SBBR与人工湿地组合工艺脱氮除磷

第11卷　第8期环境工程学报Vol.11,No.82017年8月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringAug.2017基金项目:国家自然科学基金资助项目(51408020);北京市科技计划项目(Z151100002115011);国家国际科技合作专项(2013DFR60250);中央高校基本科研业务费专项资金项目(JD1604,JD1503)收稿日期:2016-07-28;录用日期:2016-10-10第一作者:刘舒巍(1992—),男,硕士研究生,研究方向:污水生物处理。E-mail:[e-mail]∗通信作者,E-mail:[e-mail]与人工湿地组合工艺脱氮除磷刘舒巍,张从轩,杨兴桐,李媛,王晓慧,海热提∗北京化工大学,北京市水处理环保材料工程技术研究中心,北京100029摘　要　以人工合成污水为原水,以第二代生态碳纤维作为SBBR填料,考察了SBBR和人工湿地组合工艺脱氮除磷的性能。结果表明,SBBR系统能够实现同步硝化反硝化且可出现明显的释磷、吸磷现象,当SBBR厌氧75min,曝气240min,溶解氧在3.07~4.09mg·L-1之间时,组合工艺实现了能耗最低情况下的达标出水。此模式下,SBBR系统对COD、氨氮、TN和TP的去除率分别达到94.6%、94.8%、85.4%和61.1%。人工湿地采取间歇运行模式以进一步脱氮除磷,其中进水12h,放空复氧12h,稳定后湿地对COD、氨氮、TN和TP的去除率分别达到39.3%、47.3%、61.5%和70.7%。此模式下整体组合工艺表现出了良好的脱氮除磷性能,系统出水COD、氨氮、TN和TP浓度均值分别为13.89、0.535、2.047和0.286mg·L-1,去除率分别能够达到96.7%、97.3%、94.4%和88.6%。关键词　SBBR;人工湿地;脱氮除磷;参数优化;生态碳纤维中图分类号　X703　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)08-4527-08　　DOI　10.12030/j.cjee.201607247BiologicalphosphorusandnitrogenremovalbycombinedprocessofsequencingbiofilmbatchreactorandconstructedwetlandLIUShuwei,ZHANGCongxuan,YANGXingtong,LIYuan,WANGXiaohui,HAIReti∗BeijingEngineeringResearchCenterofEnvironmentalMaterialforWaterPurification,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,ChinaAbstract　Thebehaviorsofbiologicalphosphorus(P)andnitrogen(N)removalinalab-scalecombinedprocessusingasequencingbiofilmbatchreactorstuffedwithsecond-generationcarbonfiberandaconstructedwetlandwereinvestigatedduringthetreatmentofartificialwastewater.Theexperimentalresultsclearlyshowedthatwhentheaerationtimewas75min,theaerobictimewas240min,thedissolvedoxygenwas3.07to4.09mg·L-1,andthebesttreatmentefficiencywasachieved.WhentheSBBRwasrunningunderthebestoperatingconditions,simultaneousnitrificationanddenitrificationwassteady,aswasphosphorusreleaseandabsorption.TheremovalefficienciesofCOD,NH+4-N,TN,andTPreached94.6%,94.8%,85.4%,and61.1%,re-spectively.Fortheconstructedwetland,intermittentoperationwasadoptedtoenhancetheeffectofnitrogenandphosphorusremoval.Eachcycleofintermittentoperationincludedafloodingperiodof12handadryingperiodof12h.TheremovalofCOD,NH+4-N,TN,andTPovertheoperationperiodwasachievedataverageratesof39.3%,47.3%,61.5%,and70.7%,respectively.Withthissystem,theestablishedcombinedprocessa-chievedgoodresultsforNandPremoval;theaverageeffluentCOD,NH+4-N,TN,andTPconcentrationswere13.89,0.535,2.047,and0.286mg·L-1,correspondingtoremovalratesof96.7%,97.3%,94.4%,and88.6%,respectively.Keywords　SBBR;constructedwetland;removenitrogenandphosphorussimultaneously;parameteroptimiza-tion;carbonfiber　　近年来,随着城市污水处理厂的不断建设,截止2014年底,我国城市污水处理率已经达到了90.2%。尽管如此,我国的地表水环境质量依然不容乐观,2014年中国环境状况公报显示,在全国423条主要河环境工程学报第11卷流、62座重点湖泊(水库)的968个国控地表水监测断面(点位)中,Ⅴ、劣Ⅴ类水质比率占到了16.0%,湖泊水库富营养化形势仍然十分严峻。而随着生活污水富营养化的不断加重,单一处理工艺往往不能做到充分脱氮除磷。因此,为改善河道湖泊等受纳水体整体水环境,同时满足农村分散式污水以及城市小区集中式污水的回用需求,寻求一种高效、稳定且节能的污水组合工艺尤为重要。在污水脱氮除磷方面,序批式生物膜反应器(sequencingbiofilmbatchreactor,SBBR)具有生物相丰富、抗冲击能力强[1],氧传递效率高、能源消耗少[2],运行稳定、脱氮效果好[3]且操作简单、便于管理[4]等优势,它是为解决污水处理过程中负荷波动过大,以及防止生长较慢的微生物从反应器中淘洗出去而提出的[5]。已有研究表明[6-8],厌氧氨氧化菌、反硝化菌和好氧氨氧化菌是可以共存的,因此,通过向SBR反应器中添加生物填料,可以在填料不同部位形成厌氧、兼性、好氧的多营养级微生物系统,其中厌氧氨氧化菌存在于生物膜的内层,而其他菌群则分布在外层,整个SBBR系统通过不断的厌氧和好氧间歇操作,为同步硝化反硝化(SND)创造了有利条件[9]。但SBBR对污水中磷的去除受诸多条件限制,去除效果有限,因此后置除磷技术显得尤为重要。人工湿地是由天然湿地发展而来的高效、环保和节能的新型污水处理技术[10]。通过科学的设计和改造,选用特定的基质与植物构建出复杂、独特的生态系统,继而利用物理、化学和生物的三重协同作用实现对污水的净化处理[11]。人工湿地具有投资造价低、处理效果好且管理方便等优势,近年来已被广泛应用于生活污水[12]、工业废水[13]、农业灌溉废水[14]甚至垃圾渗滤液的处理当中[15]。因此,在SBBR出水后加上人工湿地处理系统,不仅能够满足出水脱氮除磷的水质要求,大幅度消减对受纳水体的负荷冲击,在一定程度上保障河道湖泊的水质,还可使得整个系统在处理达标的同时具有良好的环境、经济效益。本实验将SBBR与人工湿地相结合用于处理生活污水。研究了整套组合工艺的最优运行参数,要求充分发挥人工湿地的处理效能以降低SBBR系统的能耗,在保证出水水质的情况下,使得组合工艺的综合运行费用最低。1　实验材料与方法1.1实验材料实验选用国家碳纤维工程技术研究中心与北京市水处理环保材料工程技术研究中心联合研发的第二代生态碳纤维材料作为SBBR的生物膜填料,这种填料是经丙酮改性后的PAN-ACF,纤维强度高,使用寿命长,且具有良好的生物相容性和极大的比表面积,能够为微生物提供较为广阔的附着空间。根据反应器容积,实验共使用5个圆环碳纤维,每个圆环之间间隔10cm,用铁丝串联悬挂于反应器内。人工湿地选用陶粒、沸石以及天然土壤作为湿地基质,选用芦苇和香蒲作为人工湿地植物。1.2实验装置1.2.1SBBR系统SBBR装置由有机玻璃制成,设计内径为150mm,高600mm,壁厚8mm,底部设置有一高为45mm的半球形排泥系统,装置总容积11L,有效容积9L,如图1所示。装置于距底部100mm处设置进水口,距底部350mm处设置出水口,反应器每个周期处理水量为3.5L。装置采用鼓风曝气,通过空气转子流量计控制曝气强度,以3个细沙曝气头作为空气扩散器使得反应器内曝气均匀。由于挂膜后的生态碳纤维材料以及附着于其上的生物膜体积较大,占整个反应器的40%以上,因而运用循环泵进行厌氧循环以替代原始的搅拌系统,反应中厌氧循环量固定为5L·min-1。整个实验流程均通过定时器控制,并通过加热棒及控温系统控制反应器温度在25℃以上以保证反应器中微生物活性。1.2.2人工湿地系统实验选取垂直潜流式人工湿地,由有机玻璃制成,设计内径200mm,高600mm,壁厚8mm,如图1所示,装置于距顶部100mm处设置进水口,于底部出水直接排入出水池中。装置中所有填料根据反应器大小,从底部按级配填装150mm厚的陶粒层(粒径8~10mm)、100mm厚的砾石层(粒径6~8mm)、150mm厚的沸石层(粒径3~5mm)以及100mm厚的天然土壤层,其中陶粒、砾石和沸石的主要成分为8254第8期刘舒巍等:SBBR与人工湿地组合工艺脱氮除磷SiO2、Al2O3,天然土壤取自北京化工大学校园,主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和K2O等。图1　SBBR-CW生化系统Fig.1　SchematicdiagramoftheSBBR-CWbiologicalsystem　1.2.3工艺流程实验运行工艺流程如图1所示,SBBR反应器采取底部进水、进气模式,反应结束后,通过蠕动泵滗水至中间水量调节池,再通过蠕动泵抽出进入人工湿地中,人工湿地采取间歇运行模式,每天处理水量9L,停留时间约为12h,水力负荷为0.024m3·(m2·h)-1。反应器整个运行过程中对SBBR系统启动挂膜、运行参数优化期间的COD、氨氮、TN和TP等主要指标进行测定,并研究整个组合工艺脱氮除磷效果。1.3实验水质表1　实验污水进出水水质指标Table1　Characteristicsofinfluentandeffluentswastewater项目pHCODNH+4-NTNTP进水7.550025355出水6~9≤20≤5≤15≤0.5实验用水采用自配的合成废水,以葡萄糖、氯化铵分别作为系统所需的碳、氮源,采用磷酸二氢钾模拟水体中的溶解性磷酸盐,同时加入少量Mg2+、Fe2+和Mn2+等微生物生长所必需的微量元素,并通过添加碳酸氧钠调节水体pH,试剂均选用分析纯级别。实验出水要求满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准。实验进出水水质指标如表