不同填料下UBAF深度處理印染廢水對(duì)比試驗(yàn)研究
導(dǎo)讀:：研究不同填料的UBAF對(duì)有機(jī)污染物的去除效果。試驗(yàn)啟動(dòng)采用接種掛膜的方法。號(hào)濾池所用填料為新型尼龍?zhí)盍?尺寸5×5×3mm)。號(hào)濾池所用填料為生物陶粒(粒徑為4-6mm)。
關(guān)鍵詞：UBAF，接種掛膜，新型尼龍?zhí)盍，陶?/p>
工業(yè)用水量的增加以及水資源的日益短缺，使污水深度處理及回用越來越受到人們的重視。印染企業(yè)是用水大戶，且其產(chǎn)生的廢水水質(zhì)成分十分復(fù)雜，有機(jī)物濃度高，多為有毒有害物質(zhì)。目前，印染廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的處理技術(shù)已成熟，但由于廢水量大，且受納水體徑流量及自凈容量小，即使符合排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水仍然可能會(huì)造成水體污染。在水資源短缺日益加劇的今天，印染企業(yè)生產(chǎn)過程中需要大量用水。因此，對(duì)印染廢水進(jìn)行深度處理后回用，具有較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
曝氣生物濾池就其單位池容處理水量大、停留時(shí)間短、占地面積小、截污能力強(qiáng)、具有較強(qiáng)的深度處理功能等優(yōu)勢(shì)在廢水處理業(yè)中被廣泛應(yīng)用。而其構(gòu)造組成中的最主要的核心部件是填料，不同性能的填料對(duì)廢水處理的效果起完全不同的作用。
因此，多年來對(duì)填料材質(zhì)性能的研究從未中斷過。目前，工程中廣泛應(yīng)用的填料有陶粒、火山巖、石英砂、聚苯乙烯填料等。本試驗(yàn)采用新型尼龍?zhí)盍?主要材質(zhì)為增強(qiáng)尼龍PA66和抗氧化劑)和傳統(tǒng)生物陶粒在相同工況變化時(shí)，對(duì)某印染廠深度處理段的廢水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究不同填料的UBAF對(duì)有機(jī)污染物的去除效果，以期使該新型填料能大規(guī)模應(yīng)用于印染廢水深度處理。
1、試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)裝置
兩套上向流曝氣生物濾池試驗(yàn)裝置的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同，均由有機(jī)玻璃制成，其中1號(hào)UBAF如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)裝置示意圖
Fig.1. Schematic diagram of UBAF
本試驗(yàn)裝置高為2000mm，直徑為200mm，承托層高200mm，自下到上由不同粒徑的鵝卵石按級(jí)配由大到小依次堆成陶粒，填料層高1100mm，頂部設(shè)保護(hù)高度400mm，在填料層高200、400、600、800、1000mm處分別設(shè)取樣口。兩套UBAF裝置底部均設(shè)有穿孔曝氣管、反洗布?xì)夤、放空管、進(jìn)水及反洗布水管。反應(yīng)器采用上向流形式，廢水由底部進(jìn)入，上部排出畢業(yè)范文。反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖，反沖液由頂部溢流口排放。1號(hào)濾池所用填料為新型尼龍?zhí)盍?尺寸5×5×3mm)，2號(hào)濾池所用填料為生物陶粒(粒徑為4-6mm)，兩濾池的填料層高均為1100mm。
1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)本試驗(yàn)將吳江某印染企業(yè)的深度處理系統(tǒng)中臭氧池的出水靜置停留約30min后，作為試驗(yàn)用水。該企業(yè)廢水COD濃度為800~1100mg/L，經(jīng)過混凝沉淀、水解酸化、好氧生物曝氣、砂濾、臭氧曝氣等工藝處理后，廢水的COD得到有效地降解。本試驗(yàn)用水水質(zhì)如表1所示。
表1原水水質(zhì)
Tab.1Quality of raw wastewater mg·L-1
|
項(xiàng)目 |
COD/ (mg·L-1） |
SS/ (mg·L-1） |
NH4+-N/ (mg·L-1） |
濁度/NTU |
TP/ (mg·L-1） |
|
最小值 |
94 |
286 |
6.6 |
73 |
0.88 |
|
最大值 |
356 |
88 |
12.8 |
160 |
2.46 |
|
平均值 |
212 |
182 |
7.5 |
19.7 |
1.05 |
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)啟動(dòng)采用接種掛膜的方法，低負(fù)荷進(jìn)水，使填料表面生長生物膜，通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量和反沖氣量。用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量和反沖氣量，用浮子流量計(jì)控制水流濾速從而改變水力停留時(shí)間，流速從小于1m/h逐步提高到4m/h。本試驗(yàn)于2010年10月9日—11月26日進(jìn)行，水溫隨室內(nèi)溫度而變化，在試驗(yàn)運(yùn)行期間，環(huán)境溫度在10℃~25℃范圍內(nèi)波動(dòng)。
試驗(yàn)分為2個(gè)階段：①掛膜階段1~19天;②運(yùn)行階段20~54天。
2、試驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1 掛膜
生物膜法的掛膜方式通常有兩種;自然富集培養(yǎng)掛膜和人工接種掛膜[1]
本試驗(yàn)曝氣生物濾池的掛膜啟動(dòng)采用快速排泥接種掛膜法掛膜[2]，即先接種活性污泥后再進(jìn)行連續(xù)流培養(yǎng)的方式。試驗(yàn)所用接種污泥取自該企業(yè)好氧曝氣池出水口的泥水混合液。兩個(gè)裝置中分別加入泥水混合液25L，10g食用淀粉，再加臭氧出水至柱體出水端口。以20L/h的曝氣量連續(xù)悶曝24h后排空，如此重復(fù)2次。第4天采用小流量進(jìn)水，小流量進(jìn)水有利于生長緩慢、世代周期長的硝化菌的生長固定[3]，以濾速為0.64m/h(流量為20L/h)、曝氣量為20L/h運(yùn)行，第7天將濾速提高到0.8m/h(流量為25L/h)、曝氣量增加到35L/h。試驗(yàn)進(jìn)行期間，該污水站污水處理設(shè)施進(jìn)行整修，運(yùn)行設(shè)施不穩(wěn)定，臭氧出水COD較高，在250mg/L左右，且出水中SS、濁度較高，易堵塞配水系統(tǒng)孔洞，造成配水不均勻，同時(shí)，也會(huì)引起填料的堵塞結(jié)板，因此，在試驗(yàn)第4天，在進(jìn)水口加設(shè)一道尼龍濾布層，以減少進(jìn)水SS對(duì)試驗(yàn)的影響，降低反沖洗頻率。
由于陶粒顆粒粒徑較小，密度較大，堆積比較致密，對(duì)空氣氣泡的剪切分配較均勻，而新型填料的尺寸較大，較松散，對(duì)氣泡的剪切分配作用較差陶粒，較多氣泡被截留在填料堆積處，易在反應(yīng)器壁處形成短流現(xiàn)象，在某些氣泡接觸較少的部位，有少量黑色物質(zhì)，估計(jì)是厭氧導(dǎo)致。
兩濾池運(yùn)行至第5天后，肉眼可見反應(yīng)器內(nèi)壁上附著一定量的灰黃色絮體，白色的新型填料上出現(xiàn)一層灰黃色的生物膜，表現(xiàn)十分明顯;陶粒表面也出現(xiàn)灰白色絨狀物。至第7天時(shí)，膜狀物黏附量增多，顏色逐漸加深，變?yōu)闇\黃色，但陶粒表面性狀變化較新型填料延遲2~3天。分析其原因，是因?yàn)樾滦吞盍吓c陶粒的物理性質(zhì)的差異造成的，新型填料內(nèi)外層均富有密集的孔徑，孔隙率較陶粒更大，填料塊間相互連接，更有利于截留、附著微生物，更有利于生物膜的附著和生長。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩濾池自下往上的生物膜的生長都是不均勻的，進(jìn)水處被生物膜覆蓋得多一些，中上層填料裸露的多一些，這是由于沿反應(yīng)器的不同填料層高度上，可降解的基質(zhì)濃度差異造成的生物膜的生長不均。此時(shí)，濾池出水感官指標(biāo)較進(jìn)水有明顯好轉(zhuǎn)，濁度、色度較低，透明度較好。在出水端可以明顯的看出1號(hào)濾池出水中SS較2號(hào)少，出水色度也較2號(hào)更淺一些，這可能是由于新型填料孔徑較陶粒大，且各孔間相互連通，有較多的絲須，截污能力較陶粒有明顯優(yōu)勢(shì)。
從第5天開始對(duì)兩濾池的主要進(jìn)、出水指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)觀察生物相。填料取出后，發(fā)現(xiàn)新型填料從表面到內(nèi)層都有淡黃色黏狀物質(zhì)，陶粒表面也附著一層黃色生物膜。將填料表面的生物膜剝落，在顯微鏡下觀察到發(fā)現(xiàn)，生物膜中有大量絲狀菌，以及鐘蟲、變形蟲等原生動(dòng)物。
2.1.1 掛膜期間對(duì)COD的去除效果
有機(jī)物的去除主要依靠異養(yǎng)性好氧菌來完成，UBAF內(nèi)氣水同向流動(dòng)，延長了氣水接觸時(shí)間，提高了對(duì)氧的利用率，異氧微生物的增殖較為迅速，生物膜的形成及穩(wěn)定過程較快。掛膜階段兩濾池對(duì)COD的去除效果如2所示。
圖2 掛膜期間對(duì)COD的去除效果
Fig.2 Removal of COD during biofilm formation
由圖2可以看出，從試驗(yàn)開始，1號(hào)濾池的COD去除率一直高于2號(hào)濾池20%以上格式范文。運(yùn)行至第9天時(shí)，1號(hào)、2號(hào)濾池的出水COD去除率分別達(dá)到50%以上和35%以上，初步確定掛膜基本完成。自第10天開始陶粒，將濾速提高到0.96m/h(流量為30L/h)、曝氣量增加到50L/h，再運(yùn)行10天以鞏固掛膜效果。當(dāng)運(yùn)行到第14天時(shí)，該廠污水處理站處理設(shè)施恢復(fù)正常，臭氧出水COD降低至150mg/L左右，兩濾池的出水COD均降至70mg/L以下。隨著生物膜的逐漸成熟，兩濾池的處理效果繼續(xù)穩(wěn)步升高，并保持穩(wěn)定，1號(hào)濾池COD平均去除率為66.5%，2號(hào)濾池的COD平均去除率為58.6%，至此，掛膜完成，共歷時(shí)19天。
由兩濾池對(duì)COD去除效果可以看出，達(dá)到相同的COD去除率(大于60%)時(shí)，1號(hào)、2號(hào)濾池所經(jīng)歷的時(shí)間分別為第11天和第15天，1號(hào)濾池較2號(hào)所需時(shí)間更短，這表明新型尼龍?zhí)盍系慕Y(jié)構(gòu)和表面親水性質(zhì)更適合微生物的附著和生長，且生物活性較高，相較于陶粒，更有利于異養(yǎng)菌的生長及基質(zhì)和氧的傳遞，去除效果較好。新型尼龍?zhí)盍陷^陶粒更易于截留微生物，并使附著的微生物生長繁殖，具有掛膜速度快、處理效率高的特點(diǎn)。
2.1.2 掛膜期間對(duì)濁度的去除效果
1、2號(hào)濾池在掛膜期間對(duì)濁度的去除效果見圖3。
圖3 掛膜期間對(duì)濁度的去除效果
Fig.3 Removal of turbidity during biofilmformation
UBAF反應(yīng)器對(duì)濁度的去除主要是靠填料的截留及填料間生物絮體的生物吸附作用[4]。由圖3可知，1、2號(hào)UBAF對(duì)濁度的去除率大于80%所需的時(shí)間分別為6、12天，對(duì)濁度的去除效果與對(duì)COD的去除效果基本同步穩(wěn)定。2號(hào)濾池對(duì)濁度的去除效果在運(yùn)行初期較好，運(yùn)行3天后去除率出現(xiàn)了一定的下降，而隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，去除效果逐漸回升，并趨于穩(wěn)定。其原因主要是在運(yùn)行初期，濾池對(duì)濁度的的去除主要依靠填料的物理截留，起初陶粒的截留能力較強(qiáng)，但隨著時(shí)間的延長，其容量趨于飽和。后來隨著生物膜的逐步成熟，微生物的吸附作用以及反沖洗后填料的納污能力得到恢復(fù)。1號(hào)濾池對(duì)濁度的去除率基本處于上升趨勢(shì)，原因是其填料有較多絲須，孔隙較大，填料布設(shè)不規(guī)則，填料間相互擠壓，因此能有效地防止懸浮雜質(zhì)穿透濾層，能更好的發(fā)揮吸附截留作用，隨著生物膜的成熟，孔隙逐漸減小，處理效果穩(wěn)步上升。
2.2 正常運(yùn)行階段
2.2.1 運(yùn)行期間對(duì)COD的去除效果
隨著填料上生物膜的成熟后，自第16天開始，將進(jìn)水流速提高到1.12m/h(流量為35L/h)、曝氣量增加到70L/h，氣水比2:1，1、2號(hào)濾池的有效停留時(shí)間分別為1.02h和0.69h。測定出水中溶解氧的濃度均為3～4mg/L。運(yùn)行情況見圖4。
圖4 運(yùn)行期間對(duì)COD的去除效果
Fig.4 Removal of COD during operation
從圖4可以看出陶粒，整個(gè)運(yùn)行期間，原水COD變化較小，保持在120mg/L左右，隨著進(jìn)水濾速和曝氣量的提升，COD去除效果并沒有明顯的變化，1、2號(hào)濾池的平均COD去除率分別約為61.9%和54.6%。在該狀態(tài)下運(yùn)行10天后，將曝氣量加大至105L/h，濾速和流量保持不變，氣水比為3:1。如圖4所示，隨著曝氣量的提升，COD去除效果略有提升，1、2號(hào)濾池的平均COD去除率分別約為63.4%和56.5%。測定出水中溶解氧的質(zhì)量濃度均大于4mg/L。這是因?yàn)槠貧饬吭黾，增加了填料和水流之間的擾動(dòng)作用，可沖刷掉部分附著在填料上老化的生物膜，促進(jìn)了生物膜的更新繁殖，同時(shí)，也促使水中的懸浮物不易在填料下部積累，有利于發(fā)揮中上部填料的處理作用，從而部分提高了COD去除率。但由于進(jìn)水中COD較低(120mg/L左右)，異養(yǎng)菌的種群優(yōu)勢(shì)無法得到有效地保證，COD去除率的提高幅度并不大。當(dāng)曝氣量進(jìn)一步加大至140 L/h，氣水比為4:1時(shí)，濾速和流量保持不變的條件下又運(yùn)行10天。COD去除率均有不同程度的下降，1、2號(hào)濾池的COD平均去除率分別為51.1%，47.2%。這因?yàn)槠貧饬刻岣，?duì)填料上生物膜的擾動(dòng)作用過大，打破了填料上新老生物膜更替的平衡;另一方面，高負(fù)荷氣流的沖擊增大了填料間的空隙，擾動(dòng)生物膜，使一部分水未能與微生物充分反應(yīng)就已流走，大的曝氣量同時(shí)使氣泡占據(jù)了更多的濾池空間，縮短了水在濾池內(nèi)的真正停留時(shí)間。
2.2.2 運(yùn)行期間對(duì)濁度的去除效果
圖5 運(yùn)行期間對(duì)濁度的去除效果
Fig.5 Removal of turbidity during operation
從圖5可以看出，運(yùn)行期間，濾池對(duì)濁度的去除情況，基本上和COD的去除狀況相當(dāng)。當(dāng)濾速為1.12m/h，曝氣量為70L/h時(shí)，1號(hào)濾池的出水濁度較掛膜期間略有下降，2號(hào)的出水濁度基本保持不變。1號(hào)濾池在掛膜期間對(duì)濁度的去除率較高，導(dǎo)致填料間累計(jì)的雜質(zhì)較多，隨著濾速和曝氣量的增加，擾動(dòng)沖刷了填料間的雜質(zhì)和老化的生物膜，導(dǎo)致出水濁度有一定的波動(dòng)，濁度去除率略有下降;而2號(hào)濾池在掛膜期間截留的雜質(zhì)相對(duì)較少，濾速和曝氣量的增加，并沒有使沖刷下的雜質(zhì)和生物膜的量增加，出水濁度變化較小。當(dāng)曝氣量增加至105L/h時(shí)陶粒，1、2號(hào)濾池的出水濁度基本保持穩(wěn)定，濁度去除率均略有升高，兩濾池對(duì)濁度的去除率基本一致，保持在85%以上。此時(shí)，填料上微生物的吸附作用及反沖洗后填料納污能力的恢復(fù)使得濾池對(duì)濁度的去除效果再次提高并趨于穩(wěn)定，填料間的生物膜在該狀態(tài)下，生長及老化速度基本保持平衡。當(dāng)曝氣量增加140L/h時(shí)，1、2號(hào)濾池的濁度去除率均有一定程度下降，平均濁度去除率分別為80.2%，77.4%。由于氣泡和水流的擾動(dòng)作用加大，填料間連接的空隙部分被沖開，生物膜老化加速，沖刷掉填料上老化的生物膜，也部分沖刷掉附著的成熟生物膜，導(dǎo)致出水濁度升高。
2.3 運(yùn)行周期
由于原水經(jīng)過尼龍布的截留后，懸浮物濃度已較低，使得濾池截留的雜質(zhì)量相對(duì)較低，加上進(jìn)水中有機(jī)物含量較低、生物膜法的食物鏈較長，因此，系統(tǒng)的產(chǎn)泥量很低。1號(hào)濾池新型尼龍?zhí)盍祥g堆積較緊密，對(duì)懸浮物的截留量較大，為保持填料表面的高生物活性，防止填料板結(jié)。因此，運(yùn)行2-3天后，需要進(jìn)行反沖洗，相對(duì)于陶粒，新型尼龍?zhí)盍细菀捉亓暨^量的SS而導(dǎo)致微孔被堵塞，因此，其反洗周期較陶粒短，反洗的頻率高一些，由于新型尼龍?zhí)盍厦芏容^小，容易被水沖開，反洗強(qiáng)度較陶粒小一些，兩濾池均采用氣、水聯(lián)合反沖洗，1號(hào)濾池的反洗情況為氣洗2min，強(qiáng)度為6-8L·m-2·S-1;水洗3min，強(qiáng)度為2-4L·m-2·S-1;水漂洗5min，強(qiáng)度為2L·m-2·S-1;2號(hào)濾池的反洗情況為氣洗5min，強(qiáng)度為8-12 L·m-2·S-1;水洗5min，強(qiáng)度為3-5L·m-2·S-1;水漂洗5min，強(qiáng)度為2L·m-2·S-1。
3、結(jié)論
(1)新型尼龍?zhí)盍蠏炷た，比陶粒掛膜縮短了約5天。掛膜成功后，兩濾池對(duì)COD和濁度均有較穩(wěn)定的去除效果，1號(hào)、2號(hào)濾池對(duì)COD的去除率分別達(dá)到65%、60%左右，對(duì)濁度的去除率均達(dá)到85%以上。
(2)在進(jìn)水流量為35L/h時(shí)，一定程度提高曝氣量有利于COD和濁度的去除陶粒，在氣水比為3:1時(shí)，兩濾池對(duì)COD的去除率達(dá)到最高，分別為63%、56%，對(duì)濁度的去除率穩(wěn)定在85%以上。
(3)當(dāng)氣水比為4;1時(shí)，兩濾池對(duì)COD的去除率逐漸下降，分別為51%、47%，對(duì)濁度的去除率也降為80%和77%。過量曝氣不僅造成能源浪費(fèi)，且不利于有機(jī)物與生物膜的接觸，易導(dǎo)致微生物和填料的流失，降低處理效率。
(4)由于新型尼龍?zhí)盍峡紫遁^大，易截留過量的懸浮物而導(dǎo)致微孔被堵塞，因此，其反洗的頻率較高，反洗的周期較短;由于新型尼龍?zhí)盍厦芏容^小，易被沖開，反洗時(shí)間和強(qiáng)度均較陶粒少一些。
(5)由于新型尼龍?zhí)盍峡紫堵瘦^高，孔徑較均勻，孔間相互連通，表面具有親水特性，相較于陶粒更易于掛膜，更有利于異養(yǎng)菌的生長。在相同操作條件下，對(duì)COD和濁度的去除率優(yōu)于陶粒，具有處理效率高、反沖強(qiáng)度小等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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