氨氮廢水處理曝氣生物濾池多孔釋碳填料的應(yīng)用

　　曝氣生物濾池(BAF)是在普通生物濾池的基礎(chǔ)上借鑒給水濾池工藝開發(fā)的污水處理新工藝，填料是BAF工藝的核心組成部分。目前研究較多的BAF填料主要有活性炭、沸石等天然硅酸鹽礦物質(zhì)、以粉煤灰和黏土為主要原料燒制的球形輕質(zhì)多孔生物陶粒以及由多種填料組合而成的復(fù)合填料等。我國(guó)對(duì)BAF填料的研究以陶粒為主，早期的陶粒大多直接燒制、破碎、篩分而成，為片狀等不規(guī)則形狀，具有碳源不足、釋碳不穩(wěn)定等問(wèn)題，嚴(yán)重影響B(tài)AF生物脫氮效果。

　　緩釋碳源是近年研發(fā)的新型技術(shù)，能穩(wěn)定可持續(xù)地釋放碳源提供給反硝化過(guò)程，提高氮磷去除效果。蘭善紅等用粉煤灰作為主要原料制備多微孔BAF填料，使得TN的去除率大大提高。閆續(xù)等制備的兩種包埋淀粉的聚乙烯醇(PVA)釋碳材料和海藻酸鈉(SA)釋碳材料，PAV材料單位質(zhì)量釋放的飽和COD達(dá)到99.60mg/(g?L)。鐘麗燕等以自制新型緩釋碳源、海綿鐵和活性炭作為反硝化生物濾池的復(fù)合填料，獲得較高的TN、TP去除率。

　　本研究以沸石、生物質(zhì)廢料(核桃殼)為原料，水泥作為黏合劑制備新型多孔釋碳填料，并以此填料搭建BAF反應(yīng)器，通過(guò)一段時(shí)間的活性污泥培養(yǎng)馴化后處理氨氮廢水?？疾炝嗽吓浔葘?duì)填料釋碳性能的影響，同時(shí)調(diào)整BAF的運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到最好的脫氮效果。

　　1、材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)材料

　　活性污泥為西安某污水處理廠終沉池的回流污泥，傾去上清液，馴化培養(yǎng);核桃殼購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，用自來(lái)水洗去雜質(zhì)，去瓤留殼后破碎，分別過(guò)4、6mm篩，取粒徑4～6mm的部分用去離子水浸泡，除去浮于水中的殘余核桃瓤和果皮，重復(fù)多次，以確保所得核桃殼形狀、尺寸以及密度的均一性，然后在105℃下烘干備用;沸石粉、水泥粉均為商業(yè)普通型號(hào)。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　本次試驗(yàn)裝置主要由玻璃柱(直徑9cm，高度110cm)、蠕動(dòng)泵、曝氣裝置、進(jìn)水箱等組成，BAF總?cè)莘e6L，有效容積5L。試驗(yàn)用水從進(jìn)水箱通過(guò)蠕動(dòng)泵打入濾池底部，氣水均自下而上通入BAF，處理后的廢水從頂端流出。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　1.3.1 填料制備

　　根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將沸石、水泥、核桃殼干粉按一定配比攪拌10min，加入一定水使其充分混合，壓制成粒徑為8mm的小球;將制備的小球在自然條件下養(yǎng)護(hù)12d制備成多孔釋碳沸石復(fù)合填料(WZ填料);隨機(jī)抽取尺寸均勻球狀WZ填料，用AI-7000-NGD型多功能高低溫控制試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其能承受的最大抗壓強(qiáng)度。

　　1.3.2 WZ填料靜態(tài)釋碳試驗(yàn)

　　稱取50gWZ填料置于1L錐形瓶中，加入純水后密閉?？刂茰囟仍?25±1)℃、pH為7.4～7.7，分別在一定時(shí)間內(nèi)取樣并測(cè)定水樣中的COD，建立WZ填料的釋碳曲線，考察其釋碳性能。

　　1.3.3 BAF的構(gòu)建及運(yùn)行啟動(dòng)

　　利用WZ填料裝填搭建BAF，連續(xù)通入模擬廢水，控制曝氣量為9L/h、水力停留時(shí)間(HRT)為12h、進(jìn)水量為0.148L/h連續(xù)運(yùn)行14d進(jìn)行BAF的掛膜，每天定時(shí)取樣測(cè)定BAF中的COD、氨氮質(zhì)量濃度并計(jì)算去除率。為考察WZ填料作為緩釋碳源對(duì)BAF反硝化脫氮效果的影響，在BAF掛膜成功后，連續(xù)通入不加碳源的模擬廢水(進(jìn)水COD質(zhì)量濃度降為0mg/L)，在HRT為12h，曝氣量為9L/h的條件下連續(xù)運(yùn)行14d，定時(shí)監(jiān)測(cè)COD及硝態(tài)氮濃度，考察WZ填料作為緩釋碳源的反硝化脫氮性能。在反硝化運(yùn)行良好之后，連續(xù)通入模擬廢水，考察HRT(8、12、24h)、氨氮初始質(zhì)量濃度(30、40、50mg/L)對(duì)COD、氨氮處理效果的影響，得到最佳工藝運(yùn)行參數(shù)。

　　掛膜啟動(dòng)模擬廢水水質(zhì)見(jiàn)表1

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1 WZ填料配比優(yōu)化

　　前期實(shí)驗(yàn)表明，填料抗壓強(qiáng)度低于40N時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中容易坍塌，造成曝氣頭堵塞，為保證填料長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不破損，需保證其抗壓強(qiáng)度大于40N。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，核桃殼添加量越大，WZ填料抗壓強(qiáng)度越小，當(dāng)核桃殼∶沸石(質(zhì)量比)由0.01增致0.03時(shí)，制得的WZ填料抗壓強(qiáng)度由50N左右迅速下降至不足25N;同時(shí)，WZ填料抗壓強(qiáng)度隨水泥添加量的增大而增大，水泥∶沸石(質(zhì)量比)由0.2增大到0.4時(shí)，制得的WZ填料抗壓強(qiáng)度從18N增加到95N。為保證抗壓強(qiáng)度的前提下盡量提高核桃殼添加量，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到WZ填料的最佳材料配比(質(zhì)量比)為沸石∶核桃殼∶水泥為1.00∶0.02∶0.30，制得的成品WZ填料見(jiàn)圖2。

　　2.2 WZ填料的性質(zhì)

　　2.2.1 理化性質(zhì)

　　對(duì)核桃殼、WZ填料及陶粒的基本理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

　　由表2可以看出，WZ填料的比表面積、表觀密度均大于核桃殼和陶粒填料;一般而言，填料比表面積越大對(duì)微生物的附著越有利，可使BAF內(nèi)保持較高的生物量。WZ填料具有較大的空隙率，可以保證曝氣均勻性，作為BAF的新型填料，比傳統(tǒng)填料更具有優(yōu)勢(shì)。

　　2.2.2 靜態(tài)釋碳性能

　　WZ填料小球靜態(tài)釋碳性能如圖3所示。

　　由圖3可見(jiàn)，WZ填料在4d內(nèi)釋碳量(以COD質(zhì)量濃度計(jì)，下同)迅速增加到84mg/L，在長(zhǎng)達(dá)20d的試驗(yàn)過(guò)程中，其釋碳量一直平穩(wěn)地保持在80mg/L左右，最高可達(dá)112mg/L。核桃殼在連續(xù)17d的釋碳試驗(yàn)中，其釋碳量最高可達(dá)150mg/L，平均釋碳量在70mg/L左右，運(yùn)行過(guò)程中核桃殼存在破損現(xiàn)象。與其相比本試驗(yàn)的WZ填料釋碳過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，釋碳量更大，且在保證釋碳量的前提下，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有破損現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)靜態(tài)釋碳性能研究，可知WZ填料適合作為具有支撐作用的固體碳源，以減少BAF外加碳源的投放。

　　2.3 BAF的啟動(dòng)運(yùn)行

　　WZ填料掛膜啟動(dòng)期間，BAF中COD、氨氮濃度及去除率變化見(jiàn)圖4。

　　從圖4可以看出，在BAF掛膜啟動(dòng)前期污染物去除效果相對(duì)較差，氨氮去除率在30%左右波動(dòng)，COD去除率在70%左右波動(dòng)。這是由于前期生物膜沒(méi)有形成，異養(yǎng)菌對(duì)自養(yǎng)硝化菌的生長(zhǎng)、繁殖產(chǎn)生了抑制作用，硝化菌的功能尚未體現(xiàn)，前期氨氮的去除主要是通過(guò)WZ填料的吸附作用實(shí)現(xiàn)，因此氨氮去除率較低。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，BAF內(nèi)氨氮濃度逐漸下降，氨氮去除率迅速增加到90%以上，說(shuō)明硝化菌開始逐漸適應(yīng)BAF內(nèi)的環(huán)境，異養(yǎng)菌對(duì)硝化菌的抑制作用開始緩和，硝化菌開始大量生長(zhǎng)、繁殖，在硝化和填料吸附共同作用下氨氮的去除率提高。在BAF運(yùn)行第5～6天時(shí)，COD、氨氮去除率均有明顯下降，這是因?yàn)锽AF運(yùn)行前期，模擬廢水中微生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為充分，導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)增殖過(guò)快，生物膜厚度增加，整個(gè)反應(yīng)器底部堵塞，從而導(dǎo)致出水效果變差。隨即對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了反沖洗，沖洗掉表面死亡脫落的微生物，COD處理效果逐漸回升。運(yùn)行14d后，BAF內(nèi)COD在208～320mg/L波動(dòng)，氨氮在21～53mg/L波動(dòng)，而COD和氨氮的去除率分別穩(wěn)定在80%、95%左右，說(shuō)明BAF的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，這主要源于WZ填料的比表面積大，其單位表面積上負(fù)載的生物量高所致，此時(shí)認(rèn)為掛膜啟動(dòng)成功，相同條件下，以核桃殼、陶粒為BAF填料時(shí)，掛膜啟動(dòng)時(shí)間分別為27、30d[14]，可見(jiàn)，本研究制得的緩釋碳源WZ填料可以顯著縮短BAF的掛膜啟動(dòng)時(shí)間。

　　2.4 WZ填料動(dòng)態(tài)脫氮性能

　　BAF掛膜啟動(dòng)成功后，通入無(wú)外加碳源的模擬廢水連續(xù)運(yùn)行14d，每天測(cè)定BAF內(nèi)COD及硝態(tài)氮變化，計(jì)算硝態(tài)氮去除率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

　　從圖5可以看出，連續(xù)運(yùn)行期間，BAF內(nèi)硝態(tài)氮在31.76～40.38mg/L波動(dòng)，試驗(yàn)前10天，硝態(tài)氮去除率逐步上升，由50%上升至95%以上，第11～14天，硝態(tài)氮去除率穩(wěn)定在100%，BAF平均反硝化速率為2.72mg/(L?h)。BAF內(nèi)COD前期波動(dòng)較小，后期波動(dòng)較大，在整個(gè)試驗(yàn)期間COD平均值為29mg/L。在反硝化過(guò)程中，需要一定量有機(jī)物作為還原硝酸鹽的電子供體，若有機(jī)物量不足，會(huì)因電子供體不足造成反應(yīng)進(jìn)行不完全，而WZ填料中含有的核桃殼粉末可以持續(xù)穩(wěn)定地為反硝化提供碳源，使得硝態(tài)氮去除率維持在較高水平。由試驗(yàn)結(jié)果可知，WZ填料釋碳穩(wěn)定，BAF反硝化過(guò)程進(jìn)行得較為徹底，將WZ填料作為BAF反硝化的緩釋碳源是可行的。

　　2.5 BAF反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

　　2.5.1 HRT對(duì)BAF運(yùn)行的影響

　　在進(jìn)水pH為6.0～7.5、COD為300mg/L、氨氮為30mg/L的條件下，考察HRT分別為8、12、24h時(shí)，BAF對(duì)COD、氨氮的去除效果，結(jié)果如圖6所示。

　　由圖6可見(jiàn)，隨著HRT從8h增至24h時(shí)，氨氮平均去除率由53%增加到95%，COD平均去除率從72%升高到76%，相比而言，氨氮去除率增幅更加明顯，這是因?yàn)殡S著HRT增加，微生物與底物的接觸時(shí)間增長(zhǎng)，污染物的處理效率提高;同時(shí)較小的進(jìn)水流速也減少了濾層之間的過(guò)流速度和水力剪切力，使生物膜不容易脫落，有助于污染物去除率的提高。HRT的變化對(duì)COD和氨氮去除率的影響存在一定差異，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中存在的異養(yǎng)菌及硝化菌具有不同的生理特性，從而導(dǎo)致BAF對(duì)COD和氨氮表現(xiàn)出不同的抗沖擊負(fù)荷能力。硝化菌由于比增長(zhǎng)速率相對(duì)較小，使其在生存競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，從而更容易受到?jīng)_擊負(fù)荷等環(huán)境條件的影響，因此HRT較低時(shí)，有機(jī)負(fù)荷同時(shí)大幅升高，異養(yǎng)菌大量繁殖的同時(shí)擠壓了硝化菌的生存空間，使得脫氮效果偏低。

　　2.5.2 氨氮濃度對(duì)BAF運(yùn)行的影響

　　在進(jìn)水pH為6.0～7.5、COD為300mg/L時(shí)，控制HRT為24h，調(diào)節(jié)模擬廢水中氨氮質(zhì)量濃度分別為30、40、50mg/L，考察BAF對(duì)COD、氨氮的去除效果，結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7可見(jiàn)，在3種初始氨氮濃度下，BAF對(duì)模擬廢水保持了較好的處理效果，穩(wěn)定運(yùn)行期間氨氮平均去除率達(dá)95%以上，COD平均去除率達(dá)76%左右。在運(yùn)行第7～8天時(shí)，COD及氨氮去除率突然迅速下降，這是由于BAF底部發(fā)生了堵塞，進(jìn)行反沖洗后，BAF在短時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)到正常水平?？梢?jiàn)，BAF對(duì)進(jìn)水氨氮濃度的適應(yīng)范圍較廣。

　　2.5.3 WZ填料掛膜前后掃描電鏡(SEM)觀察

　　WZ填料掛膜前后形貌觀測(cè)結(jié)果如圖8所示。

　　從圖8可以看出，掛膜前WZ填料外表面相對(duì)粗糙，掛膜后WZ填料表面的多孔結(jié)構(gòu)更加明顯，孔隙間貫通性強(qiáng)，這是由于填料表面的有機(jī)碳被微生物作為反硝化碳源利用分解，使表面微孔結(jié)構(gòu)明顯增加，也更有利于掛膜啟動(dòng)，不僅縮短了掛膜時(shí)間，且更加有利于微生物在填料表面附著。經(jīng)觀測(cè)分析，WZ填料表面及內(nèi)部附著的微生物包括藻類、絲狀及梭狀桿菌。其中桿菌與反硝化菌形態(tài)相似，而梭狀桿菌能在厭氧條件下將碳水化合物降解為乙酸、丙酮等，進(jìn)一步促進(jìn)反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。WZ填料基本形態(tài)穩(wěn)定持久，未發(fā)現(xiàn)因微生物水解出現(xiàn)的破損現(xiàn)象，有利于反應(yīng)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3、結(jié)論

　　(1)WZ填料制備時(shí)沸石∶核桃殼∶水泥的最佳配比(質(zhì)量比)為1.00∶0.02∶0.30，制得的WZ填料釋碳量高且持久性強(qiáng)，可以作為一種新型釋碳填料使用。在動(dòng)態(tài)釋碳脫氮的過(guò)程中，平均反硝化速率為2.72mg/(L?h)，硝態(tài)氮去除率達(dá)到了100%，反硝化效果比較徹底。

　　(2)BAF中，WZ填料在14d內(nèi)掛膜成功，有效縮短掛膜啟動(dòng)時(shí)間，延長(zhǎng)HRT有助于提升BAF對(duì)污染物的去除效果，當(dāng)HRT由8h提高到24h，COD去除率由72%提高到76%，氨氮去除率由53%提高到95%。BAF對(duì)進(jìn)水氨氮濃度適應(yīng)范圍較廣，在進(jìn)水氨氮為30～50mg/L時(shí)，BAF在穩(wěn)定運(yùn)行期間對(duì)氨氮平均去除率達(dá)95%以上，COD平均去除率達(dá)76%左右。

　　(3)WZ填料掛膜前后的SEM觀察結(jié)果表明，填料外表面粗糙，掛膜后內(nèi)部孔隙間貫通性增強(qiáng)，便于微生物附著以及進(jìn)入填料內(nèi)部生長(zhǎng)，WZ填料基本形態(tài)穩(wěn)定持久，未發(fā)現(xiàn)因微生物水解出現(xiàn)的破損現(xiàn)象，有利于反應(yīng)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。(來(lái)源：陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)