行狀況下,相比陶粒而言,塑料填料需要的氣量更少。經過氣體流量計測定,顯示上述反應階段的平均空氣體積流量為 3 m3/h,即氣水體積比為 1:2,這一氣量能充分滿足 DO 的質量濃度保持 4 mg/L 的要求。而對于陶粒填料,一般氣水體積比為 3:1,是當前所用氣量的 6 倍。
     
    2.2.3 硝化速率測定
     
    用燒杯進行了 4 次硝化速率測定實驗,并對測定結果進行了 Michaelis-Menten 動力學擬合,如圖 4所示[2]。大硝化速率為 1.67 mg/(L•h),以此所得填料表面的大硝化速率為 50.1 mg/(m2•d)。

    利用圖 3 中所測定的進、出水氨氮質量濃度計算 BAF 的硝化速率,并與燒杯實驗結果進行比較,如圖 5 所示。

    從圖 5 可見,通過 BAF 運行實驗結果計算所得硝化速率波動較大,其大硝化速率為 2.55 mg/(L•h),

    這一結果明顯高于燒杯實驗所得的結果。之所以出現這種差異,是因為 BAF 運行過程中所得的測量結果精確性較差,且一個進水、出水和流量數據,而燒杯實驗每組數據點較多,精確性較好。
     
    2.3 BAF 氨氮沖擊負荷
     
    BAF 運行 30 d 后,開始向進水中投加 NH4HCO3,并在不同流量下對進出水氨氮含量及體系的氣量進行測定,結果如圖 6 所示。

    從圖 6 可看出,在未投加 NH4HCO3 前,進水氨氮的質量濃度在 0.43~1.29 mg/L,當進水體積流量從 1 m3/h 逐漸升至 6 m3/h,出水氨氮的質量濃度稍有增加,但仍小于 0.5 mg/L,表明 BAF 的處理能力可能接近大限;在 BAF 運行到 59~64 天時,提高進水體積流量到 7 m3/h,進水氨氮的質量濃度維持在
    0.79~1.5 mg/L,出水氨氮的質量濃度為 0.48~0.68mg/L ,基本上不能達到 的控制標準 可見,0.5 mg/L 。 在正常進水條件下,BAF 能保持氨氮含量穩定達標的大進水體積流量為 6 m3/h。
     
    在 BAF 運行到 70~75 天時,保持進水體積流量為 6 m3/h,進水氨氮的質量濃度提高到 1.44~1.92mg/L,此時出水氨氮的質量濃度為 0.53~0.89 mg/L,基本上不達標;而當 BAF 運行在 43~54 天時,進水體積流量為 5 m3/h 左右,進水氨氮的質量濃度在2.0 mg/L 以上,出水氨氮超標率為 55%。
     
    通過 SPSS17.0 相關分析,得出進水氨氮負荷和出水氨氮質量濃度在 0.01 水平上存在顯著雙側正相關關系,相關系數為 0.77,2 者關系如圖 7 所示。
     
    從圖 7 可見,當出水氨氮的質量濃度為 0.5 mg/L時,進水氨氮負荷為 0.18 kg/d,即 91.72 g/(m3•d),重現率為 85.2%。因此可得出,BAF 大氨氮進水負荷為 91.72 g/(m3•d)。

    3  結  論
    小試中,通過對比 4 種塑料填料的硝化速率和運行效果,4# 填料為佳填料。

    中試采用 4# 填料,在正常河水進水條件下,BAF系統大進水體積流量為 6 m3/h,出水氨氮的質量濃度可以穩定地小于 0.5 mg/L,氣量要求遠低于常規陶粒濾料;此時填料表面積的大硝化速率為 50.1mg/(m2•d)。
     
    BAF 在沖擊負荷下大氨氮進水負荷為 91.72g/(m3•d)。
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

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