混凝气浮-好氧颗粒污泥膜生物反应器处理造纸厂废水.pdf

混凝气浮 － 好氧颗粒污泥膜生物反应器 处理造纸厂废水 冯涌 1，2 卢龙 1 杨敏 1 1． 南昌大学环境科学与工程学院，南昌 330031;2． 江西省环境监测中心站，南昌 330029 摘要 以普通絮状活性污泥作为接种污泥， 在膜生物反应器中采用序批式方法培养好氧颗粒污泥， 得到含好氧颗粒污 泥的膜生物反应器。采用该反应器处理南昌市某造纸厂亚胺制浆法造纸废水， COD、 氨氮、 TN、 TP 去除率分别达 90 、 94 、 93 、 92. 5 ， 出水达 GB 35442008 制浆造纸工业水污染物排放标准 和 GB 89782002 污水综合排放 标准 一级 B 排放标准。 关键词 混凝气浮;好氧颗粒污泥;膜生物反应器;废水处理 TREATMENT OF PAPERMAKING WASTEWATER USING COAGULATION AIR FLOTATION － AEROBIC GRANULAR SLUDGE MBR Feng Yong1，2Lu Long1Yang Min1 1． Institute of Environmental Science and Engineering，Nanchang University， Nanchang 330031，China; 2． Jiangxi Provincial Environmental Monitoring Center，Nanchang 330029，China AbstractAerobic granular sludge was cultured using ordinary activated sludge floc through sequencing batch in a membrane bioreactor． Thus a MBR of aerobic granular sludge is got． It is a successful attempt using this integrated reactor to treat wastewater from pulping of a paper mill in Nanchang． The results show that removal rates of COD，NH3-N，TN and TP of the efflucent are 90 ， 94 ， 93 ， 92. 5 respectively． The effluent quality can meet the standard of “Pulp and Paper Industry Water Pollutant Discharge Standards” GB 35442008and the first B standard of“Integrated Wastewater Discharge Standard” GB 89782002 ． Keywordscoagulation and air-flotation;aerobic granular sludge;membrane bio-reactor;wastewater treatment 0引言 一体式膜生物反应器 MBR 工艺 是现代膜分离 技术与生物技术有机结合的一种新型废水生物处理 技术。清华大学钱易等研究了平板超滤组件、 无机陶 瓷膜组件与活性污泥系统构成的膜生物反应器以及 中空纤维一体式膜生物反应器处理生活污水的性 能 ［1］。天津大学顾平等进行了一体式膜生物反应器 处理生活污水的试验研究 ［2］。它具有停留时间短， 无需沉淀池， 无污泥沉降性问题等优点。然而随着城 市和村镇生活污水和生活垃圾中含有的氮磷越来越 高， 国家污水排放标准对氮磷的排放要求越来越严 格， MBR 工艺脱氮除磷效率低的缺陷日益暴露。 传统活性污泥， 通过特定培养， 能自凝聚形成好 氧颗粒污泥。好氧颗粒自内而外形成的厌氧、 兼氧和 好氧环境， 从而能有较好的脱氮除磷效果 ［3- 4］。试验 将好氧颗粒污泥技术与膜分离技术有机结合， 既可保 留膜生物反应器原有出水水质良好的优势， 又可以发 挥颗粒污泥在同步去除有机物和脱氮除磷的优势特 征。并且颗粒污泥由于其较大的粒径和致密的结构 可大大提高混合液的过滤性能， 从而增加膜通量， 减 缓膜污染进程， 延长膜的使用寿命。具有除磷功能的 好氧颗粒污泥不仅可以克服污泥膨胀的缺点， 而且具 有良好的沉淀性能、 抗冲击负荷等优点 ［5］。宋英豪 等采用硝化 － 反硝化反应器串联运行20 d后， 污泥出 现了较明显的颗粒化现象 ［6］。 1实验部分 1. 1废水水质 实验废水取自南昌市某造纸厂黑液废水， 该废水 82 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 产生于亚胺法制浆生产包装纸过程， COD、 氨氮含量 高， BOD/COD 值小。具体水质见表 1。经混凝气浮 后得到的中段水水质指标见表 2。 表 1亚胺法制浆黑液废水水质指标 mg/L pH 除外 pHρ CODρ NH3-Nρ TNρ TP 7 ～ 88. 5 10330041010 表 2中段水水质指标 mg/L pH 除外 pHρ CODρ NH3-Nρ TNρ TP 7 ～ 7. 56501101408 1. 2实验装置 污水预处理仍采用该厂混凝气浮池工艺。预处 理后的中段水进入一体式膜生物反应器。反应器内 PVA 膜 组 件 浸 没 于 MBR 系 统 中 部，膜 孔 径 为 0. 4 μm， 每个膜组件有效膜面积为0. 5 m2。反应器 用有机玻璃管制作， 玻璃管内径15 cm， 高1. 0 m， 有效 水深为0. 8 m。反应器下方连接鼓风机， 曝气量为 1. 5 ～ 2 mg/L。出水管路系统由导管和阀门组成。导 管与膜组件连接， 阀门控制出水流速， 从而调节水力 停留时间。真空泵采用间歇抽吸方式运行 ［7］。污水 处理工艺流程如图 1 所示。 1 － 污水槽; 2 － 进水泵; 3 － 空压机; 4 － 压力容器罐; 5 － 气浮池; 6 － 调节池; 7 － 进水泵; 8 － 膜生物反应器; 9 － PVA 膜; 10 － 真空泵; 11 － 出水槽; 12 － PCL 自动控制系统; 13 － 污泥泵; 14 － 搅拌机 图 1亚胺法制浆废水处理工艺流程 1. 3接种污泥 实验采用普通絮状活性污泥作为接种污泥， 在 MBR 系统中培养出成熟的好氧颗粒污泥 ［8 ］。污泥接种自南 昌朝阳污水处理厂二沉池污泥， 污泥性状见表 3。 表 3接种污泥性状 污泥性状 SVI/ mg L － 1 MLSS/ mg L － 1 含水率 / 密度 / g cm － 3 平均值130 ～ 1502 500 ～ 3 000＞ 991. 003 1. 4实验方法 1. 4. 1污泥驯化 实验首先将污水厂接种活性絮状污泥加入人工 配制的废水持续曝气 1 周， 期间不加入碳源， 用以抑 制污泥中的异养菌生长。从显微镜中观察接种絮状 污泥呈绒絮状， 颜色为黑褐色。絮状污泥主要是由好 氧菌为主体的微型生物群以及悬浮物、 胶体等组成， 结构较为松散， 比 重 较 小， 沉淀性 能较差。1 周后 MBR 反应器采用序批式方式启动， 即进水、 厌氧搅 拌、 曝气、 曝气排水及闲置等全过程。1 d运行 2 个周 期， 每个周期运行6 h， DO 保持在2 mg/L左右。培养 50 d后， 反应器内好氧颗粒污泥基本成熟。 1. 4. 2控制条件下的污染物指标去除效率测定 在 MBR 反应器中培育出成熟的好氧颗粒污泥 后， 控制反应器内条件 温度为25 ℃ 、 pH 值为7 ～ 8、 DO 为2 mg/L。系统运行稳定后对出水污染物指标 进行测定。 2实验结果及分析 2. 1控制条件下 MBR 对污染物去除率 2. 1. 1对 COD 去除效果 废水预处理后与出水ρ COD 维持在650 mg/L， 进入生物反应器。反应器每天运行 2 个周期， 每个周 期进 程 为进 水 阶 段 6 min，静 置 缺 氧 搅 拌 阶 段 80 min， 有氧曝气阶段100 min， 二次曝气出水阶段 200 min， 闲置阶段30 min， 整个周期为420 min。图 2 为系统运行稳定后 COD 变化情况。 图 2 COD 变化曲线 从图 2 可以看出 COD 浓度在前30 min迅速下 降， 在30 min时 COD 去除率达 75 ， 这个过程为好氧 颗粒污泥对有机物的物理吸附作用。好氧颗粒污泥 在曝气过程中处于完全混合状态， 保证较大比表面 积， 与污染物充分接触进行氧化。在闲置阶段， 由于 好氧颗粒具有较大粒径， 沉降性能好， 不存在污泥膨 胀， 能有效降低水力停留时间， 保证出水质量。系统 稳定后出水 COD 去除稳定， 去除率达 90 ， ρ COD 92 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 维持在80 mg/L。 2. 1. 2对 NH3-N 去除效果 中段废水ρ NH3-N 维持在110 mg/L。进入生物 反应器后， NH3-N 在好氧颗粒污泥的作用下经过硝化 反硝化作用得以去除。具体分析如下 由于溶解氧扩 散的限制可以在好氧颗粒污泥中形成溶解氧梯度， 好 氧颗粒污泥的外表面上溶解氧浓度相对高， 废水在污 泥中主要以好氧型和兼性型的微生物为主 异养好 氧菌、 硝化菌及氨化菌等 。NH3-N 在颗粒表面被硝 化氧化为 NO3 － -N 或 NO － 2 -N。由于颗粒污泥表面溶 解氧被大量消耗， 污泥内部形成缺氧区， 颗粒污泥中 缺氧、 兼氧菌在该区形成优势菌， 直接利用 NO3 － -N 或 NO － 2 -N 作为电子受体将其反硝化还原为 N2［9- 10］， 从反应器中溢散。图 3 是反应器运行稳定后 NH3-N 的变化情况。 图 3NH3 -N 变化曲线 从图 3 可以看出 反应初期由于对氨氮废水的适 应， 去除率较低， 但随着反应的进行， 反应器对氨氮的 去除效果逐渐提高。最终出水氨氮的平均去除率维 持在 94 左右， 出水ρ 氨氮＜ 20 mg/L。 2. 1. 3对 TN 去除效果 反应器中的好氧颗粒污泥具有比絮状污泥更大 的粒径并且具有致密的内部结构。因此， 好氧颗粒污 泥可以沿氧传质方向形成更稳定的好氧区、 缺氧区、 厌氧区的微生物环境， 这也为同步硝化反硝化反应提 供了良好的微生物环境， 有利于去除废水中的 TN。 系统稳定后， TN 去除率可维持在 93 ， 图 4 是系统 运行稳定后变化情况。 2. 1. 4对 TP 去除效果 图 5 为系统稳定后 TP 去除情况。从图 5 可看出 反应器对 TP 有较高去除率。出水 TP 很低， 最低在 0. 8 mg/L以下。这主要得益于颗粒污泥内部和外部形 图 4 TN 变化曲线 成了厌氧、 好氧微生物环境， 聚磷菌在颗粒污泥体系中 成长， 使得颗粒污泥具有较高吸磷除磷的性能。 图 5 TP 变化曲线 3结论 1 反应器在运行周期为7 h、 DO 浓度为2 mg/L条 件下培养好氧颗粒污泥。在培养过程中， 经过10 d污 泥驯化后， 第 17 天出现微小的颗粒污泥， 运行25 d 后， 形成表面光滑、 轮廓清晰、 结构密实、 沉降性能较 好的淡黄色好氧颗粒污泥。运行50 d， 形成的好氧颗 粒污泥粒径在1 ～ 1. 5 mm， SVI 为25 mg/L， MLSS 高 达7 500 mg/L， 平均沉降速度为41. 2 m/h。 2 实验证明好氧颗粒污泥 MBR 系统能进行同 步硝化反硝化反应。系统对 TN、 TP 的去除率较高。 这主要是因为好氧颗粒所具有的特殊物理化学结构， 可以由内而外形成厌氧、 缺氧、 好氧环境， 从而进行有 效的脱氮除磷。 3 采用序批式 MBR 反应器， 以好氧絮状活性污 泥为接种污泥可以驯化培养出对废水具有较好脱氮 除磷效果的好氧颗粒污泥， 在温度为25 ℃ ， DO 为 下转第 34 页 03 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 3. 4社会效益 凤凰河二沟湿地公园打造了溪流漫步区和环保 教育园区两大主题景观区， 一方面使人工水系与自然 水景相交融， 让更多市民接近自然， 享受自然， 在美化 环境、 提供休憩空间方面有着不可替代的社会效益; 另一方面， 还可以为教育和科学研究提供对象、 材料 和试验基地， 从而在自然科学教育和研究中发挥十分 重要的作用。 4小结 1 人工快渗与表面流人工湿地技术均具有建设 投资省， 运行成本低的优点， 组合工艺对有机物及氮 磷等营养物质的去除互为补充， 互为强化， 系统运行 2 个月后， 各污染物去除效率高， 低温环境效果稳定， 耐冲击负荷能力强， 出水主要水质指标 COD、 BOD5、 氨氮 达地表水Ⅴ类以上， 环境效益、 经济效益显著。 2 污水经人工快渗系统后污染负荷大大降低， 后续表面流人工湿地水面清澈、 植物配置多样， 构建 新型湿地公园兼具治污、 景观、 教育、 科研等多种功 能， 生态、 社会效益显著。 3 组 合 工 艺 对 TP 去 除 率 较 高， 可 达 70 ～ 80 ， 但出水浓度未达到地表水Ⅴ类水质要求， 有待 进一步提高。 参考文献 ［1］黄成才， 杨芳． 湿地公园规划设计的探讨［J］． 中南林业调查 规划， 2004， 23 3 21． ［2］Kadlec R H．Overviewsurface flow constructed wetlands［J］． Water Science and Technology，1995，32 3 1- 12． ［3］郭劲松， 王春燕， 方芳， 等． 人工快渗系统在三峡库区处理生活 污水的适应性研究［J］． 环境科学， 2006， 27 11 2327- 2332． ［4］Kadlec R H，Knight R L． Treatment wetlands［M］． New York Lewis Publishers，CRC Press，Boca Raton，199670- 73． ［5］苏历全． 废水处理氨氮技术研究［J］． 淮南职业技术学院学 报， 2008， 26 8 36- 38． ［6］Reddy K R，Kadlec R H，Flaig E，et al． Phosphorus assimilation in streams and wetlandcritical reviews［J］． Environment Science and Technology，1996，314- 18． ［7］佟才， 王虹扬， 何春光， 等． 城市人工湿地生态公园建设及其效 益分析［J］． 吉林林业科技， 2004， 33 16 25- 27． ［8］张金炳， 陈鸿汉， 钟佐燊， 等． 人工快速渗滤复合系统处理洗浴污 水的试验研究［J］． 水文地质与工程地质， 2001， 28 6 30- 32． ［9］吴晓磊． 人工湿地废水处理机理［J］． 环境科学， 1995， 16 3 83- 86． 作者通信处吴属连518057深圳市南山区高新技术园南区深港 产学研基地大楼西座 801A 电话 0755 26737178 转 8046 E- mailwushulian1220 126． com 2011 － 10 － 14 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 30 页 2 mg/L左右， 运行周期为7 h时， 驯化培养形成的好氧 颗粒污泥对中段废水 COD、 NH3-N 和 TP 的去除率分 别 达 93. 2 、 85. 7 和 93. 4 左 右，出 水 达 GB 89782002 一级 B 排放标准。 参考文献 ［1］汪城文， 钱易． 膜一好氧生物反应器处理生活污水的试验研究 ［J］． 给水排水， 1996， 22 12 18- 21． ［2］顾平． 应用膜生物反应器处理生活污水的研究［J］． 中国给水 排水， 1998， 14 5 6- 8． ［3］Shinh S，Lim K H，Park H S． Effect of shear stress on granulation in oxygen aerobic up flow sludge kd reacctors［J］． Wat Sei Tech， 1992， 26 3- 4 601- 605． ［4］Wu J， Lu Z Y， Hu J Z， et al．Disruption of granules by hydrodynamic force in internal circulation anaerobic reactor［J］． Water Science and Technology， 2006， 54 6 9- 16． ［5］高景峰， 郭建秋． 间歇式除磷好氧颗粒污泥反应器的快速启动 ［J］． 环境工程，2008， 26 1 15- 18． ［6］宋英豪， 杨莎莎． 短程硝化反硝化新型生物反应器的特性研究 ［J］． 环境工程，2008， 26 4 76- 78． ［7］Mao Wei，Ma Hongzhu，Wang Bo． Perance of batch vacuum distillationprocesswithpromotersoncoke-plantwastewater treatment［J］． Chemical Engineering Journal，2010，160 232- 238． ［8］Zhou Jun，Yang Fenglin，Meng Fangang，et al．Comparison of membrane fouling during short-term filtration of aerobic granular sludge andactivatedsludge ［J］．JournalofEnvironmental Sciences，2007，19 1281- 1286． ［9］WoodwardBK， FellowsCS， etal．Nitrateremoval， denitrification and nitrous oxide production in the riparian zone of an ephemeral stream［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2009， 41 4 671- 680． ［ 10］陈小光， 潘永亮． 膜法 SBR 工艺的最佳工况研究［J］． 南昌大学 学报． 工科版， 2005， 27 4 12- 15． 作者通信处卢龙330031南昌市红谷滩新区学府大道 999 号南 昌大学环境科学与工程学院 电话 0791 83969583 E- maillulong ncu． edu． cn 2012 － 04 － 04 收稿 43 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期