泥膜共生氨氧化污水處理技術(shù)
活性污泥法自1912年被提出以來(lái),經(jīng)過(guò)100多年發(fā)展,已經(jīng)成為了眾多污水處理技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的方法。20世紀(jì)80年代在傳統(tǒng)活性污泥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的活性污泥―生物膜共生技術(shù) (IntegratedFixed-FilmActivatedSludge,IFAS)結(jié)合了活性污泥和生物膜的優(yōu)勢(shì),使污水處理效果得到了提升。近年來(lái),隨著工業(yè)化和城市化程度地不斷提升,城鎮(zhèn)污水排放量和氮磷污染物不斷增加,導(dǎo)致了生活廢水中低COD質(zhì)量濃度和水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)狀,而氮磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素。隨著國(guó)家眾多環(huán)保政策的出臺(tái),給污水處理領(lǐng)域提出了更高要求,越來(lái)越多的水處理廠面臨著深度脫氮除磷、脫除重金屬的挑戰(zhàn),為了滿足需求,只能依賴價(jià)格高昂的納濾膜或者反滲透膜,然而成本往往無(wú)法承受,因此亟需能夠低成本實(shí)現(xiàn)污水深度處理與回用的新技術(shù)。厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation,Anammox)技術(shù)由于節(jié)省能量、剩余污泥產(chǎn)量低、節(jié)約投資成本和運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì),在處理低碳氮比的高氨氮濃度廢水方面廣泛應(yīng)用。
本實(shí)驗(yàn)結(jié)合活性污泥―生物膜共生和厭氧氨氧化污水處理各自的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù),制成處理能力為0.5t/d的一體化污水處理裝置,對(duì)裝置運(yùn)行過(guò)程中的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析,最終裝置穩(wěn)定運(yùn)行后出水達(dá)到了我國(guó)GB18918―2002,城市污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A處理效果。
1、實(shí)驗(yàn)工藝介紹
格柵除渣的生活污水在經(jīng)過(guò)預(yù)曝氣之后,進(jìn)入一體化IFASMox污水處理裝置中,一體化污水處理裝置中部格柵上放置經(jīng)過(guò)改性的混合多孔微生物載體,工藝流程如圖1所示。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間微生物馴化富集培養(yǎng)之后,活性污泥在反應(yīng)器中以懸浮生長(zhǎng)的狀態(tài)存在,微生物在載體表面及孔隙表面富集成膜,形成類顆粒污泥的三維立體生態(tài)結(jié)構(gòu)。在活性污泥作用下,污水中的有機(jī)物被逐步降解消耗,達(dá)到去除COD的目的。經(jīng)過(guò)預(yù)曝氣的污水中富含溶解氧,進(jìn)水流經(jīng)載體所形成的顆粒污泥,在其表面形成具有高濃度溶解氧的好氧層,在載體內(nèi)部,隨著氧氣消耗,逐漸變?yōu)閰捬鯛顟B(tài),在溶解氧梯度變化的載體微生態(tài)壞境中,能夠?qū)崿F(xiàn)亞硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌協(xié)同共生,促進(jìn)不同微生態(tài)層之間近距離物質(zhì)傳遞,最終形成穩(wěn)定的厭氧氨氧化反應(yīng)達(dá)到脫氮的目的。另外,隨著污水中溶解氧被消耗,沿反應(yīng)器水流方向的溶解氧濃度逐漸降低,由最初的好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài),在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下發(fā)生硝化―反硝化反應(yīng)脫除氨氮。一體化裝置內(nèi)活性污泥和生物膜中的亞硝化、硝化、反硝化及厭氧氨氧化菌在協(xié)同作用下,最終達(dá)到深度脫氮的效果。多孔載體對(duì)污水中的重金屬、磷和難降解有機(jī)物還有吸附脫除作用,進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。
亞硝化反應(yīng)(亞硝酸菌):
厭氧氨氧化反應(yīng)化學(xué)計(jì)量學(xué)方程式:
硝化反應(yīng)(硝化菌):
反硝化反應(yīng)(反硝化菌):6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-
2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
2.1 微生物載體制備
選用多孔的石墨、火山巖、沸石混合物(體積比為1∶1∶1)為本實(shí)驗(yàn)的生物載體,對(duì)其進(jìn)行酸/堿溶液浸泡腐蝕前處理過(guò)程,將多孔材料孔隙中的雜質(zhì)溶解,隨后用蒸餾水沖洗直至水洗液呈中性,最終填料形成了疏松多孔的立體絮狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)前處理過(guò)程,填料比表面積由2左右增加到5以上,增加了生物膜有效附著面積,有利于其微生態(tài)環(huán)境的形成和后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利展開(kāi)。
2.2 一體化污水處理裝置
設(shè)計(jì)容積為0.6m3、日處理量為0.5t的一體化污水處理裝置,在裝置中部設(shè)置格柵,格柵上放置0.18m3載體。污水在進(jìn)入一體化裝置前,先經(jīng)過(guò)格柵除渣和曝氣處理,使進(jìn)水中富含溶解氧;出水口后設(shè)置沉淀池,使泥水分離后出水。
本實(shí)驗(yàn)中,不投加外加碳源及菌種,進(jìn)水為城市生活污水,具有COD濃度低、氨氮濃度高、進(jìn)水污染物濃度波動(dòng)小的特點(diǎn),在30周的運(yùn)行過(guò)程中,進(jìn)水懸浮物(SS)濃度200mg/L,COD濃度為200mg/L,NH3-N濃度40mg/L~50mg/L,TP濃度10mg/L。將該污水處理裝置運(yùn)行30周,期間定時(shí)取水樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,對(duì)運(yùn)行周期內(nèi)的懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析。
3、裝置運(yùn)行情況
3.1 SS去除效果
設(shè)備運(yùn)行30周,懸浮物去除效果如圖2所示,在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后,去除率穩(wěn)定在95%以上,出水SS濃度小于10mg/L,去除效果好。
3.2 COD去除效果
COD去除效果如圖3所示。從圖3中可以看出,裝置運(yùn)行4周后COD去除率基本穩(wěn)定,均保持在80%以上,后期出水COD濃度小于50mg/L,去除效果良好,達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。分析本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中,僅有一次曝氣處理,由于水中溶解氧限制,導(dǎo)致COD濃度進(jìn)一步降低困難。
3.3 NH3-N去除效果
運(yùn)行期間,TN和NH3-N去除效果如圖4所示,從圖4中數(shù)據(jù)可知,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后,TN整體去除率達(dá)到80%以上,TN濃度穩(wěn)定在10mg/L左右。在設(shè)備運(yùn)行前兩周,氨氮去除率較低,僅為20%~40%,之后氨氮去除效果開(kāi)始逐漸好轉(zhuǎn),第9周后氨氮去除率達(dá)到68.6%,總體去除效果良好。后期裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,氨氮的平均去除率為90.7%,且出水NH3-N濃度小于5.0mg/L,達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。從圖4中可以看出,NH3-N去除達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)較長(zhǎng),約為11周,這可能是由于厭氧氨氧化菌(在30℃~40℃條件下,其倍增時(shí)間為10d~14d)生長(zhǎng)緩慢導(dǎo)致的。
3.4 TP去除效果
設(shè)備運(yùn)行期間,TP去除情況如圖5所示,從圖5中數(shù)據(jù)可知,在運(yùn)行的第1周和第2周,TP的去除效果為20%,從第3周開(kāi)始,TP去除率升高,在裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,去除率達(dá)到95%以上,出水TP濃度穩(wěn)定在0.5mg/L以下,達(dá)到城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備總磷去除效果好,除了填料的吸附作用外,推測(cè)在裝置內(nèi)發(fā)生了“氣化除磷”反應(yīng),即磷酸鹽被還原為磷化氫以達(dá)到除磷的效果。目前,對(duì)磷化氫的產(chǎn)生機(jī)理尚未有定論。
4、結(jié)語(yǔ)
研究了將活性污泥―生物膜共生、厭氧氨氧化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術(shù),生活污水經(jīng)過(guò)該技術(shù)處理,達(dá)到深度脫除氮磷的效果,裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,SS,COD,TN,NH3-N及TP去除率均達(dá)到了城市污水處理廠水污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單,無(wú)需外加碳源,僅經(jīng)過(guò)一次預(yù)曝氣處理、節(jié)省能量,且其處理效果良好,使得其在未來(lái)城市生活污水及其他低碳氮比廢水處理領(lǐng)域上應(yīng)用前景良好。(來(lái)源:福瑞萊環(huán)??萍? 深圳) 股份有限公司,北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院,深汕特別合作區(qū)環(huán)境與資源事務(wù)中心)
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