两种填料生物膜工艺脱氮效果的比较研究.pdf

两种填料生物膜工艺脱氮效果的比较研究 ＊ 史乐君 曹文平 平顶山工学院市政工程系, 河南 平顶山 467044 张永明 上海师范大学环境工程系, 上海 200234 摘要 以两种不同填料所组成的生物膜反应器 1 号和 2 号反应器 为研究对象, 比较了两个生物膜反应器去除有机 物、脱氮能力, 分析了其影响因素。 研究结果表明 在进水水质、停留时间等条件完全一致的情况下, 2 号反应器 COD、 氨氮的平均去除率比 1号反应器分别高出了 29. 88和 19. 68, 这是因为陶粒的比表面积较蜂窝陶瓷有绝对优势所 致。但是 2 号反应器的总氮去除率比 1 号反应器要低 7. 11, 通过研究两个反应器中硝态氮浓度和生物相分析发现 具有较大差距。 填料作为生物膜工艺中的核心, 其材料、结构等影响到生物膜的性质和反应器内水力学特性, 是决定 生物膜工艺处理效果的关键因素。 关键词 蜂窝陶瓷 陶粒 脱氮 硝态氮 生物相 水力学特性 ＊江西省自然科学基金项目 9920015 。 0 引言 生物膜法工艺中填料作为微生物的载体 ,决定了 反应器内附着生长的微生物量 ,也影响了内部传质效 果。因此, 填料的选择决定了污染物的去除效率、工 程基建投资及运行管理、运行动力消耗 、生产制作安 装及维护管理等方面的问题。 本研究生物膜法工艺常使用的两种填料 轻质陶 粒和蜂窝陶瓷, 并以它们为填料组成了两个生物反应 器,以蜂窝陶瓷为载体的反应器 简称 1号反应器 和 以轻质陶粒为载体的反应器 简称 2 号反应器 。通 过两个反应器平行实验, 分别从 COD、氨氮、总氮、生 物相等方面就两种填料对城市污水处理效果进行了 比较研究 ,为水处理工程设计中填料的选择及其新型 高效生物填料的研制开发提供依据 。 1 实验 1. 1 材料 两种生物反应器在实验过程中所处的环境条件 和水质条件完全相同, 工艺运行阶段也完全相同, 提 高了可比性。其工艺流程如图 1 所示 。 图 1 工艺流程 实验用水为昆山市中华园区城市排污管道中的 污水 ,在昆山市中华园污水处理厂区内进行。实验用 水在市政污水经过污水处理厂的机械格栅和初次沉 淀池初步处理后 ,再经提升泵由配水井打入水箱, 最 后通过重力流流入两个反应器 ; 两个反应器的填料高 度均为1 000 mm, 反应区直径是200 mm 2 号反应器 底部放有200 mm高的鹅卵石承垫层 ,1 号反应器直接 由支撑架支撑载体 ,水量都是通过水力流量计控制, 由空压机供气,DO 满足3. 0 mg L ,气量有气体流量计 控制, 反应器底部均采用了自制的穿孔管大阻力布 水、 布气器 ,以达到气 、 水均匀混合的目的 。 1. 2 方法 实验用水为昆山市中华园生活小区和工业园区 的混合而成的实际市政污水 , 其中大部分是工业废 水,这些工业废水主要排自几个大型的生化制药厂。 其水质指标如表 1 所示 。 表 1 进水水质指标mg L pH 除外 COD氨氮TNNO- 2 NO- 3 pHDO 165. 1～ 220. 161. 32 ～ 85. 8677. 64～ 108. 151. 58～ 4. 520. 6～ 4. 21 7. 11 ～ 7. 97≤ 1. 5 水样的量取是在每天的上午 10 00 完成, 水样的 测定也是当天上午 12 00之前完成; 水质指标测定均 按照国家标准方法进行 [ 1] ,实验期间水温变化范围在 29～ 34. 5 ℃。本实验采用不接种污泥 、 连续进水、自 然挂膜的方式下启动 。首先低负荷小水量 HRT 2 h 连续进水约23 d, 出水 COD 和氨氮浓度保持在 60 mg L和8 mg L以下, 然后提高负荷 HRT 1 h 连 续进水并进入实验水量驯化适应期7 d, 驯化期结束 以后 ,保持 HRT 1 h的水量进行实验阶段 。 78 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 2 填料结构形式和参数 填料参数具体见表 2,填料的结构形式见图 2。 表 2 生物填料的性能 反应器型号 填料外形 尺寸 mm 比表面积 m2m- 3 孔隙率 1 号反应器 蜂窝陶瓷 蜂窝煤球 194240289. 585 2 号反应器 轻质陶粒球形 2～ 4512. 355 图 2 两种填料结构形式示意 3 结果与讨论 3. 1 COD去除率的比较 1 号反应器与 2 号反应器的 COD 去除效果如 图3 所示, 从图 3 可以看出 , 进水 COD 为 165. 1 ～ 220. 1 mg L ,平均为191. 4 mg L ,1 号反应器 COD 出水 95. 1～ 148. 1 mg L , 出水 COD 平均为119. 4 mg L ,COD 的平均去除率为 37. 62。而 2 号反应器 COD 出水 为58. 2～ 70. 3 mg L ,出水COD 平均为64. 3 mg L,COD 平均去除率为 67. 5。由此从数据中可以看出 ,1 号 反应器出水 COD 高于 2 号反应器出水 COD, 说明 2 号反应器内的生物量要比 1 号反应器高出许多, 因 为轻质陶粒的比表面积要比蜂窝陶瓷大得多 ,从而能 吸附大量的微生物。 图3 两个生物膜反应器进水COD 和出水 COD 另一方面可以看出 , 虽然进水 COD 的变化幅度 比较大 ,2 号反应器出水 COD 较为稳定 ,而 1 号反应 器出水 COD 的变化幅度比 2 号反应器要大, 说明蜂 窝陶瓷载体表面的微生物量容易发生变化 。分析认 为这主要是因为蜂窝陶瓷载体为一种硬性载体,能承 受的水力负荷很小, 水力负荷的较小变化可能会引起 生物量大的变化 [ 2] 。而 2 号反应器中填装的陶粒下 部的填料对上部的填料是一种很好的缓冲作用,即使 进水处生物膜受到一些损伤, 但是上部的填料生物膜 还是很好的 。所以比表面积不同导致的生物膜生长 量的差异及空间构型造成的传质差异引起的两种填 料之间有机污染物去除能力的不同 。 3. 2 生物相比较分析 生物膜反应器中微生物膜菌群差异是影响反应 器效率的最重要因素 [ 3] ,为进一步评价蜂窝陶瓷和陶 粒处理性能提供依据 ,从微生物群落结构上对生物填 料进行评价 ,为定向开发生物填料提供依据。两个反 应器调试成功并稳定运行一段时间以后 ,两个反应器 中的生物相以及微生物数量均很丰富,出现了大量的 原生动物聚缩钟虫 Zoothamnium 、后生动物轮虫 Rotifer 等微生物群体 ; 但是在两个反应器中也出现 了各自较为特别的微生物群体 ,图 4 为实验过程中拍 摄下的各个反应器较为特殊的图片 。 图 4 两个生物反应器典型的生物图片 在调试成功之后 ,两个反应器内均出现了大量的 原生动物聚缩钟虫和后生动物轮虫等微生物群体 ,但 2 号反应器中的聚缩钟虫的数量、大小要大于 1 号反 应器 。根据生物链之间的关系 ,这些微生物群体的出 现说明两个反应器内的载体上都存在大量的细菌来 完成生物降解作用。但是在实验过程中 ,在这两个反 应器的载体上出现了大量的各自较为特殊的微生物 群体 在 1 号反应器内出现了大量的漫游虫和丝状 菌,而在 2 号反应器内却出现了大量的喇叭虫和线 79 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 虫,这些微生物群体的出现也同样说明了这两种载体 内形成各自独特的微环境体系。根据各种微生物的 生活习性可以了解到各反应器内的微环境,漫游虫的 出现说明在1 号反应器某些蜂窝孔中的水质是相当 的好, 但是通过 3. 1部分了解到 1 号反应器总体去除 COD的效果不是很好 ; 而且还出现了大量的厌氧指 示性微生物丝状菌。从以上几点可以说明 1 号反应 器蜂窝载体各蜂窝孔中的水质有很大的差距 ,这种情 况的出现说明蜂窝孔中的微环境相差很大,这可能是 曝气不均等造成的, 当然也和水力流动不均匀有关 系,不同的微环境而造就了一大批不一样生活习性的 微生物 [ 4] 。 在2 号反应器中出现了喇叭虫和线虫 ,喇叭虫出 现在生物量极其丰富 ,而且底物和溶解氧十分充足的 情况下,这点可以说明 2号反应器所使用的轻质陶粒 比表面积巨大, 生物量丰富 ,而且轻质陶粒对溶解氧 的切割作用,使得整个反应器内死角部分较少 。所以 整个反应器内的生物活性都相当的好。 总之 ,这两个生物反应器均有各自独特的微环境 体系 ,这些情况的出现都是由于这两个反应器内的载 体的不同所造成 。 3. 3 氨氮去除效果及分析 氨氮是水体发生富营养化的主要原因之一,为了 很好的控制和治理目前日趋严重的富营养化问题有 着特别的意义 。图 5 为进水氨氮和两个反应器出水 氨氮的关系图。 图 5 两个生物膜反应器进水氨氮和出水氨氮 从图 5可以发现 ,2 号反应器出水氨氮浓度较 1 号反应器出水氨氮要小。进水氨氮浓度 61. 32 ～ 85. 86 mg L ,平均为74. 83 mg L ; 1 号反应器出水氨氮 浓度 26. 78 ～ 57. 71 mg L, 平均44. 25 mg L, 氨氮去除 率为 40. 87; 2 号反 应器出水氨 氮浓度 20. 4 ～ 44. 3 mg L , 平 均 为 29. 53 mg L , 氨 氮 去 除 率 为 60. 55。2号反应器氨氮去除率较1 号反应器要高, 这可能还是与两个反应器内所使用的填料有关系 ,因 为轻质陶粒的比表面积要较蜂窝陶瓷大 。 3. 4 脱氮效果及分析 生物脱氮技术包括硝化技术与反硝化技术,硝化 作用虽然能将氨氮生物降解为硝态氮和亚硝态氮 ,但 是这并不能完全消除氮元素的污染问题 ,为了进一步 探讨这两个生物反应器的脱氮能力 ,从两个反应器的 进、 出水口也连续的检测总氮 Total Nitrogen, TN 的 浓度 。 从 实 验 结 果 显 示 , 进 水 TN 为 77. 64 ～ 108. 15 mg L ,平均为94. 32 mg L; 1 号反应器出水 TN 浓度 41. 75 ～ 72. 83 mg L , 平均55. 94 mg L ,TN 去除率 为 40. 69; 2 号 反 应 器 出 水 TN 浓 度 55. 55 ～ 77. 67 mg L , 平 均 为 62. 65 mg L , 氨 氮 去 除 率 为 33. 58, 其结果如图 6 所示 。 图 6 两种生物膜反应器进水 TN 和出水TN 3. 5 脱氮过程机理分析 1 号反应器 TN 的平均去除率为 40. 69, 而 2 号 为33. 58, 1 号反应器的 TN 的去除率比 2 号高出 7. 11。1号反应器内所使用填料的比表面积比2 号 反应器内所使用的填料的比表面积要小得多 ,其生物 量应该要小得多 ,但是为什么 1号反应器的 TN 的去 除率却高出 2 号反应器 TN 去除率 7. 11。从这两 个生物反应器的 NO - 2-N 和NO - 3- N 的浓度加以分析。 图7 为两个生物膜反应器出水中 NO - 2- N 和 NO - 3- N 的浓度总和 。 图 7 两个生物膜反应器出水硝态氮浓度关系 从图 7可以看出 ,1 号反应器中的硝态氮 NO - 3- N 和亚硝态氮 NO - 2- N 总和在 6. 04～ 17. 06 mg L, 平 均为12. 80 mg L ; 而 2 号反应器中的硝态氮 NO - 3-N 和亚硝态氮 NO - 2-N 总和在 11. 25 ～ 46. 23 mg L , 平 均为32. 72 mg L 。这说明 2号反应器虽然有良好的氨 80 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 氮去除效果,但却没有 1 号反应器脱氮效果彻底 。1 号反应器中的氨氮主要转化为气态氮从反应器中逃 逸; 而 2 号反应器中的氨氮减少主要是变为了硝态 氮,氮的存在形式只是从氨氮变为硝态氮 ,仍然残留 在水中 ,脱氮效果不彻底。分析认为 在 1 号反应器 中载体蜂窝陶瓷各蜂窝孔中溶解氧分布不均而导致 各蜂窝孔中的溶解氧水平不一 , 正是因为溶解氧不 一,使不同溶解氧水平下的蜂窝孔容易滋生大量的适 合不同溶解氧环境的微生物菌种 [ 2] ; 因而在这个蜂窝 陶瓷载体的各个部分的蜂窝孔中可以同时存在异养 菌、 硝化菌和反硝化菌, 使 1 号反应器能使多种生理 完全不同的菌种 包括硝化菌 、 亚硝化菌和反硝化菌 能在同一个环境内存在, 协同完成各自的降解任务, 硝化菌将氨氮转化为 NO - 3- N 和 NO - 2- N, 再由反硝化 菌将NO - 3- N 和 NO - 2- N 转化成气态氮逸出, 使得总氮 减少 ,而且在反应器内不存在硝态氮残留问题 。 而2 号反应器中存在大量的硝态氮残留问题 ,这 和该生物反应器的结构有一定的关系 。2 号反应器 内气、水在上升的过程中 ,大量的营养底物被吸附在 轻质陶粒的表面 ,并在供氧的作用下, 滋生大量的各 种微生物 ,而且 2 号反应器是一种典型的推流式流 态 [ 5] ,各种微生物群分层, 根据各种微生物菌种的比 生长速率 ,比生长速率大的微生物生长在进水口 反 应器底部 ,比生长速率小的微生物生长在上部,因此 2 号反应器从下到上的微生物大致分布是 异养菌, 氨氧化菌 亚硝化菌 和硝酸菌 ; 氨氧化菌处于各种菌 种的中间, 其菌种数量是能够满足氨氧化的需要, 氨 氮氧化也较为彻底; 只是硝酸菌处于反应器的最上 面,该微生物菌种处于被流失的边缘, 再加上该菌种 较为脆弱 、 对环境因素敏感,所以其数量 、 活性等不能 很好的保证,而且 2号反冲洗等过程都会对其产生很 大的影响 [ 6] ,这就是为什么在 2 号反应器中出现大量 的NO - 2-N 积累的现象 , 而 NO - 3- N 的浓度很低, 总氮 的去除能力较弱的最重要的原因, 这和有关文献相吻 合 [ 7] 。由于 2号反应器中好氧环境充分 ,导致反硝化 菌比例较少,从而TN 的去除率低下。 4 结论 相同的工艺 ,平行的实验, 由于填料的不同产生 了许多不同的地方, 这说明填料的选择在水处理工程 中处于一个很重要的位置 。 12 号反应器 COD 和氨氮去除率较 1 号反应 器要高出29. 88 和 19. 66,因为陶粒填料的比表面 积比蜂窝陶瓷填料比表面积大得多 ; 而且 2 号反应器 内的生物链比 1 号反应器内的生物链要长 , 且更丰 富。另外管状蜂窝陶瓷填料对气泡的切割能力较差, 反应器底部产生的气泡在上升的过程中直径较大 ,或 气泡汇聚成大的气泡, 使填料、污染物和空气接触面 积和频率减少, 制约了污染物的降解 。同时陶粒耐水 力负荷方面也优于蜂窝陶瓷 ,2 号反应器出水水质稳 定性较好。 2生物脱氮是这两个反应器去除氨氮和总氮 的主要途径 ,1 号反应器比 2 号反应器生物脱氮能力 要强些 , 其 TN 的 去除 率比 2 号反 应器 要 高出 7. 11; 引起这个问题的主要原因在于反应器内水力 学特性不同 ; 1 号反应器是因为蜂窝陶瓷载体内的各 蜂窝孔溶解氧分布不均而滋生的各种微生物菌种混 杂生长而导致其好氧反硝化, 但是蜂窝陶瓷比表面积 有限, 能保持高 TN 去除率, 而氨氮的去除效果制约 了脱氮效果 ; 而 2 号反应器特殊的流态使得不同的硝 化菌种 硝酸菌和亚硝酸菌 分层分布,反硝化菌的数 量很小 ; 但是由于反应器较短和水力负荷较大, 硝酸 菌流失可能较为严重是导致 2 号反应器出水中亚硝 态含量高, 也是 TN 的去除率较低的主要原因。 参考文献 [ 1] 中国环境保护局. 废气废水废渣分析方法. 北京 中国标准出版 社, 2000 [ 2] 曹文平, 张永明, 吕晓辉, 等. IAL- CHS 反应器同步硝化反硝化的 研究. 中国给水排水, 2006, 21 5 77 -79 [ 3] 吕炳南, 陈志强. 污水生物处理新技术. 哈尔滨 哈尔滨工业大 学出版社, 2005 [ 4] Elisabeth V M,Paul L,Jurg K. Simultaneous nitrification and denitrification in bench -scale Sequencing batch reactors. Wat.Sci. Tech. , 1996,30 2 277-284 [ 5] 郑俊. 吴浩汀, 程寒飞. 曝气生物滤池污水处理新技术及工程 实例. 北京 化学工业出版社, 2002 [ 6] Laanbroek H J, Gerards S. Competition for limiting amounts of oxygen between Nitrosomonas europaea andNitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures. Arch. Microbiology, 1993, 159 3 453 - 459 [ 7] 马军, 邱立平. 曝气生物滤池中的亚硝酸盐积累以及影响因子. 环境科学, 2003, 24 1 84-90 致谢 本次实验能顺利完成, 得到了昆山市华恒水处理设备技 术有限公司钱鲁泓总经理和全体员工的大力支持, 在此表示 感谢。 作者通信处 史乐君 467044 河南省平顶山市平顶山工学院市政 工程系 E -mail shilejunhncj . edu. cn 2007- 11-06 收稿 81 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 XingpingZhonglongTieluqiao, and the most serious factors contributed to pollution are pointed out. According to which this paper can provide references for water pollution control and water environment protection. Keywords grey cluster relation analysis water environmental quality assessment Weihe River in Xianyang CHARACTERISTICS OF SLUDGE AND DISCUSSION ON TREATMENT S Liu Hong Cui Suping Tian Wei et al 63 Abstract Municipal sludge and several electroplating sludges were selected,whose components, composition, thermal characteristic and the distribution of different heavy metals Zn, Cr, Cd, Pb, Hg, Co, Ni and Aswere studied. The results of experiment show that the components of municipal sludge are closed to clay s, so the clay may be replacedwith municipal sewage sludge. They have highmass loss at lower temperature and the tend of weight loss is moderate at higher temperature; Zn,Ni and Cr are easy to remain in the bottom ash; Cu, As and Hg are difficult to enrichment, they are easy to volatilize. Treatment suggestion is given according to the characteristic of sludge at last. Keywords municipal sludge electroplating sludge thermal analysis heavy metal THE ENGINEERING USE OF COPPER PICKLING WASTEWATER TREATMENT AND COPPER RECOVERYZhao Jiqiang Gu Xiaoming Lin Xihua 67 Abstract A metal surface treatment limited company is taken as an example, it introduced that the treatment of production wastewater and water reuse zero emission technology for the copper acid surface treatment industry . It is proved by many years of operation and practice that the technology is advanced and feasible can achieve wastewater zero emission; and the grade of the recycling copper isvery high. It has great social, economic and environmental benefits. So it is a very practicalwastewater treatment and water reuse technology. Keywords copper pickling zero emissions copper recovery RESEARCH ON TREATMENT OF CORN STARCH WASTE WATER BY AEROBIC BIOLOGICAL PROCESSLi Zhanchen YuKai Li Xinyan 69 Abstract It is introduced that the present situation of study on treatment of starch waste water in our country and abroad, and the experimental research is done on the waste water of one firm in Xiongxian County of Baoding . After increaseing flocculant for recycling protein, this waste water enters into biochemical treatment, which then undergoes activated carbon adsorption. The total removal rate of COD is more than 95 and the water quality meets the local discharge standard. Keywords starchwaste water biotreatment of waste water activated carbon adsorption STUDY ON FACTORS AFFECTING BIOLOGICAL TREATMENT OF OILY SEWAGE FROM OIL FIELDSJiang Haiyang Chen Jinfu 71 Abstract Integrative reactor filledwith bio -membrane cultured and enriched spontaneously was employed to dispose oily wastewater from oil field.The main influencing factors are investigated in experiments, such as temperature, HRT, mineralization, COD volumetric load and packing material. Experiment results show that the microorganisms cultured and enriched using this can endure high temperature and high mineralization. The ideal effluent can be achieved under the temperature 45～ 65℃, HRT 10 h, COD volumetric load 0. 38～ 0. 49 kg m3d, oil concentration 22. 1～ 78. 3 mg L and mineralization 15 000 mg L, respectively.Study shows the average concentration of COD and oil in disposed wastewater is reduced to 67. 9 mg L and 3. 6 mg L respectively , which could meet the first-order of Integrated Wastewater Discharge Standard GB8978-1996. Keywords oily -wastewater bio -membrane hydrolysis-acidification biological aerated filter BAF AN EXAMPLE OF TREATING HIGH -CONCENTRATION METHANOL WASTEWATER WITH HYDROLYTIC ACIDIFICATION -TWO PHASE ANAEROBIC PROCESS Ma Wencheng Han Hongjun QuJiang et al 75 Abstract Hydrolytic acidification-two phase anaerobic processwas taken to treat the high -concentration methanolwastewater. Tests showed that this process presented well perance in the treatment of high-strength methanol wastewater.When the inflow COD of this process was between 7 000～ 11 000 mg L, its effluent COD was lower than 600 mg L. In addition, this process presented advantages such as quick start -up and well ability of resisting shock loading. Keywords high-concentration methanol wastewater hydrolytic acidification two-phase anaerobic process COMPARISON STUDY ON NITROGEN REMOVAL EFFECT OF TWO BIOFILM REACTORS WITH DIFFERENT PADDINGSShi Lejun Cao Wenping Zhang Yongming 78 Abstract Two biofilm reactors No. 1 and No . 2with different paddingswere used to investigate the capacity of removing organic pollutant and nitrogen of the reactors and analyse the effect factors. The results show that COD and ammonium average removal rate of No . 2 reactor is 29. 88 and 19. 68 higher than No. 1 reactor on the same conditions, whose cause is that ceramisites have more surface area than ceramic honeycomb, while nitrogen removal rate of No. 2 reactor is 7. 11 lower than No. 1 reactor. Moreover, the concentration of nitrite and nitric and biological phase are further researched of two bioreactors and found out greater difference Keywords ceramic honeycomb ceramisites removal nitrogen nitrite and nitric biological phase hydraulic property PRACTICESANDCONSIDERATIONSOFCHENGDUIMPLEMENTINGTHEWATER 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 3, June ,2008