曝气生物滤池中用于处理纺织废水的沸石介质的影响

曝气生物滤池中用于处理纺织废水的沸石介质的影响摘要曝气生物滤池（BAF）被用于处理印染废水。对两个实验室规模的生物过滤器的性能进行7个月的监测来比较天然沸石和砂作为介质的效果。在有机负荷从1.2到3.3KgCOD/m3day的情况下，由天然沸石和砂支持的生物滤池的整体的化学需氧量（COD）的减少量平均分别为88％和75％。填有天然沸石生物滤池的较高的氮的去除是由于其离子与NH4+的交换容量。细胞计数的结果表明，在天然沸石生物膜上的硝化细菌的数目比在砂生物膜上要多。这两种生物过滤器能够去除约97％的固体悬浮物（SS）其负荷范围为1-3KgSS/m3day。由天然沸石的支持能够处理高达12m3/day的印染废水中试规模的曝气生物滤池同样监测了5个月。该系统在水力负荷为1.83m3/m2h的情况下能够去除约99％的生化需氧量，92％的COD，74％的SS，和92％T-N。在较高的水力负载（2.3m3/m2h）和在较低的温度（4-10℃的范围内）下操作导致在降低TN去除率而减少有机物方面影响较小。在填有天然沸石的生物滤池中脱色（平均78％）是由于其吸附能力，而不是水力负荷率的提高。©2002爱思唯尔科技有限公司保留所有权利。关键词：曝气生物滤池；纺织废水处理；天然沸石1、引言曝气生物滤池（BAF）代表一种在介质上附着生长过程，这种介质在正常运行下是固定的。这些过程的最初的目的是获得碳的氧化和固体物质的过滤。近年来，一些使用曝气生物滤池的技术被发展用于屠宰场废水处理，和纸浆和牛奶厂等行业的废水处理[1,2]。曝气生物滤池工艺具有多项主要优势，这些优势对于这种技术在一些领域的应用具有很大的好处[3-6]。在曝气生物滤池惰性颗粒介质上的附着生长使得活性生物物质的浓度比悬浮生长活性污泥系统要高，这样就导致反应器的尺寸可以减小。此外，在进水悬浮固体（SS）可以被介质物理捕获，这消除了对单独的二次澄清的需求。总体而言，这些结果导致空间布局的节省，其空间只为活性污泥工艺空间的三分之一[6]。BAF工艺应用于工业废水处理时，粒状介质的选择在维持高量的活性生物量和各种微生物种群上起着重要的作用。使用具有吸附能力的介质使得生物去除和吸附一体化这种方法成为可能。综合性生物降解/吸附的有利的方面在城市废水处理中使用活性炭作为一种介质的研究中被报道了出来[7,8]。纺织工业的废水是处理的很难令人满意的废水之一，因为他们的成分是高度可变的[9]。纺织废水最臭名昭著的特点是强的色度。如果不妥善处理，色度会对水生环境导致显着的负面影响，这是由于浊度和高污染强度的增加。传统技术处理印染废水包括多种生物、物理和化学的方法的组合[9,10]，但这些方法都需要较高的成本和运行费用。本文报道了用天然沸石作为介质的曝气生物滤池在印染废水处理中的应用。天然沸石对于有机物质具有吸附能力，也能够进行阳离子交换例如NH4+[11]。来自纺织厂的废水被送到实验室和中试规模的下流生物滤池并观察填有天然沸石和砂滤料的生物滤池的性能。此外，介绍了充满了天然沸石的曝气生物滤池试验工厂得到的实验结果。2、材料和方法2.1.废水的特点用于实验室实验的废水来自韩国首尔的J纺织厂。在纺织工业中使用的纤维可分为两类：天然和人造的纤维。两种主要的天然纤维是羊毛和棉。后者包括聚酯，尼龙，聚丙烯和聚酰胺。从1998年3月到9月，每月收集20升塑料容器的纺织原料废水样本，在实验过程中这些塑料容器已经用蒸馏水清洗和冲洗，并保存在冰箱中（低于5℃）。纺织废水的特性总结于表1。表1输送到实验室规模的曝气生物滤池的印染废水的特性参数范围（mg/l）平均值（mg/l）COD830-1050920BOD5320-460390TKN86-145115NH4+-N54-8469SS540-980760Alkalinity330-390360表2示出输送到一个试验装置的纺织废水的成分，这个试验装置安装在韩国的T纺织厂内。来自几个染色工艺和设备的纺织废物流出物在均衡储罐中混合在一起。大约总废水的70％的产生来自聚酯减量工艺过程。当时主要处理混合废水氯化铁和聚合物。化学混凝后，将处理过的纺织废水存储在第二均衡池中。表2评估中的中试规模的曝气生物滤池的印染废水的特性参数范围平均值COD（mg/l）1860-2490920BOD5mg/l）1350-1910390SS（mg/l）45-93115T-N（mg/l）62-9069Colorimetry(CU)60-9283602.2.反应器的描述实验室规模的BAF反应器由丙烯酸塑料制成，如图1所示。反应器的高度为33厘米，矩形断面尺寸：18厘米（长）和12厘米（宽度）工作容积为2.8升。一个填有了天然沸石和另一个填有砂。所有的填料进行筛分，通过5×8的网格（2.36-4.0毫米）。水力流速控制范围为0.35-1.56m3/m2h。对生物滤池进行周期性反冲洗以除去堆积的SS和所产生的过量的生物量。反冲洗的顺序包括气流冲刷，其次是混合空气冲刷和水冲洗。空气反冲洗应用速率为4升/分钟。广泛的实验室规模的实验计划，导致有效处理纺织废水的中试规模的BAF系统的发展。处理能力为12m3/day，横截面面积为1.05m2，高度为3米（容积为3.15m3）的中试装置由钢制成。空床的体积是2.0m3。床填有天然沸石其比重为1.42。将一个渗板放置在反应器中，以支撑介质和分发反冲洗水和空气。反洗的顺序与实验室规模的实验中一样，由微处理器自动控制并自动评估。废液被收集在贮存罐中以提供反冲洗水。试验装置的示意于图2。图1试验规模的曝气生物滤池实验示意图图2中试规模曝气生物滤池示意图2.3.分析方法从1998年3月至1999年2月每周采集实验室和中试规模的曝气生物滤池（BAF）进水和出水的样品。化学需氧量（COD），生化需氧量（BOD），SS，总凯氏氮（TKN），以及亚硝酸盐氮（NO2-N）和硝酸盐氮（NO3-N）按标准方法进行分析。此外，进水和出水的色度由ADMI三刺激值滤波法[12]确定。在试验期间定期监测温度、溶解氧（DO）和pH值。2.3.1.硝化细菌种群计数覆盖着生物质的介质样品分别在生物滤池的顶部，中间和底部收集。膜过滤法用于计算活的异养菌和硝化细菌。使用白蛋白琼脂培养基对异养细菌计数。仅含有铵离子作为电子供体的培养基，用于检测存在的氨氧化细菌，亚硝化细菌。含有的亚硝酸盐离子的培养基用于培养亚硝酸盐氧化细菌，硝化细菌。活菌计数的介质和细节在其他地方有具体描述[13]。3.结果与讨论3.1.天然沸石和砂用于实验室规模的反应器之间的比较对两个实验室规模的生物滤池介质进行了7个月的监测。整个实验过程中，DO维持3毫克/升以上，水温保持在12℃和15℃之间。出水pH值相比进水略有下降，平均为7.0（6.8-7.2）。两个反应器出水COD浓度随有机负荷率（OLR）的变化如图3所示。数据的线性衰退也说明了这种趋势。测定容积的OLR变化范围从1.2到3.3KgCOD/m3day。填有天然沸石和砂的生物滤池的COD去除率平均分别约88％和75％。图4中的数据的线性衰退表明填有天然沸石的生物滤池的出水BOD浓度低于来自其他填料的生物滤池。这是预料之中的，更多的减少量是由于天然沸石对有机物质的吸附能力。随着负荷率出水TKN浓度的线性衰退是由于填有天然沸石和砂的生物滤池分别有0.66和0.81的R2（图5）。填有天然沸石的生物滤池出水平均残留TKN浓度为13.6毫克/升，而其他的残留为34.8毫克/升。砂支撑的生物滤池，TKN去除百分比大幅下降，TKN负荷率的增量在本实验中应用的范围上。在平均水平上，低于62％的TKN被去除。为了去除TKN，天然沸石生物滤池效率略有下降而水力负荷率增加。然而，在较高的负荷率下能够去除更多TKN正如衰退了的线性表示的那样。超过80％的TKN被去除。在较高水力负荷率下氮负荷增加，同样有机负荷也有所增加。在一般情况下，较高的有机负荷抑制硝化，但在天然沸石生物滤池中不会。这可能是天然沸石能够与NH4+离子交换的效果。首先，进水中部分NH4+被吸附到天然沸石的表面。然后，天然沸石上聚集NH4+和强烈的曝气环境为自养细菌的附着提供了有利条件。这可能会导致氮和有机物的氧化。每个滤池出水的SS浓度也随SS负荷率变化（图6），但没有表现出显着的差异。SS负荷率范围为1〜3KgSS/m3day。每个由天然沸石和砂支持的生物滤池出水SS浓度分别平均为30和34毫克/升。图3COD负荷率与出水浓度图4BOD负荷率与出水浓度的关系图5TKN负荷率与出水浓度的关系图6SS负荷率与出水浓度的关系3.2.硝化细菌种群异养硝化细菌的活细胞计数样品是在生物滤池的10个不同的位置取得的。细胞计数的结果示于图7。天然沸石生物膜上的异养细菌的数量类似于砂生物膜上的异养细菌的数量。然而，天然沸石和砂生物膜上的异养细菌的数量超过在活性污泥工艺中的异养细菌的数量。天然沸石和砂生物膜上的异养细菌的数量分别为1.3×109和1.2×109。另一方面，硝化细菌的数目取决于生物膜生长的介质。天然沸石上的硝化细菌的数目比砂上要多。在天然沸石生物膜上亚硝化细菌和硝化细菌计数分别为3.0×108和2.2×109CFU/ml，而那些在砂生物膜上计数分别为4.5×108和6.5×108CFU/ml。结论是，天然沸石支持的曝气生物滤池（BAF）将为硝化细菌的生长提供一个更有利的环境。图7生长在天然沸石、砂和活性污泥生物膜上的异养细菌和硝化细菌的数量3.3.天然沸石支持的曝气生物滤池的先导性试验天然沸石支持的中试规模的曝气生物滤池在两种不同的水力负荷1.83和2.3m3/m2h下操作5个月。因此，这个试点实验根据进水负荷分为两个阶段。在每个阶段中，水的温度范围分别是10℃-18℃和4℃-10℃，并且DO浓度保持高于2.0毫克/升。BAF系统的平均性能总结在表3中。随着水力负荷率的增加，有机负荷也从1.5KgBOD/m3day增加到了2.1KgBOD/m3day，这高于市政污水处理（0.5-1.0KgBOD/m3day）[14]。在如此高的有机负荷条件下，BOD和COD整体减少量分别为99％和86％-92％。出水中的残留BOD浓度总是小于20毫克/升。然而，SS去除率取决于水力负荷。当水力负荷率从1.83m3/m2h增至2.3m3/m2h，污水中残留的SS浓度也由原来的16毫克/升增至35毫克/升。部分的SS可由曝气生物滤池中的介质过滤掉，但它也可以被附着在介质上的细菌利用并转换成微生物生物量。在较低水力负荷率下，TN平均降低了92％。氮的损失可能是由于氨挥发或生物膜中的同时硝化/反硝化作用。虽然两个进程在本研究中无法直接测量，但是前者很少发生，因为系统中的环境（例如，出水的pH平均为6.3，曝气强度），限制了氨挥发的可能性。另一方面，生物膜内可能发生同时硝化/反硝化。由劳尔森等[15]认为，只要有机物质作为电子供体，曝气生物滤池中硝酸盐的去除就能发生在生物膜的更深处。然而，在水力负荷增加的情况下，TN去除量降低到75％。增加了的水力和有机负荷应降低了生物膜上自养生物活性。然而，导致较低的TN去除量主要的影响，被认为是温度的降低，而不是水力负荷的增加。由于温度范围从4℃到10℃，对温度更敏感的硝化细菌的生物活性应该受到影响。在不同的水力负荷下，色度去除率平均分别为77％和79％。结果表明，在本系统中色度去除的主要机理是吸附。这表明，给予足够的接触时间，造成颜色的有机物能够渗透并充分饱和沸石毛孔。随后，这些有机物完全被附着到介质上的微生物降解。因此，它不需要任何外部的步骤来更新介质，为了维持相当长时间的色度去除效率。表3填有天然沸石的曝气生物滤池的试点实验的结果：水力负荷（1.83m3/m2h）水力负荷（1.83m3/m2h）参数进水出水去除率（％）进水出水去除率（％）COD（mg/l）223017692.1215029586.3BOD5（mg/l）15741798.917112098.8SS（mg/l）621673.8623543.7T-N（mg