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 我国目前面临着严重的环境问题,水体富营养化是其中重要的问题之一,氮是引发水体富营养化的重要因子,而传统污水处理的运行成本(如曝气等)居高不下也在一定程度上限制了某些区域污水处理厂的普及。因此在经济节能的前提下完成污水中有机物和总氮的去除成为了当前研究的热点。

潮汐流人工湿地是一种新型人工湿地,其运行方式包括进水-反应-排空-闲置4个阶段,在该运行模式下周期性的复氧,能有效促进污染物质的去除。其原理是利用运行过程中床体饱和浸润面瞬间变化产生的基质孔隙水吸力将大气氧强迫吸入床体,从而提高湿地床的氧传输量和氧气有效利用率,实现并强化对污染物质的去除。

关于曝气生物滤池(BAF)的研究也广泛地存在于国内外,由于硝化菌的增长速率较慢以及异养菌与其竞争生存空间和溶解氧,因此该工艺也存在着有机碳严重限制硝化细菌进行生化反应的问题,另外其曝气运行费用过高,也限制了其应用。

SBR工艺是通过在时间上的交替来实现传统活性乐虎app官网法的整个运行过程,在流程上只有一个基本单元,将调节池、曝气池和二沉池的功能集于一体,进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。其运行过程为:进水-曝气-沉淀-排水-闲置,其运行过程中仍需曝气,从而产生经济费用。

研究中采用新型缺氧SBR即ASBR和潮汐流生物滤池即TFBF组合工艺。该组合工艺吸纳了潮汐流人工湿地的优点,将其运用到了生物滤池中,在底部设置曝气盘,以便定时对反应器进行反冲洗,防止其堵塞。同时,组合工艺运行过程中采用前置ASBR和后置TFBF将硝化和反硝化的功能区分开,在ASBR中实现缺氧反硝化的同时消耗掉大部分有机物,从而使得在后续的TFBF反应器中异养好氧菌与自养硝化菌竞争时竞争力下降,实现好氧硝化。对TFBF出水回流液进入ASBR反应器中的比例进行改变,从而优化出污染物去除率较高的最佳回流比,同时为了更深入地了解该新型反应器的脱氮性能,对各个回流比下ASBR和TFBF反应器周期内污染物变化进行了研究。

1材料与方法

1.1实验装置及运行方法
实验在西安市某高校污水处理厂实验室里开展,ASBR反应器为长30cm,宽20cm,高40cm的长方体容器,除去超高,有效容积约18L,反应时采用反应器底部微型潜水泵进行混匀搅拌;TFBF反应器采用直径15cm,高1.5m的有机玻璃圆柱体,除去超高和底部空间,有效容积23L,底部设有曝气盘,自下而上依次填充15mm、8~10mm的火山岩滤料,填充高度分别为30、100cm,孔隙率为51.5%,故实际容水体积约为12L,工艺流程如图1所示。

污水由原水桶首先进入ASBR反应器,反应之后排入ASBR出水桶中,并经水泵注入TFBF反应器中,TFBF出水部分回流至ASBR反应器中,其余排出,ASBR与TFBF反应器每日均运行6周期,每周期4h。ASBR单周期各阶段运行时间分别为进水5min,反应180min,静置30min,排水5min,空置25min;TFBF分别为空置50min,进水5min,反应180min,排水5min。

1.2实验水质及监测方法
研究中的原污水采用西安某高校生活污水,主要的水质指标:COD(181.32±21.15)mg/L,NH4+-N(30.36±2.12)mg/L,NO3--N(2.19±0.37)mg/L,TN(34.87±1.91)mg/L。在实验期间水温介于12~19.8℃。监测方法参考了《水和废水监测分析方法》第4版,COD采用回流法,NH4+-N用纳氏试剂分光光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,DO采用WTWMulti3410便携式仪器测定。

2结果与分析
不同回流比下(图中竖线分开的区域从左至右回流比依次为50%、100%、200%、300%)污染物在ASBR-TFBF工艺中的去除曲线如图2所示。

由图2可见,TFBF反应器中NH4+-N去除效果与进水NH4+-N浓度呈负相关,其原因主要是由于潮汐作用吸收进反应器的溶解氧有限,而进水NH4+-N过高时TFBF反应器中的氧气供给不足,从而导致NH4+-N出水浓度高;随着回流比的加大,ASBR反应器出水中NH4+-N随回流比的增大而减少,这主要是由于回流液稀释作用所致。

而NO3--N浓度呈逐渐升高的趋势,这主要是由于随着回流比的加大,反应器中的COD浓度较低造成碳源不足而影响到反硝化作用。

出水TN随回流比增加而呈减少的趋势,从TN变化曲线中也可看出其在TFBF反应器中有所减少,这主要是TFBF反应器中的生物膜中形成局部的缺氧环境中存在反硝化作用,但由于其进水COD较低,因此TN去除量很小(3~4mg/L)。

ASBR反应器出水COD随着回流比增大逐渐降低,而TFBF反应器出水COD基本不随回流比变化,其值较为稳定,基本在25mg/L左右,从而说明其抗冲击负荷能力较强。

不同回流比条件下的NH4+-N、TN、COD去除率如图3所示。

由图3可见,NH4+-N去除率在各个回流比下依次为54.37%±1.74%、73.61%±2.96%、83.72%±2.23%、84.06%±1.57%,这主要是由于进水浓度过高时NH4+-N的氧化受到限制,不能被完全氧化〔2〕。

TN去除率在各个回流比下依次为35.76%±2.89%、50.74%±2.56%、61.55%±3.04%、59.49%±2.33%,随着回流比从50%~200%变化时,其去除率呈上升趋势,YongzhiChen等〔3〕在研究A2/O-BAF组合工艺时,在控制回流比为100%~400%时,TN去除率呈上升趋势,但是笔者研究中发现在回流比增至300%时去除率较回流比为200%时略有下降,这主要是由于在回流比为300%时,ASBR反应器中的COD浓度过低,从而导致反硝化作用较差,出水NO3--N过高,而NO3--N占了出水TN的55%左右,因此TN去除率有所下降。

从图中还可看出NH4+-N和TN的去除率随回流比变化趋势基本一致。COD去除率基本稳定于85%左右,这主要是由于TFBF反应器出水COD较为稳定所致。总体而言在回流比为200%时各项污染物的去除效果达到最优。

ASBR反应器的不同回流比条件下单周期内污染物变化的实验结果如图4所示。

图4可见,在回流比为50%、100%、200%、300%下,其t=0时刻的COD分别为112、102、88、78mg/L左右,回流比为50%时,在100min后COD和NO3--N浓度基本稳定,在回流比为100%~300%时COD和NO3--N浓度在120min后才趋于稳定,这说明在ASBR反应器中反硝化作用与初始COD相关。而氨氮浓度在ASBR中的整个周期反应过程中无明显变化,随着回流比加大,t=0时刻的NO3--N浓度呈上升趋势,其出水浓度也呈上升趋势,这主要是由于随着回流比的增大,反应器中碳源不足所导致的反硝化作用进行不完全所致。

不同回流比条件下TFBF反应器中周期内污染物变化实验结果如图5所示。

由图5可见,在进水NH4+-N浓度随着回流比增加而降低的条件下,该反应器中NH4+-N去除效果呈上升趋势。在图中可以看出NH4+-N去除量与NO3--N生成量并不平衡,很多研究发现人工湿地对污水中NH4+-N的去除量与NO3--N和NO2--N的生成量不能平衡,而对NH4+-N去除的主要途径众说不一,如D.Austin等〔4〕提出在接触时NH4+-N吸附在带负电的滤料介质中,在空置时与氧气接触进行硝化作用,而在笔者研究中也发现类似的现象,另外在TFBF反应器中可能存在局部反硝化作用,同时发现在回流比为50%时,t=0时刻NO3--N>2mg/L,而其进水NO3--N<1mg/L,这说明在TFBF反应器空置时对滤料上吸附的部分NH4+-N进行了硝化作用,在刚进水后便有部分硝化后的NO3--N溶进水中,从而导致t=0时刻NO3--N浓度便比其进水中浓度有所上升,但随着回流比的增大,这种现象呈减弱趋势,如在回流比300%,t=0时刻的NO3--N为2.5mg/L左右,与其进水中的浓度基本一致。从这一现象可以看出不同的进水NH4+-N浓度也会影响滤料对其吸附量,如在回流比50%时,进水NH4+-N处于22mg/L左右,所以NH4+-N的去除分为充水时硝化、吸附+空置时硝化两部分,而回流比为300%时所对应的进水NH4+-N约为12mg/L,在此条件下的吸附作用可能不强,从而使得空置硝化作用就相对较弱,另有学者研究表明通过硝化作用,滤料的吸附能力可以再生。

DO浓度沿时逐渐降低,同时NH4+-N浓度也逐渐降低,在充水后,反应器中由潮汐作用吸入的氧气以气泡形式截留于滤料空隙中,在硝化反应的过程中能向水中提供部分DO。Y.S.Hu等在研究潮汐流人工湿地的过程中发现空置时间由10min增至120min时NH4+-N去除明显增加,由此说明潮汐流人工湿地空置时所发生的硝化作用很重要,在笔者研究中每个周期中TFBF反应器的空置时间均为50min,在下一步的研究中可以探讨在不同空置时间下的NH4+-N去除效果。

3结论
(1)通过改变回流比对新型ASBR-TFBF工艺脱氮性能进行优化,在完全未曝气且回流比为200%的条件下,新型ASBR-TFBF工艺对西安某高校生活污水的处理中对NH4+-N、COD、TN的去除率分别能达到84%、86%、61%。

(2)在原水中COD、NH4+-N、TN分别为(181.32±21.15)mg/L、(30.36±2.12)mg/L、(34.87±1.91)mg/L的条件下,回流比分别为50%、100%、200%时NH4+-N和TN去除率随回流比增大而增大,而出水NO3--N浓度略有上升,在回流比为300%时TN去除率略有下降;COD去除率基本不随回流比变化而变化,稳定于85%左右,其出水COD在25mg/L左右。

(3)各个回流比周期内污染物变化实验结果表明:TFBF对NH4+-N的去除可能由充水硝化、吸附+空置硝化两部分构成,且其作用受进水NH4+-N浓度影响,在回流比增大时(即进水NH4+-N浓度降低)其空置硝化作用有减弱趋势。

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