沸石曝气生物滤池处理农村生活污水的实验

　第２５卷　第５期厦门理工学院学报Ｖｏｌ．２５　Ｎｏ．５　　２０１７年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＯｃｔ．２０１７　　［收稿日期］２０１７－１０－０６　　　　［修回日期］２０１７－１０－２６［基金项目］福建省自然科学基金项目（２０１６Ｊ０５１４０）；福建省科学技术引导性项目（２０１６Ｈ００３９）；厦门市留学人员科研项目（厦人社［２０１６］３１４号－０２）［作者简介］黄晓鸣（１９８２－），男，实验师，硕士，研究方向为环境矿物学和水污染控制，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]。沸石曝气生物滤池处理农村生活污水的实验黄晓鸣１，连希凡１，汪嘉源２，唐晓凌１，许美兰１，潘　敏１（１．厦门理工学院环境科学与工程学院，福建厦门３６１０２４；２．安徽省环境监测中心站，安徽合肥２３００７１）［摘　要］采用曝气生物滤池（ＢＡＦ）系统，进行沸石和普通沙子作为滤料处理模拟农村生活污水的对比实验。实验结果表明，停留时间为８ｈ，沸石曝气生物滤池（ＺＢＡＦ）和沙子曝气生物滤池（ＳＢＡＦ）对ＣＯＤ去除率分别为８８􀆰３９％和７９􀆰３８％；ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ对ＴＮ去除率分别为７２􀆰１７％和４９􀆰４９％。沸石作为曝气生物滤池的填料，更有利于农村生活污水中ＣＯＤ、ＮＨ４＋⁃Ｎ和ＴＮ的去除。ＺＢＡＦ的出水ＴＮ和ＣＯＤ浓度均达到了污水排放国标一级标准。［关键词］污水处理；农村生活污水；曝气生物滤池；沸石；沙子［中图分类号］Ｘ７０３　［文献标志码］Ａ　［文章编号］１６７３－４４３２（２０１７）０５－００７８－０５近年来，水体的富营养化问题已经是全球面临的严峻的水污染问题之一。由于过量的氮营养物质进入水体，造成河流和湖泊的富营养化，藻类过量繁殖引起水质恶化、湖泊退化，严重破坏了水体生态环境，威胁水生生物的生存和人类健康［１－２］。因此，有效控制含氮废水的排放是解决受纳水体富营养化的关键。曝气生物滤池（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ，ＢＡＦ）是在传统滤池基础上发展起来的新工艺，具有有机负荷高、占地面积小、处理效率高等特点［３］。ＢＡＦ以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为处理介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、膜和填料的物理吸附作用，实现污染物在同一单元反应器内去除［４］。沸石是自然界天然存在的一种含水的碱金属和碱土金属的硅铝酸盐晶体的总称，廉价易得。许多研究表明，沸石对氨氮有很强的选择性离子吸附和交换能力［５］。由于天然沸石具有较大的孔隙率和比表面积，因而具有较大的生物附着表面，在沸石表面有生物膜时仍具有交换氨氮的能力［６］。因此，沸石是一种较为理想的ＢＡＦ填料。沸石载体上富集的微生物能使沸石不断的得到生物再生，加强了其生物脱氮系统的性能和效率［３，７－９］。目前，沸石曝气滤池多用于微污染水源的水以及城市生活污水的治理，在农村生活污水治理上的研究和应用较少。本实验以天然斜发沸石作为ＢＡＦ填料，在实验室建立沸石曝气生物滤池（ＺＢＡＦ），以考察ＺＢＡＦ处理农村生活污水的运行参数、反应沿程特性以及脱氮效果，确定其处理农村生活污水的最佳工艺参数。１　材料与方法１􀆰１　实验材料１）模拟废水。实验中所用的模拟农村生活污水的质量浓度为：３００ｍｇ／ＬＣＨ３ＣＯＯＮａ（ＣＯＤ质量浓度为２３１􀆰３３ｍｇ／Ｌ），１８ｍｇ／Ｌ酵母提取物，１２０ｍｇ／ＬＮＨ４Ｃｌ（ＮＨ４＋⁃Ｎ质量浓度为３１􀆰４０ｍｇ／Ｌ），１００ｍｇ／ＬＫ２ＨＰＯ４，１３０ｍｇ／ＬＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ，１８ｍｇ／ＬＣａＣｌ２·６Ｈ２Ｏ；微量元素溶液包括：ＣｕＳＯ４·６Ｈ２Ｏ（０．０６ｍｇ／Ｌ），ＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ（３．００ｍｇ／Ｌ），ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ（０．２４ｍｇ／Ｌ），ＫＩ（０．０６ｍｇ／Ｌ），Ｈ３ＢＯ４　第５期黄晓鸣，等：沸石曝气生物滤池处理农村生活污水的实验（０．３ｍｇ／Ｌ），ＭｎＣｌ２·４Ｈ２Ｏ（０．２４ｍｇ／Ｌ），Ｎａ２ＭｏＯ４·２Ｈ２Ｏ（０．１２ｍｇ／Ｌ），和ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ（０．３０ｍｇ／Ｌ）。每升的人工配置模拟污水中加入１ｍＬ微量元素溶液。ｐＨ值调节到７􀆰０～７􀆰５之间。实验所用试剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司（上海）。进水管进气管进水池进水泵空气泵3241出水承托层滤料层清水区反冲洗进水图1实验装置运行图Fig.1Schematicdiagramofthelaboratory鄄scalesystems２）实验装置。实验中采用３个完全相同的有机玻璃圆柱体，一个用添加了活性污泥的沸石作为填料构建ＺＢＡＦ反应器，一个用普通沙子作为填料构建ＳＢＡＦ反应器，一个不加活性污泥只添加沸石作为滤料的沸石曝气滤池（ＺＦ），实验装置运行见图１。活性污泥取自当地的污水处理厂，经水洗沉淀后去除上清液得到浓缩后的活性污泥。分别取１􀆰５Ｌ浓缩后的活性污泥（旋浮物浓度为９􀆰７２ｇ／Ｌ）加入到ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ反应器中培养。实验采用２个蠕动泵（分别带２个泵头）分别用于３个反应器的进水和出水。小型的鼓风机接砂头置于反应器底部进行曝气。反应器高度为４１０ｍｍ，外直径为２００ｍｍ，内直径为１９０ｍｍ，底部厚度６ｍｍ，清水区高９０ｍｍ，滤料区高２００ｍｍ，卵石承托层高４０ｍｍ，布水布气区高５０ｍｍ，有效容积为１０􀆰８Ｌ。进水口位于布水布气区中部，进气管和反冲洗管位于布水布气区中下部。承托层以上每隔６０ｍｍ设一个取样口，共设４个，取样口１为最终出水。对４个出水口分别进行水样的采集，以备水样分析测试。３）填料。天然斜发沸石购于安徽宣城，沙子为当地普通的河沙。沸石粒径为２～３ｍｍ，沙子粒径为０􀆰８～１􀆰２ｍｍ。４）反应器运行。３个反应器均采用上流式进水。运行周期为６０ｄ，分为两个阶段：第一阶段为前３０ｄ，进水流量为４４􀆰７６ｍＬ／ｍｉｎ，气体流量为９００ｍＬ／ｍｉｎ，气水比约为２０∶１；第二阶段为后３０ｄ，流量变化为２２􀆰４６ｍＬ／ｍｉｎ，气体流量不变，气水比为４０∶１。其中ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ进水为模拟农村生活污水，ＺＦ的进水为１２０ｍｇ／ＬＮＨ４Ｃｌ溶液。反冲洗过程中，进水泵连接自来水管。反冲洗时间为４～７ｍｉｎ，周期为４８ｈ。１􀆰２　水质分析方法实验所使用的药品均为分析纯。ＮＨ４＋⁃Ｎ、ＮＯ２－⁃Ｎ、ＮＯ３－⁃Ｎ、ＰＯ４３－⁃Ｐ、ＴＮ、ＴＰ和ＣＯＤ等水质指标的监测均采用国家标准分析方法。２　结果与讨论２􀆰１　反应器对农村生活污水处理效果的比较在流量为４４􀆰７６ｍＬ／ｍｉｎ下，水力停留时间为４ｈ，进水有机负荷为１􀆰３８ｋｇ／（ｍ３·ｄ）。ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ出水中ＣＯＤ的质量浓度分别为（８０􀆰８４±１􀆰５８）ｍｇ／Ｌ和（１１２􀆰６７±２􀆰２７）ｍｇ／Ｌ，去除率分别为６９􀆰６１％和５７􀆰６４％。ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ出水中ＴＮ的质量浓度分别为（２０􀆰８１±０􀆰１０）ｍｇ／Ｌ和（２８􀆰００±０􀆰０５）ｍｇ／Ｌ，去除率分别为５０􀆰８９％和１０􀆰８３％。与沙子相比，加活性污泥的沸石作为曝气生物滤池填料能更有效地去除ＣＯＤ和ＴＮ。当流量降低到２２􀆰４６ｍＬ／ｍｉｎ，水力停留时间为８ｈ，进水有机负荷为０􀆰６９ｋｇ／（ｍ３·ｄ）。ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ对ＣＯＤ去除率均上升到８８􀆰３９％和７９􀆰８８％，对ＴＮ去除率均上升到７２􀆰１７％和４９􀆰４９％。实验结果表明，提高水力停留时间、降低有机负荷有利于沸石曝气生物滤池去除农村生活污水中的ＣＯＤ和ＴＮ，这与其他的研究结论相符合［３－５］。此外，ＺＢＡＦ出水的ＣＯＤ浓·９７·厦门理工学院学报２０１７年度和ＴＮ浓度达到了污水排放一级标准（见图２、图３）。0510152025306080100120140160180200ZBAFSBAF05101520253020406080100ZBAFSBAF质量浓度/mg·L-1质量浓度/mg·L-1时间/d时间/d(a)进水流量44.76mL/min(b)进水流量22.46mL/min图2ZBAF和SBAF对COD去除效果的影响Fig.2EffectofZBAFandSBAFonCODremoval05101520253020222426283032343638ZBAFSBAF0510152025308101214161820222426283032343638ZBAFSBAF质量浓度/mg·L-1质量浓度/mg·L-1时间/d时间/d(a)进水流量44.76mL/min(b)进水流量22.46mL/min图3ZBAF和SBAF对TN去除效果的影响Fig.3EffectofZBAFandSBAFonTNremoval在流量为４４．７６ｍＬ／ｍｉｎ下（水力停留时间为４ｈ），ＺＢＡＦ、ＳＢＡＦ和ＺＦ出水中氨氮的质量浓度分别为（１０．０６±０．１０）ｍｇ／Ｌ、（１５．７４±０．１２）ｍｇ／Ｌ和（２５．４２±０􀆰０９）ｍｇ／Ｌ，对氨氮的去除率分别为６７􀆰９５％、４９􀆰８６％和１９􀆰０３％。当流量降低到２２􀆰４６ｍＬ／ｍｉｎ（水力停留时间为８ｈ），ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ对氨氮均有更好的去除效果，去除率分别上升到９６􀆰８６％和６９􀆰３５％。然而，在ＺＦ反应器中，出水中氨氮浓度在前１０ｄ逐渐下降，在１１ｄ之后出水的氨氮浓度不断上升，并且在２５ｄ之后氨氮基本保持在（３０．０２±０．０４）ｍｇ／Ｌ，表明沸石作为吸附剂对氨氮的吸附量在第二阶段的第１０天基本达到饱和。·０８·　第５期黄晓鸣，等：沸石曝气生物滤池处理农村生活污水的实验１１ｄ之后，沸石对氨氮吸附量减少从而使得出水中氨氮浓度逐渐升高（见图４）。051015202530101520253035ZBAFSBAFZF051015202530048121620242832ZBAFSBAFZF质量浓度/mg·L-1质量浓度/mg·L-1时间/d时间/d(a)进水流量44.76mL/min(b)进水流量22.46mL/min图4ZBAF、SBAF和ZF对氨氮去除效果的影响Fig.4EffectofZBAF，SBAFandZFonammoniumremoval２􀆰２　沸石对农村生活污水脱氮过程的贡献在流量２２􀆰４６ｍＬ／ｍｉｎ（水力停留时间为８ｈ）条件下的第１０天，ＺＢＡＦ、ＳＢＡＦ和ＺＦ对ＮＨ４＋⁃Ｎ去除率分别为７３􀆰５０％、５１􀆰１４％和３５􀆰８０％，表明ＺＢＡＦ反应器中沸石即起到生物载体的作用，也能作为吸附剂吸附去除氨氮，即生物附着不影响沸石吸附氨氮的能力，各出水口水质见表１。表１　第１０天ＺＢＡＦ、ＳＢＡＦ、ＺＦ各出水口出水水质Ｔａｂｌｅ１　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｆｆｌｕｅｎｔｓａｔｔｈｅ１０ｔｈｄａｙｆｒｏｍＺＢＡＦ，ＳＢＡＦａｎｄＺＦ（ｍｇ／Ｌ）出水口ＮＨ４＋⁃ＮＺＢＡＦＳＢＡＦＺＦＮＯ２－⁃ＮＺＢＡＦＳＢＡＦＺＦＮＯ３－⁃ＮＺＢＡＦＳＢＡＦＺＦ１＃８．３２１５．３５２０．１６４．４９０．６３－－－－２＃１１．３５１８．６９２３．１４６．２９１．３１－１．６８－－３＃１５．３２２１．５７２５．７７７．７０２．４７－０．５２－－４＃１９．５５２５．９１２８．５４１．５６０．１９－－－－　　注：流量２２􀆰４６ｍＬ／ｍｉｎ，－代表低于检测限。沿着出水方向，ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ对氨氮去除量逐渐减少，最大的去除量均出现在４＃出口。因为沿着出水方向，ＤＯ浓度是逐渐减少的，所以氨氧化菌对氨氮的硝化效果逐渐减少。在ＺＢＡＦ和ＳＢＡＦ中，ＮＯ２－⁃Ｎ最高浓度均出现在３＃出口，说明亚硝化细菌在３＃出口附近最为活跃。ＺＢＡＦ中ＮＯ３－⁃Ｎ大浓度出现在２＃和３＃出口，其中２＃出口浓度最大，说明在２＃和３＃出水口附近硝酸盐氧化菌最为活跃。此外，在ＢＡＦ挂膜的初期，硝化细菌首先在反应器的下部附着，随着培养时间的加长，硝化细菌逐渐向反应器的上部生长。而在ＳＢＡＦ中４个出水口均没有ＮＯ３－⁃Ｎ浓度检出，说明ＳＢＡＦ中生成的ＮＯ２－⁃Ｎ和ＮＯ３－⁃Ｎ均被反硝化菌反硝化去除。实验利用沸石对氨氮的选择吸附特性，将沸石作为曝气生物滤池的滤料，挂膜成熟后Ｚ