低溶氧生物膜反应器对城郊低浓度混合污水进入湿地前的预处理

J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4):[e-mail]©2008byJournalofLakeSciences低溶氧生物膜反应器对城郊低浓度混合污水进入湿地前的预处理*王磊1,2,李文朝1,柯凡1,潘继征1(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,南京210008)(2:中国科学院研究生院,北京100049)摘要:采用低溶氧生物膜反应器对滇池北岸村镇混合污水进行预处理,旨在去除难以自然沉淀的固体污染物,便于后续湿地深度净化.以小试规模在现场自然条件下进行了12个月的连续动态模拟实验,结果表明,水力负荷3-12m3/(m2·d)、气水比为1:1-2:1、DO浓度基本维持在0.1-2.0mg/L时,生物膜反应器对污水中有机物能够有效去除,进水COD负荷低于0.58kg/(m3·d)的情况下,去除率可稳定在60%以上.低溶氧条件下生物膜脱落缓慢,膜厚度达到800μm,增强了对进水SS的拦截、吸附作用,SS平均去除率达到了90.7%.实验发现低溶氧条件下系统对氮、磷仍具有一定的去除效果.降低曝气量后运行能耗明显减小,以4000t/d的处理规模计算,运行费用在0.05-0.1元/t,尽管混合污水中COD、SS浓度波动范围大,但反应器出水及生物膜的生长都能保持相对稳定,为后续湿地系统的稳定运行提供了保障,试验为滇池流域城郊水污染控制提供了新的技术途径与应用参考.关键词:低溶氧;生物膜反应器;低浓度;城郊混合污水TreatmentoflowconcentrationmixedwastewaterinthesuburbusinglowdissolvedoxygenbiofilmreactorWANGLei1,2,LIWenchao1,KEFan1&PANJizheng1(1:StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)(2:GraduatedSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)Abstract:LowdissolvedoxygenbiofilmreactorwasusedtotreatthemixedwastewaterinavillageinnorthbankofLakeDianchi.Thepurposeoftheoperationwastoremovethesolidwaste,whichwasdifficulttosettledownnaturally,soforthtofacilitatethenextstepofwetlandpurification.Afieldexperimentwasundertakenfor12monthsinnatureconditions.Theresultshowedthatwhenthehydraulicloadingratesbetween3and12m3/(m2·d),Air/Waterratiobetween1:1and2:1,DOwascontrolledbetween0.1and2.0mg/L,thereactorcouldremovetheorganicmatterefficiently.WhentheloadingratesofCODunder0.58kg/(m3·d),removalrateswereabove60%.Lowdissolvedoxygenslowedthedesquamationofbiofilmanditsthicknesswasreachedto800μm.ProcessofobstructionandadsorptionwasenhancedforSSremovalandtheaverageremovalratewas90.7%.Theexperimentfoundthattherewasstillsomeremovaleffectofnitrogenandphosphorousinlowdissolvedoxygeninthereactor.Energycostwassignificantlyreducedbydecreasingaeration.Atthefluxof4000t/d,thecalculatedtreatmentexpensewas0.05-0.1RMB/t.AlthoughtheconcentrationofCODandSSofmixedwastewaterwasgreatlyfluctuated,theoutflowqualityandbiofilmgrowthwasrelativelystable.It’ssuitableforfurtherstabledisposalandthetreatmentofsuburblowconcentrationmixedwastewater.ItprovidedanewtechnicalforwastewatercontrolinsuburbareaofDianchibasin.Keywords:Lowoxygen;biofilmreactor;lowconcentration;suburbmixedwastewater滇池是我国污染较为严重的高原浅水湖泊,随着经济的发展,湖岸带城郊地区污水量不断增加,其主*国家863项目(2005AA60101004,2006AA06Z325)资助.2007-11-19收稿;2008-04-10收修改稿.王磊,男,1980年生,博士研究生;E-mail:[e-mail]王磊等:低溶氧生物膜反应器对城郊低浓度混合污水进入湿地前的预处理451要由居民生活污水、农灌污水及降雨径流组成,这些污水在村落河沟中汇集混合,通过入湖河流流进湖泊,成为滇池的重要污染源.与一般生活污水相比,城郊混合污水浓度相对偏低,加上污水来源分散,传统的管网收集—污水厂处理的方法成本高,不易推广.相比而言,利用湖滨带地形条件,建造人工湿地系统进行水质净化是一种经济有效的办法,但混合污水中悬浮物浓度高,大部分为有机颗粒物且不易沉降,长期高负荷处理会产生湿地堵塞,处理效率下降的问题,因此需要寻找一种能够对原水进行低能耗、高效率处理并适合与湿地系统相结合的工艺,为解决滇池沿岸带水污染问题提供新的途径.生物膜处理工艺对污水浓度适应范围广,抗冲击负荷强,且运行和管理简便[1],符合城郊混合污水水质与水量特点,但传统生物膜反应器内曝气量大、运行费用较高,而降低曝气量进行低溶氧运行能够有效降低能耗,更适合与人工湿地系统结合在经济条件相对滞后的城郊地区推广.目前对于低溶氧反应器的研究多限于活性污泥系统中的高浓度氨氮废水的脱氮处理,HanakiK等[2]发现溶氧在0.5mg/L时,好氧细菌的呼吸速率并不受影响,Ciudad[3]、Wyffels[4]通过限制溶氧供应实现了对亚硝化反应的精确控制.但对于低溶氧条件下生物膜反应器的运行特性与处理规律研究较少,笔者以降低污水处理能耗为目的,利用低溶氧生物膜反应器对昆明市滇池北岸城郊地区混合污水进行处理,探索其在低溶氧条件下对污染物去除的效率与规律,并与现场其他工程工艺进行对比总结,寻找适合与湿地系统相结合,能够在滇池湖岸带城郊地区推广应用的水质净化工艺.1试验材料与方法1.1实验装置与材料实验模型为玻璃材质的立方体容器,长宽高分别为1m×1m×1.2m,有效容积1m3,内部平均分为4格,前三格装填了YDT弹性立体填料,装填率70%,第四格为沉淀区(图1),污水从第一格外侧底部进入,从另一侧上部小孔进入第二格,再同样以对角线路线进入第三格,最后从第四格沉淀出水.前三格每格布设4个砂结曝气头微量曝气.1.2试验水质试验用水为昆明市滇池北岸福保村一带的混合污水,其主要由三部分污水组成,一部分为村庄生活污水,另一部分为附近一座旅游文化景点外排污水,其余主要为附近农田区的降雨径流,这些污水在村落间的河沟中汇集混合,污水污染物浓度见表1.表1混合污水污染物浓度Tab.1Themixedwastewatercharacteristics指标pHSS(mg/L)DO(mg/L)CODCr(mg/L)氨氮(mg/L)浓度7.65±0.1663.0±109.40.0±0.080.1±54.67.72±4.72指标NO2--N(mg/L)NO3--N(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)PO43--P(mg/L)浓度0.03±0.080.155±0.1639.91±5.510.701±0.3280.391±0.2571.3运行方式与实验方法实验用水由水泵从河沟中直接抽入反应器,模型从2006年10月运行到2007年9月,历时一年,常规运行时进水量控制在4-6m3/d,进行不同负荷对比实验时进水量控制在3-12m3/d,反应器内第一格DO浓度控制在0.1-0.7mg/L,第二格0.5-1.2mg/L,第三格1.0-2.0mg/L,启动过程采用自然挂膜,微量曝气条件下无底泥上翻,整个系统完全依靠生物膜对污水进行降解.另外试验与现场的曝气增氧和絮图1生物膜反应器模型结构示意Fig.1SketchmapofconfigurationofthebiofilmreactorJ.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4)452凝沉淀工艺进行了效果对比研究.所有水质指标的监测均采用国家标准方法[5],生物膜厚度采用显微镜对焦法测量[6].2结果与分析2.1污染物去除效率与规律2.1.1COD的去除试验通过调整进水流量来研究反应器在不同负荷下的去除效率与规律,从表2可以看出,进水COD负荷低于0.58kg/(m3·d)时,总去除率保持在60%以上,系统运行稳定,出水浓度随负荷的增加略有提高,对分格监测发现,COD的去除主要发生在第一格,虽然DO浓度低于0.5mg/L,但平均去除率达到了40%以上,其中通过生物膜对悬浮有机物的拦截、吸附而去除的COD约占15%左右,可溶性有机物的生物降解约占25%,在第二、三格内溶解氧有所上升,COD去除率约为20%.当进水负荷大于0.74kg/(m3·d)时,出水浓度迅速增加,去除率明显下降,说明系统达到了最大负荷.通过对比看出,反应器的进水负荷控制在0.3-0.6kg/(m3·d)时较为经济高效.在生物膜系统内,一般认为物质在液相及生物膜相的传递过程将影响各种反应速率[7],当系统处理低浓度污水时,浓度梯度的减小会使污染物向膜内的扩散速率降低,微生物在较高溶氧条件下会因为底物缺乏进入内源呼吸阶段,从而造成微生物量的减少.由COD去除效率实验可以看出,低溶氧运行可以使反应器在一定的负荷范围内达到稳定状态,说明此时溶氧的供给与污染物扩散利用速率达到了平衡,因此生物膜反应器可以针对进水COD浓度的大小来调整所需供氧量,低溶氧环境更适合低COD浓度污水的处理.表2不同进水负荷下分格反应器中COD去除规律Tab.2CODremovalindifferentloadingrates第一格第二格第三格进水流量(m3/d)停留时间(h)COD进水负荷(kg/(m3·d))进水COD浓度(mg/L)COD浓度(mg/L)COD去除率(%)DO浓度(mg/L)COD浓度(mg/L)COD去除率(%)DO浓度(mg/L)COD浓度(mg/L)COD去除率(%)DO浓度(mg/L)3.08.00.1860.331.348.10.518.070.11.216.073.52.13.86.30.1949.530.538.40.419.061.61.219.061.61.94.65.20.3882.437.854.10.227.5