生物滴滤池反硝化脱氮试验研究.pdf

水 污 染 治 理 生物滴滤池反硝化脱氮试验研究 ＊ 胡和平 黄少斌 王宝沂 华南理工大学应用化学系, 广州 510641 摘要 采用一套内部填充多孔蜂窝陶瓷填料的生物滴滤池, 研究了在不同温度下 3 种不同类型的碳源 甲醇、醋酸钠 和葡萄糖 以及不同的 C N 对于系统反硝化效果的影响。 结果表明, 不同碳源对于系统的反硝化能力有很大的影响, 采用甲醇和葡萄糖不会引起亚硝酸盐的积累, 而醋酸钠会引起明显的亚硝酸盐积累, 在硝酸盐基本消耗完的时候达到 最大的积累值 初始硝酸盐总量的 20 。 不同碳源的最佳操作温度有所不同 , 3种碳源在 40 ℃下都具有较好的反硝 化效果。 关键词 生物滴滤池 碳源 碳氮比 温度 反硝化 ＊国家自然科学基金项目 20277009 1 前言 十九世纪末 ,德国人在研究土壤净化污水过滤田 的基础上 ,创造了生物过滤法 ,并在 19 世纪末期将其 应用于废水的处理。20 世纪 60 ～ 70 年代 ,由于新型 填料的研制成功, 使得生物过滤法得到了充分的发 展。这一技术在农业循环用水和养殖业用水处理方 面得到了很好的应用 ,在城市污水的处理方面也得到 了广泛的应用 [ 1～ 5] 。在这种反应器中 ,微生物生长在 滤池中的填料上面, 所以可以达到很高的微生物浓 度,因此它的水力负荷和抗冲击负荷能力都很强, 可 以很好地适应那种负荷不稳定 ,变化比较大的废水的 处理 。而且,这种反应器还有结构简单 ,安装快捷 ,控 制容易, 运行成本低等优点 。生物滴滤池 Trickling Filter 是生物过滤法中的一种, 由于此类型的生物处 理装置中的生物膜一般都很厚, 而溶解氧 DO 通过 扩散作用通常只能进入生物膜的表层的 100～ 200 μ m 的深度,因此生物膜上就有可能同时存在好氧区和厌 氧区, 使得整个系统具有生物脱氮的功能 ,许多学者 都观察到了类似的现象 [ 5～ 9] 。生物滴滤法处理废水 在国外研究比较多 ,在国内则相对比较少 ,本试验的 目的在于研究几种碳源以及重要的环境因素 温 度对所建立的一套生物滴滤体系的反硝化效果的 影响 。 2 材料和方法 2. 1 试验用水及微生物 本试验所用的水为人工配制, 在蒸馏水中加入一 定量的外加碳源 甲醇、 葡萄糖 、 醋酸钠 ,一定量的氮 源 硝酸钾 ,氯化钠, 一定量的微量元素 [ 10] 以及由磷 酸氢二钾和磷酸二氢钾组成的缓冲溶液 。 试验所采用的是实验室原来所保存的微生物 ,取 一定量的微生物接种在一定量的营养盐中, 在 30 ℃ 下的恒温培养箱中培养, 待微生物的活性恢复后, 再 接种在生物滴滤池中 ,然后通过计量泵由生物滴滤池 的上部进入生物滴滤池中, 出水再回流至储水池中, 当储水池中的碳源氮源等营养物质消耗完后 ,换一瓶 新的培养液 ,经过 3～ 5 周的循环培养后 ,整个系统达 到稳定状态 。 2. 2 试验装置及运行 本试验所采用的试验装置如图 1,主体部分为一 体积为 2. 5 L 的有机玻璃生物滴滤池 80 mm 50 mm ,内填充多孔蜂窝陶瓷填料, 反应器上下两端 各留有50mm 作为缓冲段,中间的蜂窝陶瓷填料层高 度为 400 mm。 图1 试验装置 1质量流量计; 2计量泵; 3气体缓冲瓶; 4恒温水浴锅; 5蜂 窝陶瓷填料; 6生物滴滤池; 7储水池。 整个系统达到稳定状态后 ,在储水池中加入配置 水,由于整个装置为一套循环系统, 其中绝大部分的 7 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 微生物生长在生物滴滤池中的填料上, 因此将储水池 中的微生物及处理好的废水全部换掉对于维持整个 系统的稳定运行并没有太大的影响。整个操作过程 和SBR反应器非常相似 , 可以说是一个 SBR 反应器 的强化过程。试验过程中每隔一段时间从储水池中 取一定量的水样进行分析 。 3 试验结果与讨论 3. 1 碳源种类及碳氮比对于反硝化过程的影响 3. 1. 1 甲醇为碳源不同碳氮比时的反硝化试验 甲醇是一种经常被采用的外加碳源 [ 12] , 为了对于 甲醇对本系统的反硝化效果的影响有一个初步的了 解,研究了几种碳氮比条件下的反硝化过程,结果见 图2。 由图 2可以看出,在不同碳氮比下,反硝化过程有 所不同,在开始的 30 min 内,在这 3 个碳氮比下, 硝酸 根离子浓度减少的量都相差不大, 但是随着时间的推 移,碳氮比为 1. 0时 ,其反硝化速度越来越慢, 而碳氮 比为2. 5 和4. 0 时却变化不大,这可能是由于碳氮比为 1. 0时,外加碳源相对不足引起的。在开始的时候,整 个系统处于一种碳源比较足的状态,但是随着碳源的 不断消耗,在碳氮比为 1. 0 时,整个系统处于一种碳源 不足的状态,而碳氮比为 2. 5 和 4. 0 时, 整个系统始终 维持在碳源充足的状态,所以反硝化速度变化不明显 。 由图还可以看出 ,当110 mg L和 NO - 3-N 在开始的 2 h 内就消耗完毕 ,即使在碳源相对不足的条件下, 在 3 h 内也基本消耗完毕,这可能是由于整个系统微生物丰 富,一部分微生物处于内源呼吸阶段,消耗自身的有机 物而给反硝化过程提供碳源,因此反硝化速度相对较 低。而且,当采用甲醇为外加碳源时,没有观察到亚硝 酸盐的积累 。 图 2 甲醇为碳源不同碳氮比条件下的反硝化试验 3. 1. 2 葡萄糖为碳源不同碳氮比时的反硝化试验 以葡萄糖为碳源时, 不同碳氮比的试验结果如 图3 。 由图 3 可以看到类似于甲醇的试验结果, 只是 反硝化的速度相对变缓了 ,110 mg 的 NO - 3-N 在碳氮 比为 2. 5和 4. 0 时,要经过将近 4 h 才能反硝化完毕, 而碳氮比为 1. 0 时候 , 经过 4 h 的试验, 仍然还有 16. 2 mg L的NO - 3- N 存在 。在试验过程中也没有发现 存在亚硝酸盐的积累现象 数据没有给出 。因此相 对于甲醇来看, 从反硝化速度方面来说 , 甲醇是一种 比葡萄糖效果更好的外加碳源 。 图 3 葡萄糖为碳源不同碳氮比条件下的反硝化试验 3. 1. 3 醋酸钠为碳源不同碳氮比时的反硝化试验 醋酸钠也是一种在反硝化试验中使用最为广泛 的外加碳源之一, 本试验也采用了醋酸钠为外加碳 源,碳氮比仍然维持在 1. 0、 2. 5 和 4. 0 三个水平 。 由实验可知 ,其反硝化速度与前面 2 种外加碳源 没有太大的分别。但是, 三者明显的区别在于, 当采 用醋酸钠为外加碳源时, 会引起相对比较严重的亚硝 酸盐积累现象。亚硝酸盐的量随着硝酸盐的量的减 少而增加 , 当硝酸盐的量减少为 0 时 ,亚硝酸盐的积 累量达到最大值, 其总量达到了初始硝酸盐的量的 20左右。然后亚硝酸盐的量再逐渐减少为 0, Jiun- Jye Her [ 13] 等人也观察到同样的结果 。 3. 2 环境温度对于反硝化过程的影响 由前面的试验结果可知, 对于本系统来说, 不论 采用前面 3种碳源的那一种 ,在碳氮比为 2. 5 时, 都 有很好的反硝化效果 。因此在研究温度对于反硝化 效果的影响时, 把试验所采用的碳氮比固定在 2. 5, 而改变整个体系的温度, 研究了不同碳源下温度对于 反硝化效果的影响。试验结果如图 4、图 5 和图 6 所示 。 采用甲醇为外加碳源时 ,其试验结果如图 4。从 图4 中可以看出 ,温度对于体系的反硝化效果作用不 是很明显, 在较低温度时 ,以硝化的速度随着温度的 升高而有所提高 ,到 40 ℃左右达到一个最佳的反硝 化效果, 其反硝化速度最快 , 随着温度升高到45 ℃ 时,整个系统的反硝化效果就开始下降。当采用醋酸 钠为碳源时 ,也观察到类似的试验结果 如图 6 。而 且当整个系统维持在 45 ℃时一段时间后 ,整个系统 的效果明显下降 数据没有给出 , 要经过 1 ～ 2 d 的 恢复才能达到稳定阶段时的脱氮效果 。而采用葡萄 糖为碳源时 图 5 ,在温度较低时 35 ℃ ,反硝化效 8 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 果明显低于温度比较高 如40 ℃ 的条件下的反硝化 效果, 但是在温度为 45 ℃时, 其反硝化效果并没有如 采用甲醇那样的效果明显降低 。比较图 4、图5 和 图6 可以看出,温度对于醋酸钠的反硝化影响最为明 显,葡萄糖次之 ,而对于甲醇的影响则不是那么的明 显。因此可以得出结论, 试验所采用的操作温度应该 根据具体所采用的碳源来确定 ,而且还应该根据具体 的试验结果来加以确定, 否则会造成整个系统的严重 破坏 。 图 4 甲醇为碳源 C N 2. 5 的反硝化试验 图 5 葡萄糖为碳源 C N 2. 5 的反硝化试验 图 6 醋酸钠为碳源 C N 2. 5 的反硝化试验 4 结论 采用生物滴滤池处理工艺 ,研究了 3 种不同的碳 源以及不同的C N 比以及不同的温度对于整个系统 反硝化的影响, 得到下面的结论 1 由于本试验装置内部填充有多孔蜂窝陶瓷填 料,使得微生物非常容易生长在填料上 , 所以挂膜的 时间相对比较短 ,系统启动容易。 2 本试验采用的蜂窝陶瓷填料比表面积很大, 具有多孔结构, 使得系统的微生物的量非常丰富。系 统每天晚上都有一段时间处于缺营养状态,但是并不 会对第 2 d 的反硝化试验有很大的影响 ,所以非常适 合那种负荷不够稳定的废水的处理 。 3 研究了 3种不同的碳源对于反硝化效果的影 响,发现葡萄糖和甲醇不会引起亚硝酸盐积累, 但是 醋酸钠会引起比较严重的亚硝酸盐积累 ,在硝酸盐消 耗完毕时, 亚硝酸盐积累达到最大值, 其最大值相当 于初始硝酸盐总量的 20左右 。 4 温度对于系统的反硝化效果有比较重要的影 响,在较低的温度下 , 反硝化速度随着温度的升高而 升高, 在 40 ℃ 左右达到最大值 ,然后随着温度的升高 反硝化速度又下降, 而且当系统在 45 ℃下运行一段 时间后,整个系统的反硝化效果下降严重 。 参考文献 1 Speece, R. 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The result also illustrates that optimal temperature relates with carbon source and the denitrification efficiencies with the different carbon sources are quite well at 40 ℃. Keywords trickling filter, carbon source, C N ratio, temperature and denitrification RECOMBINED MUNICIPAL EFFLUENT ADVANCED TREATMENT PROCESS AND PROGRESS FORWASTEWATER REUSEDeng Yaojie et al 10 Abstract In this paper, the municipal effluent advanced treatment processes for water reuse are summarized. The traditional processes and their developments both at home and abroad are introduced. On the basis of these, the application of the combination and integration process between the membrane separation techniques and the municipal effluent advanced treatment s are mainly described. In addition, it is pointed out that the integration and combination of some advanced treatment techniques and their optimization have profound strategic significance for alleviating water resource shortage and implementating water resource sustainable use. Keywords municipal ffluent, advanced treatment and wastewater reuse ANALYSIS OF THE PRESENT STATUS OF REUSING MUNICIPAL WASTEWATER FOR INDUSTRYLiu Yiping et al 15 Abstract This article reviews the domestic and abroad status ofmunicipalwastewater reusing technologies for inustry, water quality standard for reusing, the processes of advanced treatment and benefit of sewage reusing, finally it also gives the suggestions on the future development. Keywords municipal wastewater, sewage reuse and treatment technique TREATMENT OFPHARMACEUTICAL WASTEWATER BYAIRFLOATATION -HYDROLYTIC ACIDIFICATION -AEROBIC PROCESSLi Xiangdong et al 17 Abstract Air floatation -hydrolytic acidification-aerobic process was used to treat pharamceutical wastewater, the running results showed that this process has simple operation and a high efficiency of treatment, the quality of effluent meets The Wastewater Discharge Standard GB8978- 1996 . Keywords pharmaceuticalwastewater, air -floatation, hydrolytic acidification and contact oxidation ANALYSIS OF PRINCIPLE OF EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED REACTOR Jiang Han et al 19 Abstract It is analyzed that the structuralfeature, substrate metaboly and acid -alkali balance of the expandedgranular sludge bed EGSB reactor according to the flow state of the sludge bed, biochemical dynamics and system-matter balance. From which it is concluded that H A ratio and reflux ratio are the indicators of realizing a higher upflow speed of the reactor. The reflux causes the change in substrate metaboly of the reactor, which enhances the removal rate. The operation mode of EGSB plays a positive role in balancing the alkali degree and pH value of the system. Keywords EGSB, expansion rate, reflux ratio, upflow velocity, treatment efficiency , alkalinity and pH value TREATMENTOFELECTROPLATINGWASTEWATERBYCHEMICALOXIDATION - SEDIMENTATION PROCESSYuan Shoujun et al 22 Abstract Electroplating wastewater was treated by chemical oxidation -sedimentation process. The ffluent quality cons to the first -order criterion of GB8978 -1996. Combining engineering practice, the author gives some experience in design and debugging of the treatment engineering. The process features low cost, less sludge production, simple operation and small occupation of land. Keywords chemical oxidation, sedimentation, electroplating wastewater DECOLORIZATION PERANCE OF CATIONIC DYES WITH DIFFERENT MOLECULAR STRUCTURES BY AEROBIC ACTIVATED SLUDGELiu Zhengqin et al 24 Abstract Color removal effect of cationic dyes with different molecular structures by the acclimated activated sludge under aerobic conditions and different acetic acid concentrations was investigated in this paper. The experimental results showed that the dye removal of cationic dyes by 3 000 mg L aerobic sludge was high. The color removal of cationic red GTL, i. e. , isolated azo dyes and cationic blue 2 RL, i. e. , 2 -N hermicyanine, of 20 mg L was about 93 and 98, respectively. The increase of the sludge concentration had no prominent effect on the dye removal percentage. The color removal of cationic red 2 GL 2 -N heterocyclic hemicyanine dyes , cationic redGTL, cationic blue 2 RL and basic 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 3, Jun. , 2005