厌氧生物床处理低碳氮比生活污水.pdf

厌氧生物床处理低碳氮比生活污水 刘灵辉1何国伟1范彬1何曾宇2 1. 广州大学环境科学与工程学院， 广州 510006;2. 长沙环境保护职业技术学院环境监测系， 长沙 410004 摘要 以自行设计的流态化厌氧接触生物滤床反应器， 考察了沸石、 陶粒两种填料以及活性污泥对于 C/N 为 5. 6 ～ 12. 9 的低碳源城市生活污水的厌氧处理过程脱氮除磷的效果的影响， 并对影响机理进行了探讨。结果表明 沸石、 陶 粒和污泥反应器平均 COD 去除率分别为 63. 62 、 44. 50 、 26. 04 ， 填料反应器氨氮去除率为 40 、 总磷去除率可达 20 ～ 30 ， 污泥反应器则为 20 和小于 10 。填料厌氧生物床优于污泥法， 沸石填料优于陶粒填料， 沸石材料显示 了良好的脱氮除磷特性。 关键词 厌氧生物床; 沸石; 陶粒; 污泥; 生活污水; 脱氮除磷 TREATING LOW C/N RATIO DOMESTIC SEWAGE BY ANAEROBIC BIOLOGICAL BED Liu Linghui1He Guowei1Fan Bin1He Zengyu2 1. School of Environmental Science and Engineering，Guangzhou University， Guangzhou 510006，China; 2. Department of Environmental Monitoring，Changsha Environmental Protection Vocational College， Changsha 410004， China AbstractTreatment of low carbon source domestic sewage with C/N ratio of 5. 6 ～ 12. 9 by sely-designed anaerobic biological bed reactors was investigated． Two kinds of fillers，such as zeolite and ceramsite had been studied and taking the sludge as a contrast． The experimental results showed that the average COD removal rate of zeolite biological bed reached 63. 62 ，the ceramsite biological bed’ s 44. 50 and the sludge biological bed’ s 26. 04 ． The ammonia-nitrogen removal rate of the zeolite biological and ceramsite biological beds could settle at 40 ． Total phosphorus removal rate of the zeolite could reach to 20 ～ 30 ，the ceramsite biological bed was 15 ～ 20 ，the sludge was only under 10 ． The biomembrane beds is better than the sludge and the filler for zeoliteand is better than ceramsite． Zeolite materials has showed good characteristics on removal of nitrogen and phosphorus． Keywordsanaerobic biological bed; zeolite; ceramsite; sludge; domestic sewage; nitrogen and phosphorus removal 0引言 城市生活污水碳源偏低， 碳、 氮、 磷比例失调， 一 般的活性污泥法和好氧生物滤池接触反应法脱氮除 磷效率低， 如何利用生物处理法在降低 COD 的同时， 又可达到较高效率的脱氮除磷已成为很多研究者关 注的问题。前期研究发现， 利用沸石材料对于 NH3-N 和磷的优良吸附特性， 在厌氧环境中吸附的NH3-N和 磷可以供给相关菌作营养物， 促进菌的生长繁殖， 在 沸石表面形成高浓度的菌团， 用于处理低碳源城市污 水， 可促进生物对城市污水的净化作用。 基于以上考虑， 本研究设计了流态化厌氧接触生 物滤床反应器， 考察了沸石、 陶粒两种填料并以污泥 作为对比， 探讨低碳源城市生活污水的厌氧过程脱氮 除磷的效果以及影响机理。结果表明 填料厌氧生物 床优于污泥法， 沸石填料优于陶粒填料， 沸石材料显 示了良好的脱氮除磷特性。 1试验工艺与废水 1. 1试验装置和流程 厌氧生物床采用内径为 320 mm， 高为350 mm的 可密封塑料圆桶制成， 采用有机玻璃胶进行加固密 封。反应器底部支撑采用高度为50 mm的耐腐蚀材 料支架， 生物填料的充填高度为120 mm， 有效体积为 10 000 mL， 污水的有效体积为15 000 mL。 污水由上 往下经布水管进入， 形成一定的旋流， 使给水均匀分 布， 同时使填料湍动呈现流态化形态， 防止填料堵塞， 增加污染物与生物填料上生物的接触， 提高污染物去 74 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 除效率。在填料区上部约130 mm处设置溢流出水 口， 为增加试验结果的可比性， 在污泥反应器底部采 用小潜水泵搅拌， 防止污泥下沉， 在沸石生物床、 陶粒 生物床底部设有反冲洗装置。 试验流程如图 1 所示， 为使试验结果具有可比 性， 以沸石、 陶粒为填料以及污泥法为对比的 3 组试 验同时进行， 污水从集水箱经计量泵进入恒压水箱， 再从恒压水箱分别用计量泵给入 3 个反应器， 净化后 的水从溢流口排出。 图 1试验流程 1. 2生活污水 采自广州市沥滘生活污水处理厂广州大学城泵 站， 为保证水质的相对稳定， 早晚各采一次新鲜的生 活污水， 水质分析如表 1 所示。 表 1生活污水水质 水质 ρ COD/ mgL － 1 ρ 氨氮/ mgL － 1 ρ 硝酸盐氮/ mgL － 1 ρ TP/ mgL － 1 C /N 范围96 ～ 2059. 3 ～ 22. 00. 50 ～ 1. 270. 85 ～ 2. 005. 6 ～ 12. 9 均值14416. 60. 861. 669. 1 1. 3生物填料 1 沸石 产自广东省某地， 为斜发沸石， 堆积密 度约为2. 6 g/cm3， 粒径为 0. 55 ～ 1. 70 mm。 2 陶粒 购自广州华穗陶粒厂， 堆积密度约为 0. 6 g/cm3， 粒径为 3 ～ 5 mm。 3 活性污泥 采自广州市沥滘生活污水处理厂， 为二沉池的剩余污泥浓缩液， SS 3 000 mg/L。 2试验 试验在夏季进行， 试验分为 3 个阶段进行， 第一 阶段为接种阶段， 在沸石和陶粒厌氧生物反应器中添 加一定体积的活性污泥进行菌种接种， 在污泥生物反 应器添加活性污泥体积约为10 L。控制生活污水流 量为20. 8 mL/s， 在反应器中的停留时间为12 h， 在厌 氧状态下驯化 6 d。其间观测到沸石和陶粒反应器中 沸石和陶粒表面生物膜形成较快， 出水变清; 污泥反 应器中污泥的泥层高度下降， 出水较浑浊， 但沉淀后 变清。 第二阶段驯化成熟阶段， 排净沸石和陶粒反应器 中的污泥， 将进水流量控制为41. 7 mL/s， 使污水在反 应器中的停留时间为6 h， 运行了 15 d， 观测到沸石和 陶粒表面的生物膜量先呈增长趋势后渐渐保持平稳， 污泥生物床污泥高度基本保持不变， 表明 3 种生物床 已基本驯化成熟。 第三阶 段 稳 定 运 行 阶 段， 将 进 水 流 量 控 制 为 83. 3 mL/s， 使污水在反应器中的停留时间为3 h， 运 行了 10 d， 观测到沸石和陶粒表面的生物膜量及污泥 床高度基本不变。 每隔 24 h 取一次水样， 检测 COD、 氨氮、 硝酸盐 氮及总磷 TP ; 生物膜量则每 3 天检测一次。 COD 采用美国 ET99718 微电脑 COD 快速测定 仪; 氨氮采用纳氏试剂分光光度法， 硝酸盐氮采用紫 外分光光度法， 总磷采用钼酸铵分光光度法， 生物膜 量采用灼烧减量法。紫外分光光度计为日本岛津 UV2450 分光光度计。 3结果与讨论 3. 1对 COD 去除的影响 由图 2 COD 去除率变化曲线可知 以沸石作填 料的厌氧生物反应器， COD 去除率呈先增加后减小 的趋势， 最高可达 89. 74 ， 平均为 73. 76 ; 陶粒厌 氧生物反应器 COD 去除率变化趋势与活性污泥反应 器的情况相似， 陶粒厌氧生物反应器的 COD 去除率 最高为 76. 30 ， 平均为 43. 796 ;而污泥厌氧生物 反应器的 COD 去除率最高仅为 52. 02 ， 平均仅为 28. 48 。说明以沸石作为填料， 启动速度快。 图 2COD 去除率变化曲线 第二阶段， 3 种厌氧生物反应器的 COD 去除率 波动较大， 平均去除率 COD 对于沸石、 陶粒和污泥生 84 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 物反应器分别为 43. 79 、 46. 23 和 22. 69 。 第三阶段， 3 种厌氧生物反应器的 COD 去除率 趋于稳定， COD 对于沸石、 陶粒和污泥生物反应器平 均去除率分别为 63. 62 、 44. 50 和 26. 04 。 结果表明 具有填料的厌氧生物反应器， 启动快、 去除 COD 能力强， 因为生物填料截留和吸附了部分 非溶解态的有机物， 为附着生长的厌氧微生物创造了 合适的营养环境， 促进微生物的生长。附着在填料表 面的微生物， 相当于提高了微生物浓度， 增加厌氧微 生物与有机污染物的接触反应。沸石填料比陶粒填 料对 COD 去除促进效果更为明显， 因为沸石具有更 大的比表面积， 吸附能力高于陶粒， 一方面其表面截 流更多的有机污染物; 另一方面可以为生物膜的附着 和生长提供更大场所， 使微生物聚集和浓缩。 3. 2对氨氮的脱除的影响 图 3 为 3 个反应器在运行过程中对氨氮的去除 变化情况。沸石反应器初期对氨氮的去除率高， 启动 时达到 90 ， 逐渐递减， 稳定于 40 。其原因可能在 于沸石对氨氮较强的吸附能力， 吸附污水中大量的氨 氮， 使得污水中氨氮浓度降低， 此时沸石对氨氮的去 除是以吸附为主。当沸石吸附达到饱和， 生物膜在其 表面形成， 其中的硝化菌将吸附在沸石上的氨氮转化 为硝酸盐， 形成了一个自我吸收、 自我消化的循环过 程， 这阶段氨氮的去除以生物反应为主。 图 3氨氮去除率变化曲线 陶粒生物反应器呈现为从缓慢增加到趋于稳定， 从初始的 20 逐渐增加到 30 ， 稳定到 40 左右。 陶粒生物反应器对氨氮的去除机理可能主要是依靠 生物膜的驯化， 生物降解反应为主。 污泥 生 物 反 应 器 为 从 20 左 右 缓 慢 增 加 到 40 ， 再到下降至 20 左右， 表明经过厌氧驯化的污 泥生物床对氨氮的去除有作用， 但缺少支撑生物生长 的界面， 生物降解效率低。 3. 3硝酸盐氮浓度的变化情况 如图 4 所示 原水的硝酸盐氮浓度较低， 只有 0. 50 ～ 1. 27 mg/L， 厌氧驯化培养的第一和第二阶段， 出水的硝酸盐氮浓度与原水相比时高时低， 进入厌氧 驯化培养的第三阶段， 3 种生物反应器的出水硝酸盐 氮均有所降低， 这可以说明此时， 生物反应器具备一 定的反硝化功能， 但填料反应器功能较强， 沸石填料 相对较陶粒更强。 图 4硝酸盐氮浓度变化曲线 3. 4总磷浓度变化的趋势 由图 5 总磷 TP 浓度的变化曲线可知 在厌氧 生物床驯化培养的第一阶段及第二阶段前期， 3 种生 物反应器均表现出厌氧释磷的现象， 总磷去除率均为 负值， 但填料类反应器释磷量较小， 污泥反应器释磷 量较大; 在第二阶段后期及第三阶段， 即厌氧驯化培 养 20 天后， 沸石生物床和陶粒生物床开始吸磷， 其中 沸石生物床的总磷去除率可达 20 ～ 30 ， 陶粒生 物床的总磷去除率为 15 ～ 20 ， 而污泥生物床的 总磷去除率在 10 以下， 除磷效果较差。 引起这种现象的可能原因是 在厌氧驯化培养初 期， 主要表现为聚磷菌的厌氧释磷， 生物膜上没有形 成反硝化聚磷菌等菌种， 随着相对优势的除磷菌种在 生物膜上的聚集， 逐渐对磷有了一定的去除效果; 另 一方面是由于在厌氧驯化培养的第二阶段后期及第 三阶段， 强化了沸石生物床和陶粒生物床的硝化功 能， 增加了污水中硝酸盐氮的浓度， 此时， 反硝化聚磷 菌以硝酸盐为电子受体， 同步实现了生物床的反硝化 脱氮除磷功能， 但这种情况在厌氧污泥生物床系统中 94 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 比较难实现。 图 5总磷浓度的变化趋势 3. 5生物膜量的变化 如图 6 所示， 沸石生物床的生物膜生长较快， 生 物膜量由第 3 天的1. 12 mg/g 较快地增加至第 9 天 的10. 74 mg/g， 之后有所降低， 但基本保持在8 mg/g 左右， 陶粒生物床的生物膜生长较慢， 但进入厌氧驯 化培养的第二阶段后期呈逐渐增加趋势， 最终的生物 膜量可达8 mg/g 左右， 这也表明经过厌氧驯化培养 的生物床已驯化成熟。 图 6生物膜量变化曲线 对比图 2、 图 3、 图 4、 图 5 与图 6 可以看出 沸石 填料有利于生物膜的生长， 赋予其独特的去除低碳源 生活废水中 COD、 氨氮和磷等污染物的功能。 4结论 1 填料对厌氧反应器 COD 去除从启动达到稳定 的时间影响不明显， 但去除效果影响较大， 填料厌氧 生物床优于污泥法， 沸石填料优于陶粒填料， 沸石、 陶 粒和污泥反应器 COD 平均去除率分别为 63. 62 、 44. 50 、 26. 04 。 2 填料厌氧反应器的反硝化脱氮除磷能力明显 高于污泥反应器， 前者氨氮去除率为 40 、 总磷去除 率可达 20 ～ 30 ， 后者为 20 和小于 10 。 3 沸石比表面大、 吸附能力强， 有助有机污染物 的吸附浓缩， 促进生物膜的生长， 用于低 C /N 的生活 污水的处理， 不仅可以提高 COD 去除能力， 兼有脱氮 除磷功能。 参考文献 ［1］朱小彪， 高宝玉， 许春华， 等． 沸石曝气生物滤池处理城市纳污 河水［J］． 环境工程， 2007， 25 4 22- 26． ［2］司马卫平， 何强． 两段上向流曝气生物滤池处理生活污水［J］． 中国给水排水， 2010， 26 13 15- 18． ［3］曾正中， 王厚成， 李勃， 等． 曝气生物滤池两种填料挂膜的对比 试验［J］． 环境工程， 2008， 26 1 21- 24． ［4］陈月芳， 宋存义， 汪翠萍． 沸石复合填料生物流化床在污水处 理中的试验［J］． 中国环境科学， 2006， 26 4 432- 435． ［5］邓征宇， 杨春平， 曾光明， 等． 两阶段曝气生物滤池的硝化性能 ［J］． 环境工程学报，2010， 4 8 1714- 1718． ［6］王振， 袁林江， 刘爽． A /A 系统反硝化除磷的强化及其稳定性 研究［J］． 环境科学， 2009， 30 10 2975- 2980． ［7］叶志平， 于凤娥， 何国伟． 天然沸石处理富营养化水的生物基 作用研究［J］． 环境工程学报， 2009， 3 1 85- 88． ［8］张耀斌， 邢亚彬， 荆彦文， 等． 厌氧 － 缺氧下反硝化除磷对低碳 污水的处 理 性 能 研 究［J］．环 境 科 学， 2010， 31 10 2361- 2365． ［9］陈永志， 彭永臻， 王建华， 等． A2 /O － 曝气生物滤池工艺处理 低 C /N 比生活污水脱氮除磷［J］． 环境科学学报， 2010，30 10 1957- 1963． ［ 10］Min Woo Lee，Jong Moon Park．One-dimensional mixed-culture biofilm model considering different space occupancies of particulate components［J］． Water Research，2007， 41 19 4317- 4328． ［ 11］孙延格， 王素兰， 邢传宏． 新型厌氧反应器启动运行试验［J］． 环境工程， 2010， 28 3 1- 4． ［ 12］方俊华， 何强， 徐建斌， 等． 厌氧-好氧生物滤池处理城市污水 试验［J］． 环境工程， 2006， 24 5 23- 27． 作者通信处何国伟510006广东省广州市广州大学环境科学与 工程学院 E- mailhgwgz 163． com 2011 － 07 － 11 收稿 05 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期