O交替运行钢渣基复合滤料生物滤池处理模拟生活污水脱氮除磷特性

中国环境科学2015,35(6)：1756~1762ChinaEnvironmentalScienceA/O交替运行钢渣基复合滤料生物滤池处理模拟生活污水脱氮除磷特性刘志1,邱立平1*,王嘉斌1,2,张守彬1,谢康1(1.济南大学土木建筑学院,山东济南250022；2.北京工业大学建筑工程学院,北京100022)摘要：利用两级钢渣基复合滤料生物滤池(SSMBF)构建厌氧/好氧(A/O)交替运行工艺系统.在单池HRT=2h,A/O交替周期48h,厌氧DO=0.2~0.5mg/L,好氧DO=3~5mg/L,T=23~27℃的运行条件下,考察了SSMBF系统对模拟生活污水(pH=6.8~7.5,COD=260~330mg/L,NH4+-N=35~40mg/L,PO43--P=9~11mg/L)的处理效果,分析了其氨氮和磷去除特性.结果表明,两级A/O交替SSMBF系统具有良好的生活污水处理能力,对氨氮、磷和COD的去除率分别为95%、40%~60%和83.3%,出水氨氮、磷和COD浓度分别为0.5mg/L､3~6mg/L和50mg/L.在厌氧/好氧交替周期为48h的工况下,SSMBF系统的氨氧化菌和聚磷菌分别可在10h和8h恢复最佳活性.SEM､EDS表征和污染物去除特性分析结果显示,A/O交替运行SSMBF系统充分发挥了钢渣基复合滤料的离子和碱度释放特性,通过聚磷菌的厌氧释磷效应,在厌氧SSMBF中诱导促进了生物-结晶协同除磷,结晶产物为以羟基磷灰石为主的磷酸盐化合物.关键字：生物滤池；钢渣基复合滤料；A/O交替；结晶文献标识码：A中图分类号：X703文章编号：1000-6923(2015)06-1756-07CharacteristicsofnitrogenandphosphorusremovalfromartificiallysynthesizeddomesticwastewaterinanalternatingA/Obiologicalfilterwithsteelslagmedia.LIUZhi1,QIULi-ping1*,WANGJia-bin1,2,ZHANGShou-bin1,XIEKang1(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,UniversityofJinan,Jinan250022,China；2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China),ChinaEnvironmentalScience,2015,35(6)：1756~1762Abstract：Underhydraulicretentiontime(HRT)of2h,A/Oalternatingintervalof48h,temperatureof23~27℃,dissolvedoxygenconcentration(DO)of0.2~0.5mg/Linanaerobicstageand3~5mg/Linaerobicstage,twosteelslagmediabiologicalfilters(SSMBFs)werecarriedoutandoperatedinalternatinganaerobic/aerobic(A/O)modetoinvestigatecharacteristicsofnitrogenandphosphorusremovalfromartificiallysynthesizeddomesticwastewaterwithinfluentqualityofpH6.8~7.5,COD260~330mg/L,NH4+-N35~40mg/LandPO43--P9~11mg/L.TheresultsshowedthatthealternatingA/O-SSMBFsperformedapromisingperformanceforwastewatertreatment,aswellastheNH4+-N,PO43--PandCODcouldberemovedmorethan95%,40%~60%and83.3%respectively,andtheeffluentconcentrationsofNH4+-N,PO43--PandCODdecreasedto0.5mg/L,3~6mg/Land50mg/Lrespectively.Itwasalsoobservedthatthebiologicalactivityofammoniaoxidizingbacteria(AOB)andphosphorusaccumulatingbacteria(PAOs)couldberecoveredin10hoursand8hoursrespectively,whiletheSSMBFalternatingconvertedoperationalmodeevery48hfromanaerobictoaerobicoronthecontrary.TheSEMandEDScharacterizationofcrystalsformedonthemediasurfaceandanalysisofpollutionremovalcharacterrevealedthatthephosphorusinanalternatingA/O-SSMBFssystemcouldberemovedbybothbiologicaloxidizationandcrystallization.BecausethesteelslagmediacouldreleasealkalinityandionaswellasthePAOscouldreleasephosphorusundertheanaerobicenvironment,thephosphorusremovalbycrystallizationhadbeenenhancedinthissystem.Theprincipalconstituentofcrystallinesubstancewashydroxyapatite.Keywords：biologicalfilter；steelslagmedia；A/O；crystallization收稿日期：2014-11-10基金项目：国家自然科学基金(51278225);山东省科技发展计划(2013GSF11704);济南市科技发展计划(201302079)*责任作者,教授,[e-mail]6期刘志等：A/O交替运行钢渣基复合滤料生物滤池处理模拟生活污水脱氮除磷特性1757大量含氮磷等污染物的废水排入水体,引起藻类大量繁殖,是造成水体富营养化的主要原因之一[1].而磷作为一种不可再生的资源,也是生命活动不可缺少的元素,随着近年来的大量开采,已经面临枯竭[2-3].因此,如何有效实现废水中氮磷等资源化物质的高效利用是亟待解决的问题[4-5].去除废水中的氮磷主要利用生物法和化学沉淀法,生物法虽然对氨氮和有机物等污染物的去除效率很高,但对磷的去除效率低下,稳定性也差,需要增加后续的深度处理才能达到排放标准[6].化学法虽然能够高效的去除废水中的磷,但是经济效益差,且产生的化学污泥难处理,易造成二次污染[6].结晶法除磷是公认的一种可以有效的去除和回收磷的方法[6].但由于结晶反应过程的复杂性和废水水质的多样性,结晶法除磷回收目前还存在很多困难.所以,从废水中回收磷,开发新的磷资源,是目前废水处理领域的研究热点[7-8].钢渣是高炉冶金工业产生的主要工业废弃物,由于其具有较大的表面积,富含Ca､Si､Al等金属氧化物,具有良好的吸附性能[9-10],在水处理领域已经得到广泛的利用.钢渣对磷的吸附特性发现钢渣的理论吸附饱和量达42.7mg/g.Barca等[11]研究发现钢渣可以在水溶液中释放钙离子和碱度,促使磷酸盐以羟基磷酸钙的形式沉淀.虽然利用钢渣处理含氮磷废水已经做了较多的研究,但大多集中在钢渣的粉末吸附特性方面[12-13].本课题组利用钢渣粉末为主要原料,制备了粒径为4~6mm的球形钢渣基复合滤料.通过一系列的改性和重塑过程,使滤料有一定的水化活性,同时能缓慢释放碱度和钙镁等离子,对污水的中污染物有很好的絮凝和吸附性能[14-15].因此,本文以钢渣基复合滤料生物滤池(SSMBF)为依托,构造A/O交替运行工艺系统,以期充分发挥钢渣基复合滤料可释放碱度和钙离子等特性,在保证良好的脱氮效能的前提下,利用厌氧条件下聚磷菌的释磷效应,探讨在低浓度条件下生物-结晶协同除磷的可能性,探索生物-结晶协同除磷新方法,为有效回收利用废水中磷资源提供新的依据和参考.1材料与方法1.1试验装置和材料试验装置(图1)由两座同尺寸有机玻璃上向流生物滤池组成.单池高度1000mm,直径80mm,承托层120mm,取样口间隔180mm.钢渣基复合滤料的粒径4~6mm,孔隙率20%,平均抗压强度150N,滤料高度680mm.312456789图1试验装置示意Fig.1Sketchoftheexperimentsetup1.1号SSMBF;2.2号SSMBF;3.出水口;4.2号空气压缩机;5.2号反冲洗口;6.1号反冲洗口;7.1号空气压缩机;8.蠕动泵;9.水箱试验模拟污水用NH4Cl,KH2PO4,MgCl2,NaCl和Fe2SO4和溶解性淀粉配制,按50L模拟污水中加入1L花园土浸出液保证微生物对微量元素的需求.试验期间模拟污水主要水质指标为:COD260~350mg/L,氨氮30~40mg/L,磷9~11mg/L,pH6.8~7.5.1.2试验方法两组SSMBF分别通过好氧自然挂膜启动,溶解氧控制为3~5mg/L,30d后2组SSMBF对氨氮和COD的去除均稳定在80%以上.启动成功后,两组SSMBFA/O交替运行,模拟污水先进入厌氧SSMBF,随后经好氧SSMBF处理后排出.A/O交替周期为48h,每间隔48h改变SSMBF的厌氧/好氧环境.控制厌氧SSMBFDO=0.2~0.5mg/L,好氧SSMBFDO=3~5mg/L,单池HRT=2h,环境温度T=23~27℃,进水pH=6.8~7.5.稳定运行期间,每隔10个交替周期对生物滤池进行反冲洗.1758中国环境科学35卷运行期间主要考察反应器各单元进出水的氨氮､磷､COD以及滤料表面结晶产物的变化情况.稳定运行阶段,在每个交替周期运行至第12h和36h取样分析,考察生物滤池系统的污染物去除效果.在典型运行周期内,每间隔2h连续取样,系统分析反应器中氨氮、磷及pH值的沿程和时间变化规律,以便分析揭示交替周期内生物滤池系统的氮磷去除特性.所有水质指标的分析均按国标方法[16]进行.2结果与讨论2.1两级A/O交替运行SSMBF系统的污染物去除效能由图2可以看出,在稳定运行阶段,当进水氨氮浓度为30~40mg/L时,厌氧SSMBF的出水氨氮浓度较进水稍有下降,但好氧SSMBF表现出较强的氨氮去除能力,两级A/O交替SSMBF系统氨氮总去除率达到95%以上,出水氨氮低于0.5mg/L,满足一级A标准[17].01020304050600102030405060708090100原水厌氧出水好氧出水氨氮浓度(mg/L)时间(d)0102030405060708090100去除率去除率(%)图2两级A/0交替SSMBF对氨氮的去除效果Fig.2AmmonianitrogenremovalinalternatingA/OSSMBF生物法去除氨氮主要通过微生物同化作用和硝化作用完成,后者是氨氧化细菌和亚硝态氮氧化细菌将氨氮氧化为亚硝态氮和硝态氮的过程[18].图2中厌氧SSMBF处理出水氨氮浓度较进水大约降低3mg/L左右,主要是通过厌氧SSMBF中微生物同化作用和钢渣复合滤料对氨氮的吸附作用[16]共同完成.钢渣复合滤料具有较大的比面积,表面粗糙,