生活污水處理玄武巖纖維填料強化Ａ/Ｏ工藝
利用生物填料增強污水處理效能得到越來越多的研究，投加填料不僅可以增加系統(tǒng)生物量、提高脫氮能力，而且可以提升系統(tǒng)的抗沖擊負荷性能。目前常見的生物水處理填料可分為無機和有機兩大類，玄武巖纖維(ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒ，ＢＦ)是一種無機的新型高技術(shù)纖維，是以純天然火山巖為原材料，在１４５０~１５００℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的，其密度為２.６~３.０５ｇ/ｃｍ３，主要化學成分為高含量ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｎａ２Ｏ(其中ｗ(ＳｉＯ２)為４４％~５２％，ｗ(Ａｌ２Ｏ３)為１２％~１８％，ｗ(ＦｅＯ)和ｗ(Ｆｅ２Ｏ３)為９％~１４％)，目前已廣泛應(yīng)用于航天、軍工、環(huán)保、建筑等諸多領(lǐng)域。與其他填料相比，ＢＦ填料除了具有比表面積大、耐久性強、抗水力沖擊負荷大、耐腐蝕等特點外，還具有良好的生物親和性和吸附性能，能很快地將懸浮污泥中的微生物吸附在填料表面。
ＢＦ填料通過吸附與富集作用將微生物固定在纖維表面，形成直徑１０ｃｍ以上的球狀污泥絮凝體，稱為“生物巢”，包裹著高密度生物量。張倩等通過將ＢＦ填料引入序批式反應(yīng)器(ＳＢＲ)中處理生活污水，出水ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ去除率分別達到８３.２％、８９.９％、８６.８％；戚永潔等利用ＢＦ填料處理印染廢水，在ＨＲＴ為１５ｈ時，ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＰ去除率分別達到６７.２６％、５１.０２％和７２.１１％。上述結(jié)論說明，ＢＦ填料具有良好的脫氮除碳的潛能。但是尚未發(fā)現(xiàn)ＢＦ填料應(yīng)用于Ａ/Ｏ工藝的研究報道。本研究通過在Ａ/Ｏ工藝缺氧池和好氧池加入ＢＦ填料，考察玄武巖纖維填料對Ａ/Ｏ工藝的強化效果，為后續(xù)ＢＦ填料應(yīng)用于污廢水處理工藝提供支撐。
１、實驗部分
１.１ 實驗裝置
強化Ａ/Ｏ工藝實驗裝置由透明有機亞克力玻璃制成，如圖１所示，在缺氧池(長×寬×高＝０.６ｍ×０.４ｍ×１.０ｍ，有效容積２００Ｌ)和好氧池(長×寬×高＝１.０ｍ×０.６ｍ×１.０ｍ，有效容積５５０Ｌ)分別加入傘狀ＢＦ填料。每束傘狀ＢＦ填料重１５ｇ，長１５ｃｍ，每４束ＢＦ填料通過鈦絲絞纏固定成一串懸掛于反應(yīng)器內(nèi)，其中缺氧池和好氧池分別懸掛４串和１５串ＢＦ填料，每束ＢＦ填料垂直方向間距為１４ｃｍ，水平方向間距為２０ｃｍ，缺氧池和好氧池填充率約為１０.０％和３２.０％。實驗另設(shè)不加ＢＦ填料的Ａ/Ｏ工藝作為對照實驗，Ａ/Ｏ工藝裝置所用材料及體積與強化Ａ/Ｏ工藝裝置相同。
１.２ 實驗用水及分析方法
從加入ＢＦ填料到形成穩(wěn)定生物巢的過程稱為生物巢培養(yǎng)階段。由于實際生活污水中有機物濃度較低且波動較大，為了快速培養(yǎng)生物巢以及研究生物巢強化Ａ/Ｏ工藝去除污染物的效果，實驗采用模擬生活污水。模擬生活污水的水質(zhì)如表１所示。
實驗對出水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ以及ＳＳ等參數(shù)進行測定，方法如表２所示。
１.３ 實驗方法
實驗污泥取自鎮(zhèn)江市某污水處理廠回流污泥，采用連續(xù)進水的方式培養(yǎng)生物巢，按ｍ(Ｃ)∶ｍ(Ｎ)∶ｍ(Ｐ)＝１００∶５∶１配制ρ(ＣＯＤ)為５００ｍｇ/Ｌ營養(yǎng)液，所用藥品有葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等。生物巢培養(yǎng)時期運行參數(shù)為：ＨＲＴ為１５ｈ(缺氧池４ｈ，好氧池１１ｈ)，缺氧池ρ(ＤＯ)為０.１~０.２ｍｇ/Ｌ，好氧池ρ(ＤＯ)為３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，好氧池ｐＨ控制在７.３~７.７，溫度為２２~２６℃，硝化液回流比為３００％，污泥回流比為９０％。連續(xù)培養(yǎng)２０ｄ后，ＢＦ填料形成了穩(wěn)定形態(tài)的球狀生物巢，且ＣＯＤ去除率穩(wěn)定在９０％以上，視為生物巢培養(yǎng)成功，開始進行階段性實驗。
第１階段實驗：以表１中模擬生活污水為原水，考察強化Ａ/Ｏ工藝和常規(guī)Ａ/Ｏ工藝對生活污水的處理效果，該階段２組反應(yīng)器所用的模擬生活污水藥品和運行參數(shù)同生物巢培養(yǎng)時期。
第２階段實驗：為了探究強化Ａ/Ｏ工藝抗沖擊負荷的性能，該階段提高進水ＣＯＤ負荷，并與Ａ/Ｏ工藝對比污染物去除效果及污泥減量效果。該階段２組反應(yīng)器采用相同的進水條件，所用廢水水質(zhì)指標ρ(ＣＯＤ)為１２３０~１８７２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＮ)為５５.２~６８.２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＰ)為１０.５~１３.７ｍｇ/Ｌ。通過監(jiān)測該階段實驗的進、出水中各項污染物指標與反應(yīng)器內(nèi)ＭＬＳＳ(混合液懸浮固體濃度)、污泥沉降比及生物相，及時對反應(yīng)器的運行狀況進行調(diào)整。
污泥總量測定：在不影響生物巢結(jié)構(gòu)的前提下，將２組實驗反應(yīng)器活性污泥充分混合均勻后平均分到２組反應(yīng)器裝置內(nèi)?；旌虾髢上到y(tǒng)內(nèi)懸浮液污泥總量相同，為２.７ｋｇ。
生物巢生物量測定：從反應(yīng)器內(nèi)取出１串ＢＦ填料(４束)浸入１ｍｏｌ/ＬＮａＯＨ溶液中，水浴加熱至８０℃保持３０ｍｉｎ后進行超聲(１００Ｗ，３０ｍｉｎ)處理，然后用去離子水沖洗，再經(jīng)過濾、烘干、稱重得到１串ＢＦ填料的生物量。單個生物巢生物量＝每串ＢＦ填料生物量/每串ＢＦ填料的束數(shù)。
微生物在高負荷廢水條件下生長繁殖速率較快，從而導致了污泥的快速增長。污泥產(chǎn)率系數(shù)可直觀表示出污泥產(chǎn)量高低，其計算如式(１)所示：
式中：Ｙ為污泥產(chǎn)率系數(shù)，ｋｇ/ｋｇ(以ＣＯＤ計)；ＭＬＳＳｓｔａｒｔ為每１組實驗開始時污泥的總量，ｋｇ；ＭＬＳＳｅｎｄ為實驗結(jié)束時的污泥總量，ｋｇ；ＣＯＤｒｅｍｏｖｅｄ為每１組實驗階段ＣＯＤ的去除總量，ｋｇ。
由于實驗過程取出ＢＦ填料測生物量會對實驗結(jié)果造成較大影響，故實驗只在實驗開始前及結(jié)束時對生物巢生物量進行測定。
２、實驗結(jié)果與討論
２.１ 強化Ａ/Ｏ工藝處理生活污水效果分析
圖２為強化Ａ/Ｏ工藝處理生活污水的處理效果。可知：進水ρ(ＣＯＤ)為４１０~５７４ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工藝出水ρ(ＣＯＤ)為９.８~４５.４ｍｇ/Ｌ，平均為３０.３ｍｇ/Ｌ；強化Ａ/Ｏ工藝出水ρ(ＣＯＤ)為８.２~３０.９ｍｇ/Ｌ，平均為１９.５ｍｇ/Ｌ，ＣＯＤ平均去除率分別為９３.９％和９５％。強化Ａ/Ｏ工藝使更多的微生物富集在ＢＦ填料上，從而提高系統(tǒng)中的微生物含量，鏡檢發(fā)現(xiàn)在生物巢表面附著的污泥絮體中新生菌膠團無色透明，結(jié)構(gòu)緊密，具有較高的活性(圖３)，極大地提高了氧化分解有機物的能力，在進水ＣＯＤ濃度相同的條件下增強了系統(tǒng)對ＣＯＤ的去除率。但是由于ＢＦ填料上生物量較大，低濃度的有機物不能滿足反應(yīng)器微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)進行代謝活動，使其活性受到影響，因此２組反應(yīng)器出水ＣＯＤ濃度大致相同。
ＮＨ＋４－Ｎ的去除包括微生物同化作用和硝化作用，主要是依靠硝化細菌進行硝化反應(yīng)來實現(xiàn)。由圖２ｂ可知：進水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為３２~４４ｍｇ/Ｌ，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為０.５９ｍｇ/Ｌ，平均去除率達到９８％，而常規(guī)Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為２.４４ｍｇ/Ｌ，平均去除率為９２％?？梢缘贸觯和都樱拢铺盍咸岣吡讼到y(tǒng)對ＮＨ＋４－Ｎ的抗負荷能力，強化Ａ/Ｏ工藝好氧池由于加入ＢＦ填料，生長周期較長的硝化細菌可以在ＢＦ填料上生長，相應(yīng)地延長了硝化細菌的停留時間，從而提高了硝化細菌的數(shù)量，因此強化Ａ/Ｏ工藝具有高效的ＮＨ＋４－Ｎ去除效果。
由圖２ｃ可知：進水ρ(ＴＮ)為３６~５４ｍｇ/Ｌ，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＴＮ)為４.６ｍｇ/Ｌ，平均去除率達到８６.３％，高于常規(guī)Ａ/Ｏ工藝出水ＴＮ的平均去除率８２.３％。這是由于在好氧池中生物巢內(nèi)部也存在缺氧微環(huán)境，同樣會進行部分反硝化去除ＴＮ，且在缺氧池內(nèi)加入了ＢＦ填料，反硝化細菌可以固定生長在填料上，在相應(yīng)的微環(huán)境生長成為特定的優(yōu)勢菌種，故強化Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率較高。
２.２ 強化Ａ/Ｏ工藝處理高負荷廢水效果分析
強化Ａ/Ｏ工藝處理高負荷廢水效果如圖４所示?？芍弘S著ＣＯＤ負荷緩慢提高，２組工藝對ＣＯＤ的去除效果均能達到９０％以上，對ＣＯＤ的去除效果２組實驗差別不明顯。這是由于當ＣＯＤ負荷較高時，系統(tǒng)內(nèi)微生物大量繁殖，實驗后期Ａ/Ｏ工藝好氧池內(nèi)ρ(ＭＬＳＳ)達到６０００ｍｇ/Ｌ左右，大量的微生物提高了降解有機物的能力。而強化Ａ/Ｏ工藝由于加入了ＢＦ填料，生物量增加，且鏡檢發(fā)現(xiàn)吸附在填料上的微生物所形成的菌膠團結(jié)構(gòu)緊密，具有強大的吸附和分解有機物的能力。因此２組實驗對ＣＯＤ均有高效的去除效果。
由圖４ｂ可知：進水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，前１３ｄ，２組工藝出水ＮＨ＋４－Ｎ均比較穩(wěn)定，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為４.２ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工藝為１０.２ｍｇ/Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ平均去除率分別為９２.６％和８１.８％。從第１４天開始，Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ去除率下降明顯，平均去除率為７７.８％，而強化Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ去除率無明顯變化。這是由于在供氣量不變的情況下，隨著進水ＣＯＤ濃度的緩慢增加，ＣＯＤ負荷增大，系統(tǒng)內(nèi)異養(yǎng)細菌以溶解氧為電子受體，分解大量有機物的同時消耗水中的溶解氧，好氧池ρ(ＤＯ)為１.０~２.０ｍｇ/Ｌ，不利于硝化細菌和亞硝化細菌的生長。第１６天，提高Ａ/Ｏ工藝好氧池供氣量后ρ(ＤＯ)為３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，但是ＮＨ＋４－Ｎ去除率仍低于前１４ｄ平均去除率，這可能是由于反應(yīng)器ＮＨ＋４－Ｎ濃度的不斷積累導致負荷ＮＨ＋４－Ｎ增大，而此時高曝氣量下好氧池內(nèi)存在較強的剪切作用，導致污泥絮體微細化，絮體粒徑較小，ＳＶＩ達到１９５ｇ/ｍＬ，活性污泥沉降性能較差，部分亞硝化菌和硝化菌隨出水外流。實驗后期２５~３０ｄ，常規(guī)Ａ/Ｏ工藝好氧池內(nèi)產(chǎn)生大量白色黏稠泡沫，鏡檢發(fā)現(xiàn)菌膠團結(jié)構(gòu)疏松，活性污泥出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，而強化Ａ/Ｏ工藝在較高有機負荷下，活性污泥仍保持較好的污染物去除與沉降性能，抗沖擊性得到驗證。
ＴＮ去除效果如圖４ｃ所示?？芍海裕蔚淖兓厔萃危龋矗我恢拢瑥娀?/span>/Ｏ工藝的ＴＮ去除率總體比較平穩(wěn)，平均去除率達到９１.４％，而Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率在第１３天隨著進水ＣＯＤ負荷的增加而降低，這是由于ＮＨ＋４－Ｎ去除率受到影響，無法為反硝化提供充足的電子受體，從而導致出水ＴＮ濃度上升。后期Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率僅為７５.６％，遠低于強化Ａ/Ｏ工藝。
２.３ 污泥減量效果
實驗分別在４組ρ(ＣＯＤ)依次為１２００，１４００，１６００，１８００ｍｇ/Ｌ條件下穩(wěn)定運行１０ｄ后，計算系統(tǒng)內(nèi)污泥總量以及ＣＯＤ去除總量，進而得到污泥產(chǎn)率系數(shù)，如圖５所示。
在第１組實驗開始前，測得生物巢生物總量為１.６９ｋｇ，第５組實驗結(jié)束時，測得生物巢生物總量為１.７０ｋｇ，因此可認為整個實驗過程中生物巢生物量保持穩(wěn)定。為了簡化計算，圖５中的污泥總量不包括生物巢生物量。由圖５可知：對于不同ＣＯＤ濃度，強化Ａ/Ｏ工藝系統(tǒng)內(nèi)污泥總量均比Ａ/Ｏ工藝少。當提高ＣＯＤ濃度時，Ａ/Ｏ工藝系統(tǒng)內(nèi)污泥總量增加較快，其中，當ρ(ＣＯＤ)從１４００ｍｇ/Ｌ提高到１６００ｍｇ/Ｌ時，污泥總量從１０.３３ｋｇ增加到１６.４７ｋｇ，而強化Ａ/Ｏ工藝系統(tǒng)內(nèi)污泥總量從７.４８ｋｇ增加到１０.７７ｋｇ，增幅分別為５９.４％和４３.９％。當ρ(ＣＯＤ)為１６００ｍｇ/Ｌ時，強化Ａ/Ｏ工藝系統(tǒng)內(nèi)污泥總量比Ａ/Ｏ工藝污泥減少了３４.９％。
由圖５還可看出：Ａ/Ｏ工藝污泥產(chǎn)率在０.３０~０.３４ｋｇ/ｋｇ變化，平均值為０.３２ｋｇ/ｋｇ，而強化Ａ/Ｏ工藝系統(tǒng)污泥產(chǎn)率在０.１７~０.２１ｋｇ/ｋｇ變化，平均值為０.１９ｋｇ/ｋｇ，污泥產(chǎn)率降低了４０.６％。
生物巢能起到污泥減量是由于生物巢內(nèi)部存在很多孔隙運輸?shù)孜锖腿芙庋?，底物和溶解氧在從生物巢最外層至最?nèi)層過程中不斷消耗，從而可以在生物巢內(nèi)形成多種微環(huán)境，適宜各種微生物的生長繁殖，提高了微生物的種類和數(shù)量。鏡檢發(fā)現(xiàn)生物巢內(nèi)部存在大量鐘蟲、輪蟲、吸管蟲、紅斑?體蟲等原生動物和后生動物，可形成較穩(wěn)定的“細菌－原生動物－后生動物”食物鏈系統(tǒng)，食物鏈越長，能量在傳遞過程中消耗就越大。同時，生物巢上死亡的微生物被原生動物、后生動物消化分解，從而可以更好地達到污泥減量的目的。
３、結(jié)論
１)ＢＦ填料可形成“生物巢”球狀污泥絮凝體，增加了系統(tǒng)內(nèi)功能菌種的數(shù)量，因此強化Ａ/Ｏ工藝對污水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ具有較高的去除效果，其去除率分別達到９５％、９８％和８６.３％。
２)通過鏡檢發(fā)現(xiàn)附著在ＢＦ填料的菌膠團結(jié)構(gòu)緊密，生物量豐富，提高了系統(tǒng)的抗沖擊負荷性能，處理高負荷廢水時，強化Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ的平均去除率分別提高了１９％和２０.９％。
３)“生物巢”內(nèi)存在豐富的原生動物和后生動物，可形成較長的食物鏈，有利于減少剩余污泥的產(chǎn)生。強化Ａ/Ｏ工藝污泥產(chǎn)率為０.１９ｋｇ/ｋｇ，與Ａ/Ｏ工藝相比，污泥產(chǎn)率降低了４０.６％。（來源：江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，艾特克控股集團股份有限公司，江蘇大學環(huán)境健康與生態(tài)安全研究院，東南大學土木工程學院）