污水厂聚合氯化铝处理尾水MBBR反硝化深度脱氮填料比较

污水厂聚合氯化铝处理尾水MBBR反硝化深度脱氮填料比较1引言国内外在解决城市缺水问题时，会将污水厂聚合氯化铝处理后的尾水作为二次水源回用于城市内河和作为地下水源的补充水(Asano，2002;Bixioetal.,2006;杨沙沙，2012).城市内河多为城市的纳污河，多数执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)IV类(TN1.5mg·L-1)和V类(TN2.0mg·L-1)标准.但污水厂排水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准，TN排放限值为15mg·L-1，远远不能满足城市内河IV类和V类标准及地下水源补充水的要求.因此，当污水厂尾水作为城市内河和地下水源补充水时，亟需对其TN进行深度处理以提供高再生水品质.GB18918—2002中NH4+-N和TN的一级A标准排放限值分别为5mg·L-1和15mg·L-1，二者相差10mg·L-1，表明硝态氮是污水厂尾水中氮的主要形态(刘成等，2011;刘秀红等，2013)，成为TN深度处理的重点.近年来，污水厂尾水深度处理工艺发展迅速，主要有曝气生物滤池(肖云，2012)、超滤及其组合工艺(薛博，2013)、接触过滤/磁性树脂工艺(刘成等，2011)、MBBR(MovingBedBiofilmReactor)工艺(Labelleetal.,2005;Odegaard，2006)等，其中，MBBR工艺因具有脱氮性能高、抗冲击负荷强、运行简单、管理方便等优势逐渐成为脱氮工艺研究的热点(余建恒等，2009)，并广泛应用于生活污水脱氮(Adabju，2013).挪威3个MBBR污水厂的运行数据显示，11℃时硝化速率高达1.2g·m-2·d-1(以NH4+-N计)，反硝化速率达3.5g·m-2·d-1(以NO3--Nequiv.计)(Odegaard，2006).Labelle等(2005)以聚乙烯为填料，利用反硝化MBBR处理海水中的硝氮，反硝化速率达(17.7±1.4)g·m-2·d-1(以N计).Rusten等(1995)对比研究了MBBR前置和后置的反硝化效果，发现后置反硝化对COD和TN的去除效果更好，去除率分别达到80%和90%.王庆等(2012)采用厌氧MBBR-好氧MBR工艺处理高氨氮PU合成革废水，在进水NH4+-N浓度小于40mg·L-1和TN浓度为150~300mg·L-1条件下，出水浓度分别低于8mg·L-1和15mg·L-1.在MBBR应用中，填料的选择尤为重要，要求填料具有机械强度高、耐磨耐腐蚀、密度稍小于水，当挂上生物膜后密度与水相当，可以悬浮于水中，以及比表面积大、表面粗糙、利于微生物附着等特点.国内外研究者多采用聚乙烯(Labelleetal.,2005;Stinsonetal.,2009;丁晶静，2012)、聚丙烯(Duplaetal.,2006;张忠华等，2012)、聚氨酯泡沫体(郭静波等，2008;Chuetal.,2011)和陶粒(魏臻等，2011)等作为MBBR填料处理工业废水、生活污水和海水等，并实现了工程化应用.国内外各研究和工程应用中，MBBR多用于处理高浓度废水(王庆等，2012;Odegaard，2006)，应用于污水深度处理的研究较少，并且低负荷下，填料的选择也会影响生物膜的活性，何种填料适合污水厂尾水的脱氮也是亟需解决的问题.因此，为解决污水厂一级A尾水作为缺水城市内河补充水和地下水源补充水TN难于达标的问题，针对城市污水厂一级A排水中NO3--N含量高(约60%)的特点.本研究拟采用MBBR对污水厂一级A排水中的NO3--N进行深度处理，并对MBBR填料种类进行比较研究，达到高效去除NO3--N、提高TN去除率的目的，为污水厂尾水回用于城市内河和作为地下水源补充水提供理论依据.2材料与方法2.1试验装置MBBR反硝化反应器为有机玻璃制成的圆柱体，内径120mm，高500mm，反应器底部为锥形(0.38L)，反应器总体积6.03L，有效体积5.65L，工艺流程如图1所示，4套工艺装置同时运行.采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯泡沫和陶粒4种填料进行MBBR脱氮对比试验，填料的参数如表1所示.图1MBBR反硝化装置图表1填料参数2.2试验设计和运行条件试验分为两个阶段，反应器启动驯化阶段(1~33d)和稳定运行阶段(34~52d).稳定运行阶段对比4种填料下MBBR对NO3--N、TN和有机污染物的去除效能，筛选出最优填料.运行条件：反应器温度用加热棒控制为24~26℃;4个MBBR反应器采用蠕动泵(BT100-1L)连续进排水方式运行，HRT为12h，填料填充率为30%，搅拌速率控制在30r·min-1;以甲醇作为补充碳源，投加量为25.5mg·L-1，COD/N比为3~6.2.3污泥接种和进水水质反应器接种污泥取自北京市某水厂卡鲁塞尔3000氧化沟的缺氧段，接种污泥MLSS为7000mg·L-1，MLVSS为3549mg·L-1，MLVSS/MLSS为0.507，SV为66%、SVI为94mL·g-1.接种污泥投加量为2L，并加入4L污水.试验进水为某水厂二沉池出水，其水质如表2所示.表2进水水质2.4主要仪器与分析方法试验中测定的水质指标、所用仪器和分析方法如表3所示.水样经0.45μm滤膜过滤，测定TN、NO2--N、NO3--N和三维荧光.试验中，每2d取样1次并测定，测定指标为进出水的pH、温度、COD、NH4+-N、NO2--N和NO3--N和TN浓度.分析测试所用药剂均为化学分析纯试剂.表3分析方法和主要仪器2.5填料生物量测定和SEM观察生物量测定：稳定运行阶段，取一定量的生物填料浸没于20mL1mol·L-1的NaOH溶液中，80℃水浴30min，100W超声1min，涡旋振荡30s，测定溶液中SS(Liu，1997).SEM观察：稳定阶段取适量挂膜填料，从填料上剪下约5mm×5mm的带有生物膜的小块，经过戊二醛固定、磷酸缓冲液清洗、乙醇梯度脱水等预处理后进行临界点干燥和离子溅射金(谢家仪等，2005)，最后进行扫描电镜观察.3结果与讨论3.1不同填料下MBBR中NO3--N去除效能比较城市污水厂尾水中NO3--N去除情况是考察不同填料MBBR运行效果的重要指标，不同填料下MBBR的NO3--N去除效能如图2所示.由图2可知，在启动阶段，各MBBR反应器的NO3--N去除率随进水NO3--N浓度的变化而变化，尚不稳定，进水NO3--N浓度为6.2~12.4mg·L-1时，聚乙烯、聚丙烯和陶粒填料MBBR的NO3--N平均去除率均较低，在30%~40%之间;而聚氨酯泡沫体填料的NO3--N去除率较高，为29.3%~76.9%，平均为54.4%.这可能是因为聚氨酯泡沫体比表面积较大(2000m2·m-3)，内部网络结构有利于微生物的附着(郭静波等，2008)，生物量高于其他填料，因此，在启动阶段表现出较好的NO3--N去除能力.图2聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯泡沫体和陶粒MBBR对NO3--N的去除效果在稳定运行阶段，各MBBR反应器NO3--N去除率相对较为稳定.进水NO3--N浓度为2.2~12.4mg·L-1(表2)，聚乙烯MBBR出水NO3--N浓度为0.2~2.6mg·L-1，平均浓度为1.3mg·L-1，NO3--N去除率为52.4%~95.1%，平均去除率为74.7%;聚丙烯MBBR出水NO3--N浓度为0.2~2.4mg·L-1，平均浓度为1.2mg·L-1，NO3--N去除率为56.3%~97.0%，平均去除率为76.3%;聚氨酯泡沫体MBBR出水NO3--N浓度为0.1~3.7mg·L-1，平均浓度为1.7mg·L-1，NO3--N去除率为31.7%~96.7%，平均去除率为68.2%;陶料MBBR出水NO3--N浓度为0.2~4.7mg·L-1，平均浓度为4.2mg·L-1，NO3--N去除率为11.4%~96.2%，平均去除率为57.5%.Stinson等(2009)采用MBBR进行反硝化处理，当模拟进水NO3--N浓度为5.1mg·L-1时，出水NO3--N浓度为0.5mg·L-1，这与本研究各填料MBBR的NO3--N去除效果一致.对稳定运行阶段各填料MBBR进出水NO3--N平均浓度和NO3--N平均去除率进行比较(图3).在进水NO3--N平均浓度为5.9mg·L-1条件下，聚丙烯填料MBBR出水NO3--N平均浓度(1.2mg·L-1)最低，去除率(76.3%)最高，其次是聚乙烯MBBR(74.7%)和聚氨酯泡沫体MBBR(68.2%)，陶粒MBBR的去除率最低(57.5%).表明在反应器稳定运行阶段，聚丙烯和聚乙烯填料MBBR的运行效果优于其他两种填料，聚丙烯和聚乙烯处理效果接近.图3各填料MBBR进出水NO3--N平均浓度和NO3--N平均去除率Stinson等(2009)利用聚乙烯填料MBBR处理模拟生活污水，当填充率为30%、温度为20~24℃、进水NO3--N浓度为5.1mg·L-1时，出水NO3--N浓度为0.5mg·L-1，NOx-N(NO2--N和NO3--N之和)负荷为1.3~1.6g·m-2·d-1，NOx-N去除率为90%.本研究进水为实际污水厂尾水，进水水质波动性较大，且水质较模拟水更为复杂，NO3--N平均负荷为24.6g·m-2·d-1，也远远高于上述文献中的负荷，因此，本研究中NO3--N平均去除率相对较低.Welander等(1998)以聚丙烯PPNatrix6/6为MBBR填料处理垃圾渗滤液，最大反硝化速率达15.7g·m-2·d-1，Marianne等(2006)利用聚丙烯填料处理封闭海水，最大反硝化速率为27g·m-2·d-1.本文中聚丙烯填料MBBR的最大反硝化速率23.0g·m-2·d-1，与上述文献数值接近.3.2不同填料下MBBR中TN去除效能比较各填料MBBR的TN去除效能如图4所示.启动阶段，进水TN浓度为9.0~15.2mg·L-1，聚乙烯、聚丙烯和陶粒填料MBBR的TN去除率均较低，在35%~40%之间;聚氨酯泡沫体填料的TN平均去除率较高，为23.3%~79.0%，平均为47.0%.这与NO3--N的去除规律相似，亦得益于聚氨酯泡沫体内丰富的微生物.图4聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯泡沫体和陶粒下MBBR的TN去除效果稳定阶段，MBBR进水TN浓度为7.5~13.3mg·L-1，聚乙烯填料MBBR出水TN浓度为2.8~7.0mg·L-1，平均浓度为4.9mg·L-1，TN去除率为26.2%~75.4%，平均去除率为46.9%;聚丙烯填料出水TN浓度为2.4~6.8mg·L-1，平均浓度为4.5mg·L-1，TN去除率为30.7%~79.8%，平均去除率为50.8%;聚氨酯泡沫体填料出水TN浓度为2.1~7.9mg·L-1，平均浓度为5.0mg·L-1，TN去除率为19.2%~82.4%，平均去除率为46.1%;陶粒填料出水TN浓度为2.7~8.5mg·L-1，平均浓度为5.8mg·L-1，TN去除率为11.8%~66.0%，平均去除率为38.2%.各填料MBBR的TN去除率从大到小依次为聚丙烯(50.8%)、聚乙烯(46.9%)、聚氨酯泡沫体(46.1%)和陶粒(38.2%).对稳定运行阶段各填料MBBR进出水TN平均浓度和TN平均去除率进行比较(图5).在进水TN平均浓度为9.7mg·L-1的条件下，聚丙烯填料MBBR出水TN平均浓度最低(4.5mg·L-1)，去除率最高(50.8%)，其次是聚乙烯MBBR(46.9%)和聚氨酯泡沫体MBBR(46.1%)，陶粒MBBR的TN去除率最低(38.2%).表明在反应器稳定运行阶段，聚丙烯填料MBBR的运行效果较优.图5各填料MBBR进出水TN平均浓度和TN平均去除率3.3不同填料下MBBR中有机污染物去除效能比较本试验根据多段活性污泥法甲醇投加量计算公式(张中和，2004)，结合进水NO3--N浓度(平均浓度为8.3mg·L-1)计算出甲醇投