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    新型ASBR-TFBF工藝的脫氮效能

     我國目前面臨著嚴重的環境問題,水體富營養化是其中重要的問題之一,氮是引發水體富營養化的重要因子,而傳統污水處理的運行成本(如曝氣等)居高不下也在一定程度上限制了某些區域污水處理廠的普及。因此在經濟節能的前提下完成污水中有機物和總氮的去除成為了當前研究的熱點。

    潮汐流人工濕地是一種新型人工濕地,其運行方式包括進水-反應-排空-閑置4個階段,在該運行模式下周期性的復氧,能有效促進污染物質的去除。其原理是利用運行過程中床體飽和浸潤面瞬間變化產生的基質孔隙水吸力將大氣氧強迫吸入床體,從而提高濕地床的氧傳輸量和氧氣有效利用率,實現并強化對污染物質的去除。

    關于曝氣生物濾池(BAF)的研究也廣泛地存在于國內外,由于硝化菌的增長速率較慢以及異養菌與其競爭生存空間和溶解氧,因此該工藝也存在著有機碳嚴重限制硝化細菌進行生化反應的問題,另外其曝氣運行費用過高,也限制了其應用。

    SBR工藝是通過在時間上的交替來實現傳統活性污泥法的整個運行過程,在流程上只有一個基本單元,將調節池、曝氣池和二沉池的功能集于一體,進行水質水量調節、微生物降解有機物和固液分離等。其運行過程為:進水-曝氣-沉淀-排水-閑置,其運行過程中仍需曝氣,從而產生經濟費用。

    研究中采用新型缺氧SBR即ASBR和潮汐流生物濾池即TFBF組合工藝。該組合工藝吸納了潮汐流人工濕地的優點,將其運用到了生物濾池中,在底部設置曝氣盤,以便定時對反應器進行反沖洗,防止其堵塞。同時,組合工藝運行過程中采用前置ASBR和后置TFBF將硝化和反硝化的功能區分開,在ASBR中實現缺氧反硝化的同時消耗掉大部分有機物,從而使得在后續的TFBF反應器中異養好氧菌與自養硝化菌競爭時競爭力下降,實現好氧硝化。對TFBF出水回流液進入ASBR反應器中的比例進行改變,從而優化出污染物去除率較高的最佳回流比,同時為了更深入地了解該新型反應器的脫氮性能,對各個回流比下ASBR和TFBF反應器周期內污染物變化進行了研究。

    1材料與方法

    1.1實驗裝置及運行方法
    實驗在西安市某高校污水處理廠實驗室里開展,ASBR反應器為長30cm,寬20cm,高40cm的長方體容器,除去超高,有效容積約18L,反應時采用反應器底部微型潛水泵進行混勻攪拌;TFBF反應器采用直徑15cm,高1.5m的有機玻璃圓柱體,除去超高和底部空間,有效容積23L,底部設有曝氣盤,自下而上依次填充15mm、8~10mm的火山巖濾料,填充高度分別為30、100cm,孔隙率為51.5%,故實際容水體積約為12L,工藝流程如圖1所示。

    污水由原水桶首先進入ASBR反應器,反應之后排入ASBR出水桶中,并經水泵注入TFBF反應器中,TFBF出水部分回流至ASBR反應器中,其余排出,ASBR與TFBF反應器每日均運行6周期,每周期4h。ASBR單周期各階段運行時間分別為進水5min,反應180min,靜置30min,排水5min,空置25min;TFBF分別為空置50min,進水5min,反應180min,排水5min。

    1.2實驗水質及監測方法
    研究中的原污水采用西安某高校生活污水,主要的水質指標:COD(181.32±21.15)mg/L,NH4+-N(30.36±2.12)mg/L,NO3--N(2.19±0.37)mg/L,TN(34.87±1.91)mg/L。在實驗期間水溫介于12~19.8℃。監測方法參考了《水和廢水監測分析方法》第4版,COD采用回流法,NH4+-N用納氏試劑分光光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,DO采用WTWMulti3410便攜式儀器測定。

    2結果與分析
    不同回流比下(圖中豎線分開的區域從左至右回流比依次為50%、100%、200%、300%)污染物在ASBR-TFBF工藝中的去除曲線如圖2所示。

    由圖2可見,TFBF反應器中NH4+-N去除效果與進水NH4+-N濃度呈負相關,其原因主要是由于潮汐作用吸收進反應器的溶解氧有限,而進水NH4+-N過高時TFBF反應器中的氧氣供給不足,從而導致NH4+-N出水濃度高;隨著回流比的加大,ASBR反應器出水中NH4+-N隨回流比的增大而減少,這主要是由于回流液稀釋作用所致。

    而NO3--N濃度呈逐漸升高的趨勢,這主要是由于隨著回流比的加大,反應器中的COD濃度較低造成碳源不足而影響到反硝化作用。

    出水TN隨回流比增加而呈減少的趨勢,從TN變化曲線中也可看出其在TFBF反應器中有所減少,這主要是TFBF反應器中的生物膜中形成局部的缺氧環境中存在反硝化作用,但由于其進水COD較低,因此TN去除量很。3~4mg/L)。

    ASBR反應器出水COD隨著回流比增大逐漸降低,而TFBF反應器出水COD基本不隨回流比變化,其值較為穩定,基本在25mg/L左右,從而說明其抗沖擊負荷能力較強。

    不同回流比條件下的NH4+-N、TN、COD去除率如圖3所示。

    由圖3可見,NH4+-N去除率在各個回流比下依次為54.37%±1.74%、73.61%±2.96%、83.72%±2.23%、84.06%±1.57%,這主要是由于進水濃度過高時NH4+-N的氧化受到限制,不能被完全氧化〔2〕。

    TN去除率在各個回流比下依次為35.76%±2.89%、50.74%±2.56%、61.55%±3.04%、59.49%±2.33%,隨著回流比從50%~200%變化時,其去除率呈上升趨勢,YongzhiChen等〔3〕在研究A2/O-BAF組合工藝時,在控制回流比為100%~400%時,TN去除率呈上升趨勢,但是筆者研究中發現在回流比增至300%時去除率較回流比為200%時略有下降,這主要是由于在回流比為300%時,ASBR反應器中的COD濃度過低,從而導致反硝化作用較差,出水NO3--N過高,而NO3--N占了出水TN的55%左右,因此TN去除率有所下降。

    從圖中還可看出NH4+-N和TN的去除率隨回流比變化趨勢基本一致。COD去除率基本穩定于85%左右,這主要是由于TFBF反應器出水COD較為穩定所致?傮w而言在回流比為200%時各項污染物的去除效果達到最優。

    ASBR反應器的不同回流比條件下單周期內污染物變化的實驗結果如圖4所示。

    圖4可見,在回流比為50%、100%、200%、300%下,其t=0時刻的COD分別為112、102、88、78mg/L左右,回流比為50%時,在100min后COD和NO3--N濃度基本穩定,在回流比為100%~300%時COD和NO3--N濃度在120min后才趨于穩定,這說明在ASBR反應器中反硝化作用與初始COD相關。而氨氮濃度在ASBR中的整個周期反應過程中無明顯變化,隨著回流比加大,t=0時刻的NO3--N濃度呈上升趨勢,其出水濃度也呈上升趨勢,這主要是由于隨著回流比的增大,反應器中碳源不足所導致的反硝化作用進行不完全所致。

    不同回流比條件下TFBF反應器中周期內污染物變化實驗結果如圖5所示。

    由圖5可見,在進水NH4+-N濃度隨著回流比增加而降低的條件下,該反應器中NH4+-N去除效果呈上升趨勢。在圖中可以看出NH4+-N去除量與NO3--N生成量并不平衡,很多研究發現人工濕地對污水中NH4+-N的去除量與NO3--N和NO2--N的生成量不能平衡,而對NH4+-N去除的主要途徑眾說不一,如D.Austin等〔4〕提出在接觸時NH4+-N吸附在帶負電的濾料介質中,在空置時與氧氣接觸進行硝化作用,而在筆者研究中也發現類似的現象,另外在TFBF反應器中可能存在局部反硝化作用,同時發現在回流比為50%時,t=0時刻NO3--N>2mg/L,而其進水NO3--N<1mg/L,這說明在TFBF反應器空置時對濾料上吸附的部分NH4+-N進行了硝化作用,在剛進水后便有部分硝化后的NO3--N溶進水中,從而導致t=0時刻NO3--N濃度便比其進水中濃度有所上升,但隨著回流比的增大,這種現象呈減弱趨勢,如在回流比300%,t=0時刻的NO3--N為2.5mg/L左右,與其進水中的濃度基本一致。從這一現象可以看出不同的進水NH4+-N濃度也會影響濾料對其吸附量,如在回流比50%時,進水NH4+-N處于22mg/L左右,所以NH4+-N的去除分為充水時硝化、吸附+空置時硝化兩部分,而回流比為300%時所對應的進水NH4+-N約為12mg/L,在此條件下的吸附作用可能不強,從而使得空置硝化作用就相對較弱,另有學者研究表明通過硝化作用,濾料的吸附能力可以再生。

    DO濃度沿時逐漸降低,同時NH4+-N濃度也逐漸降低,在充水后,反應器中由潮汐作用吸入的氧氣以氣泡形式截留于濾料空隙中,在硝化反應的過程中能向水中提供部分DO。Y.S.Hu等在研究潮汐流人工濕地的過程中發現空置時間由10min增至120min時NH4+-N去除明顯增加,由此說明潮汐流人工濕地空置時所發生的硝化作用很重要,在筆者研究中每個周期中TFBF反應器的空置時間均為50min,在下一步的研究中可以探討在不同空置時間下的NH4+-N去除效果。

    3結論
    (1)通過改變回流比對新型ASBR-TFBF工藝脫氮性能進行優化,在完全未曝氣且回流比為200%的條件下,新型ASBR-TFBF工藝對西安某高校生活污水的處理中對NH4+-N、COD、TN的去除率分別能達到84%、86%、61%。

    (2)在原水中COD、NH4+-N、TN分別為(181.32±21.15)mg/L、(30.36±2.12)mg/L、(34.87±1.91)mg/L的條件下,回流比分別為50%、100%、200%時NH4+-N和TN去除率隨回流比增大而增大,而出水NO3--N濃度略有上升,在回流比為300%時TN去除率略有下降;COD去除率基本不隨回流比變化而變化,穩定于85%左右,其出水COD在25mg/L左右。

    (3)各個回流比周期內污染物變化實驗結果表明:TFBF對NH4+-N的去除可能由充水硝化、吸附+空置硝化兩部分構成,且其作用受進水NH4+-N濃度影響,在回流比增大時(即進水NH4+-N濃度降低)其空置硝化作用有減弱趨勢。

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