好氧土地生物过滤工艺与SBR工艺处理性能比较研究.pdf

书书书 好氧土地生物过滤工艺与 SBＲ 工艺处理性能比较研究 * 郭一令郑志佳苏艳芝 青岛理工大学 环境与市政工程学院， 山东 青岛 266033 摘要 在相同的试验环境和容积负荷条件下， 对好氧土地生物过滤工艺与 SBＲ 工艺去除人工污水中 COD 与氨氮的性 能进行比较。试验结果表明 好氧土地生物过滤工艺， 出水水质更稳定， 在低负荷条件下可以得到比 SBＲ 工艺更好的 出水水质， 且充氧时所需曝气量仅为 SBＲ 曝气量的 1/7。SBＲ 工艺在较高的容积负荷下 COD 仍然能够保持较高的去 除率， 但是出水氨氮很难达到一级 A 标准。 关键词 污水土地处理; BAF; SBＲ; 容积负荷; 曝气量 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408001 STUDY ON EFFICIENCY COMPAＲISON BETWEEN BAF WASTEWATEＲ LAND TＲEATMENT PＲOCESS AND SBＲ PＲOCESS Guo YilingZheng ZhijiaSu Yanzhi Institute of Environment and Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China AbstractIn the same experiment environment and volume load，it was carried out a contrast of the removal efficiency of COD and NH3－N in synthetic wastewater by biological aerated filtration wastewater land treatment process and SBＲ process． The results showed that BAF wastewater land treatment system has good and stable effluent quality under the condition of low load． What is more，BAF wastewater land treatment reacter can get the same gas rates with 1/7 aeration rate of SBＲ reactor． SBＲ has the advantages of large loading capacity，the removal rate of COD is very obvious by SBＲ，but the NH3－N removal rate is very difficult to be up to the standard． Keywordswastewater land treatment;BAF;SBＲ;volume load;gas flow * 区域小城镇群水污染控制 与 治 理 关 键 技 术 研 究 与 工 程 示 范 2011ZX07301- 003- 05 。 收稿日期 2013 －09 －12 好氧土地生物过滤技术是一种利用地下空间的 新型污水处理技术， 具有造价低、 管理简单、 不受气温 影响、 处理效果稳定、 填料就地取材， 价格低、 来源广 泛等技术优势， 既有湿地等污水自然净化法造价低廉 的优点， 也可使污水处理达到一级标准， 适合应用于 小城镇社区、 水源地等中小型污水处理厂。 迄今为止对于土地生物过滤技术对污水的处理 性能方面的研究主要是针对工艺本身的填料、 布水、 流态、 气温以及碳氮比对脱氮除磷性能的影响及优化 等的研究。对于处理性能的综合评价以及和其他传 统处理工艺的对比评价较少， 在工艺设计比选方面缺 少必要的基础数据［1- 4 ］。 序批式活性污泥工艺 SBＲ 设备简单， 工艺成 熟， 且无需二沉池， 在各种中小型污水处理厂中均有 广泛的应用 ［5 ］， 是活性污泥法中很具有代表性的传 统工艺。本研究目的是在相同的环境条件下比较好 氧土地生物过滤工艺和传统的 SBＲ 工艺的处理性 能， 研究土地生物过滤技术的处理特性及其规律。 1试验部分 1. 1试验装置 试验装置主要包括水箱、 恒流蠕动泵、 好氧土地 生物过滤反应器、 SBＲ 反应器、 溶解氧测定仪、 空气流 量计和空压机。试验装置示意如图 1 所示。好氧土 地生 物 过 滤 与 SBＲ 容 器 均 为 直 径 480 mm， 高 1 000 mm的 PVC 圆柱桶， 有效高度 670 mm， 有效容 积 120 L。好氧土地生物过滤反应器内装有碎石填 料， 碎石平均粒径 20 mm， 填料层高度 600 mm， 底部 1 水污染防治 Water Pollution Control 装有沙头曝气头， 底部进水， 采用横流蠕动泵连续进 水， 上部溢流出水， 填装填料后好氧土地生物过滤反 应器内实际水容量约 50 L。SBＲ 反应器底部装有曝 气头， 阶段性运行。 图 1 BAF 与 SBＲ 工艺除污效果试验装置示意 Fig．1The equipment sketch of efficiency comparison between BAF wastewater land treatment process and SBＲ process test 1. 2供试水样与接种污泥 试验用水为人工配水， 模拟氨氮含量较高的生活 污水 ［6 ］， 其化学组分见表 1。 表 1原水水质 Table 1Characteristics of raw wastewater 化合物质量浓度/ mg L －1 化合物质量浓度/ mg L－1 葡萄糖141 ～183 以 COD 计 氯化钙5 硫酸铵15 ～16 以 TN 计硫酸镁20 碳酸氨15 ～16 以 TN 计硫酸亚铁2 磷酸氢二钾8. 4碳酸氢钠调节 pH 至中性 磷酸二氢钾6. 6 接种污泥取自青岛市某城市污水处理厂， 该厂进 水以生活污水为主， 工艺具有去除 COD 与脱氮除磷 功能。 1. 3试验条件 试验采用相同的进水水质， 通过调节水量， 利用 恒温加热器保持恒定 27 ℃水温， 通过曝气保持两种 反应器内 DO 含量保持在 2 mg/L 左右， 对两种不同 反应器的容积负荷进行对比。在 SBＲ 污泥培养完成 和 SBＲ 挂膜成功后， 开始试验， 因为负荷较低， SBＲ 污泥量保持稳定， 未进行排泥， 好氧土地生物过滤反 应器内生物膜也较少脱落， 未进行反冲洗。试验条件 见表 2。在日处理水量 240 L 时进行了充氧性能 研究。 1. 4充氧性能的比较试验方法 为了比较两种工艺的构造差异对充氧性能带来 表 2各工艺运行参数 Table 2The running parameters of each process 试验 编号 日期 日处 理水 量/L 土地生物过 滤反应器运 行参数 SBＲ 反应器 运行参数 No．1 06- 0506- 1396连续运行， 进水 流 量 4 L/h 每批次处理水量 80 L， 运行 周期 20 h， 进水 0. 25 h， 曝气 18 h， 沉淀1. 5 h， 出水0. 25 h No．2 06- 1306- 22120进水 流 量 5 L/h 运行周期 16 h， 曝气 14 h， 其 余同上 No．3 06- 2206- 30144进水 流 量 6 L/h 运 行 周 期 13. 3h，曝 气 11. 3 h， 其余同上 No．4 06- 3007- 10180进水 流 量 7. 5 L/h 运 行 周 期 10. 7h，曝 气 8. 7 h， 其余同上 No．5 07- 1007- 18240进水 流 量 10 L/h 运行周期 8 h， 曝气 6 h， 其余 同上 No．6 07- 1807- 27360进水 流 量 15 L/h 运行周期 5. 3 h， 曝气 3. 3 h， 其余同上 No．7 07- 2708- 05480进水 流 量 20 L/h 运行周期 4 h， 曝气 2 h， 其余 同上 的影响， 待两反应器内污泥与生物膜培养完成后， 进行 充氧性能研究。试验 No． 5 处理水量为 240 L/d， COD 容积 负 荷 约 0. 32 kg/ m3d ， 氨 氮 容 积 负 荷 约 0. 066 kg/ m3 d 。SBＲ 完成进水的同时， 停止好氧土 地生物过滤反应器的进水和曝气， 待 SBＲ 反应器与好 氧土地生物过滤反应器中 DO 含量均接近 0 mg/L 后， 开始计时曝气， 曝气量均为 250 L/h， 水温为 27. 2 ℃， 连续记录两反应器水面下 100 mm 处溶解氧含量。 1. 5测定项目与方法 COD 采用快速比色法测定， 仪器为哈希 DＲB200 消解器和哈希 DＲ2800 分光光度计; NH3－N 采用纳氏 试剂光度法测定; NO － 3 －N 采用紫外分光光度法测定; TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［7 ］; DO 采用 JPBJ- 608 型便携式溶解氧测定仪。 2试验结果及分析 2. 1反应器的启动及运行 试验于 2013 年 5 月 1 日开始启动， 同时进行 SBＲ 装置中活性污泥的培养与好氧土地生物过滤装 置中填料的挂膜。投加 4 L 接种污泥， 每天连续闷曝 20 h， 停置 4 h。连续 3 d， 不换水， 每天添加适量营养 物质。3 d 后开始正常运行。 2. 1. 1SBＲ 的启动 正常运行后每天测量 SV 值， 从 SV 值的增大可 以看出活性污泥量在增加。13 d 后 SV 值达到12［ 8 ］， 开始监测污染物的去除效果。20 d 后， 沉降性能良 好， 出水清澈， COD 含量稳定在 50 mg/L 以下， 去除 2 环境工程 Environmental Engineering 率在 75 以上; NH3－N 含量约 15 mg/L， 去除率约 54. 5。36 d 后 NH3－N 含量稳定在9 mg/L左右， 去 除率约 72. 6。污泥培养完成， 共计用时约 36 d。 2. 1. 2好氧土地生物过滤反应器的启动 正常运行 12 d 后碎石填料表面出现淡黄色生物 膜， 出水清澈， 开始监测水质。25 d 后， 填料上的生物 膜明显变厚， 翻动填料会出现少量脱落后的羽状和丝 状生物膜。此时出水 COD 含量稳定在 40 mg/L 以 下， 去除率在 85以上; NH3－N 含量约 8. 5 mg/L， 去 除率约 74， 挂膜完成 ［9 ］。 2. 2曝气量的比较试验 在试验 No． 5 时进行充氧试验， 充氧试验时溶解 氧含量随时间的变化如图 2 所示。 图 2相同曝气量下两反应器内 DO 变化过程 Fig．2The change in DO of BAF wastewater land treatment reactor or SBＲ reactor under same gas rate 由图 2 可知 在相同曝气量下， 两种反应器内的 溶解氧含量变化规律相差较大 好氧土地生物过滤反 应器内， 15 min 后 DO 即可达到 4. 08 mg/L 左右并保 持稳 定;而 SBＲ 反 应 器 内，约 20 min 后 达 到 1. 40 mg/L， 并在 3. 5 h 内保持此浓度， 3. 5 h 后溶解 氧浓度逐渐上升， 至 5. 5 h 后， 溶解氧浓度达到 4. 14 mg/L并保持到 6 h 后曝气结束。 由此可知， 采用相同的曝气量， 好氧土地生物过 滤反应器中的溶解氧浓度明显高于 SBＲ 反应器内溶 解氧浓度。分析原因 好氧土地生物过滤反应器内填 装了填料， 在气泡上升的过程中， 填料不停对气泡进 行破碎， 并使气泡上升速度下降， 延长了气泡在水中 的停留时间， 增加充氧效能; 好氧土地生物过滤装置 为连续运行， 且属于半混合式装置， 即局部混合， 纵向 推流［10- 11 ］， 装置内总有机物浓度低， 微生物降解有机 物时所消耗溶解氧量少， 所以在相同曝气量下， 好氧 土地生物过滤反应器内一直保持较高的溶解氧含量。 SBＲ 反应器内溶解氧含量在曝气过程中不断变 化， 开始曝气后， 由于没有填料的阻挡破碎， 所以氧的 总转移效率要低于好氧土地生物过滤反应器， 充氧速 度慢。又因为反应器内混合液有机物浓度较高， 有充 足的有机物供微生物降解， 消耗了大量的溶解氧， 所 以在曝气开始后3. 5 h， DO 一直保持在1. 40 mg/L 的 水平。3. 5 h 后， 大量有机物降解后， 混合液中剩余有 机物量开始无法满足全部微生物的需求， 溶解氧含量 开始上升。5. 5 h 后， 混合液内有机物基本被降解， 溶 解氧含量达到 4. 10 mg/L。 总之， 为保证两反应器内溶解氧含量均保持 2 mg/L左右， 好氧土地生物过滤反应器所需曝气量要 少于 SBＲ 反应器。在日处理水量为240 L/d 时， 好氧 土地生物过滤反应器所需曝气量约 50 L/h， 而 SBＲ 反应器在前3 h 所需曝气量为350 L/h， 后3 h 需要约 88 L/h。 2. 3有机物去除能力效果对比 在试验条件下， 容积负荷对两种工艺有机物去除 效果的影响如图 3 所示。 图 3容积负荷对 COD 去除效果的影响 Fig．3Effect of volume load on COD removal 由图3 可以看出 试验 No． 1 ～ No． 7， COD 容积负 荷为 0. 128 ～0. 64 kg/ m3 d 时， SBＲ 反应器出水水 质保持在 40 mg/L 上下波动， 去除率高于 70， 随着 容积负荷的增加， COD 无显著变化。 好氧土地生物过滤反应器出水 COD 浓度则随着 容积负荷的增加而逐步增加， 试验 No． 1 ～ No． 6， COD 容积负荷小于 0. 48 kg/ m d 时， 好氧土地生物过滤 反应器的出水水质要好于 SBＲ 反应器， 去除率为 80 左 右。试 验 No． 7， 在 COD 容 积 负 荷 达 到 0. 64 kg/ m d 时， 好氧土地生物过滤反应器出水 COD 浓度高于 SBＲ 反应器。且超出了一级 B 的排水 标准， 去除率仅为 64。 3 水污染防治 Water Pollution Control 在低负荷状态下， 好氧土地生物过滤反应器的有 机物去除效果要好于 SBＲ 工艺， 其原因为 1 好氧土 地生物过滤工艺连续进出水， 生物相生长环境比较稳 定; 2 颗粒状填料表面生物膜有较好的吸附过滤作 用， 比 SBＲ 工艺单纯的依靠重力沉淀更利于对悬浮 物的捕捉， 从而得到较好的出水水质; 3 土地过滤系 统特殊的推流式构造， 污水自下而上通过填料， 空间 上分多段运行， 在正常运行条件下， 每段都繁衍与进 入本段污水水质相适应的微生物， 并形成优势种属和 食物链， 有利于微生物新陈代谢和低浓度有机污染物 的降解 ［12 ］。 另一方面， 由于土地过滤系统中填料的原因， 使 得容积 120 L 的好氧土地生物过滤反应器内实际水 容量仅为 50 L 左右， 随着试验 No． 1 ～ No． 7 进水流量 逐渐增加， 对应的水力停留时间依次减少为 12. 5， 10， 8. 3， 6. 7， 5， 3. 3， 2. 5 h。SBＲ 反应器内实际水力 停留时间约为好氧土地过滤反应器的 2. 4 倍。试验 No． 1 ～ No． 4 的容积负荷较低， 水力停留时间也较长， 此时水力停留时间还不是影响出水水质的主要因素。 试验 No． 5 ～ No． 7， 容积负荷升高， 水力停留时间变 短， 好氧土地过滤系统内的微生物没有足够的时间完 成有机物的吸附降解， 造成出水水质恶化。 2. 4硝化能力效果对比 容积负荷对两种工艺 NH3－N 去除效果的影响如 图 4 所示。 图 4容积负荷对氨氮去除效果影响 Fig．4Effect of volume load on NH3－N removal 如图 4 所示， 随着容积负荷的增大， 两种反应器 的出水 NH3－N 浓度都在逐渐上升， 去除率逐渐下降。 其中 SBＲ 反应器只在试验 No． 1， NH3－ N 负荷为 0. 027 kg/ m3 d 时， 出水 ρ NH3－N 为 5 mg/L， 符 合出水一级 A 标准， 此后随着容积负荷的增加， 出水 NH3－N 浓度随之增高， 但变化幅度低于好氧土地生 物过滤反应器; 好氧土地生物过滤反应器在试验 No． 1 ～ No． 4， NH3－N 容积负荷小于 0. 046 kg/ m3 d 时， 好氧土地生物过滤反应器的出水水质可达到 3 mg/L以下， 当负荷大于 0. 046 kg/ m3d 时 试验 No． 4 ～ No． 6 ， 出水 NH3－N 浓度迅速上升， 表明此时 的进水量已经超出反应器的正常负荷。负荷超过 0. 107 kg/ m3d 时， 出水 ρ NH3－N＞ 14 mg/L， NH3－N去除率低于 50。 造成这一现象的原因除与前文分析过的影响有 机物去除能力的原因外， 还可能与硝化细菌对环境的 要求更高， 世代周期长有关。拥有填料提供附着面连 续进出水的好氧土地生物过滤工艺， 要比间歇性进出 水完全混合微生物处于悬浮状态的 SBＲ 工艺， 更适 合硝化细菌生存繁殖［13 －15 ］。 3结论 1 随着容积负荷的增加， SBＲ 反应器与好氧土 地生物过滤反应器的出水浓度均逐渐升高， 其中 SBＲ 反应器变化幅度小。COD 容积负荷为 0. 128 ～ 0. 64 mg/ m3 d 时 COD 去除率高于 70， 表明 SBＲ 工艺对于 COD 容积负荷的冲击具有更好的稳定性。 2 在低负荷状态下， 好氧土地生物过滤工艺拥有 更好的出水水质。试验 No．1 ～No．4， 出水水质ρ COD ＜30 mg/L， ρ NH3－N＜3 mg/L， 比利用沉淀进行泥 水分离的 SBＲ 工艺具有明显的优势。 3 在试验负荷范围内 COD 容积负荷为 0. 128 ～ 0.64 kg/ m3 d ， NH3－N 容积负荷为 0.027 ～0.137 kg/ m3 d ，SBＲ 工艺处理水质具有更好的稳定性; 好 氧土地生物过滤工艺低负荷状态下可以得到比 SBＲ 工艺更好的出水水质。且充氧时所需曝气量仅需 SBＲ 曝气量的 1/7， 大大降低运行费用。 参考文献 ［1］苏尔辉， 郑正， 王勇， 等． 农村生活污水处理技术探讨［J］． 环境 科学与技术， 2005， 28 1 79- 81. ［2］郭一令， 王晗， 王森， 等． 水温和 C/N 对土地生物过滤处理系统 氮去除的影响［J］． 环境工程学报， 2013， 7 8 2961- 2967. ［3］杨兴豹． 淹没式曝气生物滤池对微污染原水的预处理效果 ［J］． 中国给水排水， 2012， 28 13 58- 59. ［4］郭一令， 苏林萌， 徐进， 等． 污水土地好氧生物过滤处理系统的 小试研究［J］． 水处理技术， 2011， 37 12 99- 102. ［5］郭竹玲． SBＲ 短程硝化法处理焦化废水的试验研究［D］． 西 安 长安大学， 2011. ［6］伍世锋． 高效曝气生物滤池在现代小区生活污水处理中的应用 ［J］． 广东化工， 2012， 39 23 207- 208. 下转第 32 页 4 环境工程 Environmental Engineering 加， 有机质含量逐渐下降， 与空白对照组相比， 投加 PSB 1， 有机质含量降低 60. 3。PSB 投加量对沉 积物总磷影响极显著 P ＜0. 01， 表 1 。且有机质含量 与 PSB 投加量存在较明显的线性关系 Ｒ20.9551 。 通过光合细菌的作用将有机质降解， 从而减少其在沉 积物中的含量， 有助于减轻湖泊的内源污染程度。 图 5不同 PSB 投加量下沉积物有机质含量 Fig．5Content of organic matter of sediment within different concentration of PSB 3结论 随着 PSB 投加量的增加， 上覆水及沉积物的各 项指标均呈现下降的趋势。与对照相比， 投加 PSB 1， 上覆水 CODMn降低了 31. 6， 氨氮和总氮含量 分别降低了 52. 4、 20. 5， 溶解性磷和总磷含量分 别降低了 83. 7、 63; 沉积物总氮、 总磷含量也明 显下降， 沉积物有机质含量降低了 60. 3。PSB 投 加量与上覆水 CODMn、 总氮、 总磷及沉积物总磷呈显 著的负相关 P ＜0. 05 ， 与上覆水氨氮及沉积物有机 质之间呈极显著的相关性 P ＜ 0. 01 。研究结果表 明采用光合细菌处理湖泊是一种简便有效的湖泊净 化方式， 具有较大的推广应用价值。 参考文献 ［1］吴定心， 杨文静． 利用复合微生物菌剂控制水华的治理工程试 验［J］． 环境科学与技术， 2010， 33 7 150- 154. ［2］刘华丽， 曹秀云． 沉积物疏浚技术在富营养化湖泊修复中的应 用［J］． 环境污染与防治， 2012， 34 2 87- 91. ［3］孔秀琴， 赵峰． 光合细菌处理高含盐有机废水研究［J］． 水处理 技术， 2010， 36 9 90- 92. ［4］常会庆， 王世华， 寇太记． 固定化光合细菌对水体富营养化的 去除效果［J］． 水资源保护， 2010， 26 3 64- 67. ［5］GB 38382002 地表水环境质量标准［S］ . ［6］HJ/T 1322003 碘化钾碱性高锰酸钾法［S］ . ［7］HJ 5352009 纳氏试剂分光光度法［S］ . ［8］HJ 6362012 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［S］ . ［9］GB 1189389 钼酸铵分光光度法［S］ . ［ 10］鲍士旦． 土壤农化分析［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2000 44- 49， 74- 76， 30- 34. ［ 11］刘鹏， 钟成华． 复合菌处理抗生素废水的初步研究［J］． 工业水 处理， 2012， 32 10 35- 38. ［ 12］Ormerod J G． The Photot Ｒophic BacteriaAnaerobic Life in the Light ［M］． BerkeleyBerkeley University of California Press， 1983. ［ 13］吴光学，管运涛，王剑秋，等． 碳源及氮源对紫色非硫光合细 菌积累 PHB 的影响［J］． 环境科学， 2004， 25 6 102- 107. ［ 14］Jutamas K，Worachat T，Monthon T，et al． Kinetic development and uation of membrane sequencing batch reactor MSBＲ with mixed cultures photosynthetic bacteria for dairy wastewater treatment［J］． Journal of Environmental Management， 2010， 91 1161- 1168. ［ 15］Hisashi N， Takako H， Kenji T， et al． Treatment of aquarium water by denitrifying photosynthetic bacteria using immobilized polyvinyl alcohol beads［J］．Journal of Bioscience and Bioengineering， 1999， 87 189- 193. ［ 16］袁探， 华玉妹． 外源硫酸盐对武汉南湖表层沉积物磷形态的作 用［J］． 中国环境科学， 2012， 32 4 666- 673． 第一作者 万田英 1981 － ， 女， 硕士， 华中农业大学资源与环境学院 工程师。 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 wantianying mail． hzau． edu． cn 上接第 4 页 ［7］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］ ． 4 版． 北京 中国环境科学出版社， 2002. ［8］李冬， 刘丽倩， 吴迪， 等． 常温低氨氮 SBＲ 亚硝化启动策略研究 ［J］． 中国环境科学， 2013， 33 2 215- 220. ［9］邹英杰， 郑西来， 许延营， 等． SBＲ- BAF 工艺处理效能的试验研 究［J］． 环境工程学报， 2009， 3 9 1542- 1546. ［ 10］凌霄， 胡勇有， 马骥． 曝气生物滤池流态特性研究［J］． 安全与 环境学报， 2005， 5 4 4- 7. ［ 11］Allan T M， Tom S． Perance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions［J］． Water Ｒesearch， 1999， 33 4 1108- 1113. ［ 12］张自杰． 排水工程 下册 ［M］． 北京 北京建筑工业出版社， 1996 201- 203. ［ 13］王劫， 宫艳萍， 白莹， 等． BAF 去除氨氮关键影响因素研究［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 5 147- 151. ［ 14］卜发平． 曝气生物滤池用于处理小城镇生活污水的试验研究 ［J］． 安徽农业科学， 2012， 40 25 12584- 12586. ［ 15］李亚峰， 张晓宁， 陈文通， 等． 碳源对厌氧氨氧化脱氮牲能影晌 的试验研究［J］． 环境工程， 2013， 31 1 35- 38. 第一作者 郭一令 1962 － ， 男， 教授， 主要研究方向为水污染控制技 术。yilingguo126． com 23 环境工程 Environmental Engineering