趙 亮,張洛紅,王鑫浩,成晶晶

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安710048)

0 引 言

中國(guó)的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題在水污染問題中所占比重呈現(xiàn)日益加劇的趨勢(shì)．根據(jù)中國(guó)環(huán)境保護(hù)部門發(fā)布的2016年《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示,全國(guó)湖泊(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化問題突出．水體大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是引起河流、湖泊水華和海灣等赤潮的主要原因,大量的城市污水中氮、磷的超標(biāo)排放又是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因．目前,國(guó)內(nèi)外氨氮的處理方法主要有吹托法[1]、折點(diǎn)氯化法[2]、汽提法[3]和生物法[4]等方法,其中生物法是傳統(tǒng)的去除氨氮方法[5-6],因其經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便、處理效率高等特點(diǎn)而被普遍采用,雖然近幾年出現(xiàn)了處理效果更好的選擇性離子交換法[7],但考慮到處理成本太高而且產(chǎn)生難以處理的固體廢物,因此,此方法難以推廣使用．

PVA凝膠微球[8]是一種多孔的材料,放置于反應(yīng)器中可以使硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌大量積累,防止其在低溫條件下的流失,并保證有足夠的硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌的數(shù)量(濃度),可以增強(qiáng)脫氮效果．因此文獻(xiàn)[9]提出了PVA填料增強(qiáng)低溫生活污水生物脫氮的方法．日本某公司在傳統(tǒng)聚乙烯醇(PVA)載體基礎(chǔ)上成功研發(fā)的PVA 凝膠小球是一種極具應(yīng)用前景的高性能微生物固定化載體．國(guó)內(nèi)以PVA 凝膠小球?yàn)槲⑸锕潭ɑd體在EGSB 反應(yīng)器(體積為8.5 L)中處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水．研究結(jié)果表明,加入PVA 凝膠小球的EGSB 反應(yīng)器經(jīng)過37d的運(yùn)行,PVA 凝膠小球表面富集了大量微生物,小球由白色變?yōu)樯铧S色,相比于其他方法，此方法簡(jiǎn)單便捷、效率高,從而引起了許多學(xué)者的關(guān)注.文中使用模擬CASS工藝[10]中添加PVA填料的方法,尋找最佳工藝參數(shù),對(duì)比添加和未添加PVA填料下的氨氮去除率,得到PVA填料對(duì)氨氮處理效率提高的結(jié)果．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

PVA凝膠微球(重慶大學(xué)研制),回流的活性污泥(陜北某污水處理廠),排污井的進(jìn)水(西安工程大學(xué)一號(hào)教學(xué)樓,經(jīng)過一個(gè)多月的調(diào)查取樣,監(jiān)測(cè)得到進(jìn)水氨氮維持在60～75 mg/L)．

1.2 儀器

25 L塑料容器、BT100-2J蠕動(dòng)泵(上海市瑞堂蠕動(dòng)泵)，ACO系列電磁式空壓機(jī)(寧波工布機(jī)械有限公司)， JJ-1磁力攪拌器(山東康發(fā)科技有限公司)，SB-1型COD快速測(cè)定儀(連華科技有限公司)，JPB-607型溶解氧測(cè)定儀(連華科技有限公司)，PHS-3C型精密pH計(jì)(連華科技有限公司)，TJ-1分光光度計(jì)(連華科技有限公司)，燒杯,量筒,滴定管若干等．

1.3 方法

首先在模擬CASS工藝(20 L污水)中添加0.5 kg PVA凝膠球填料,通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的速度,使得回流比分別為200%,300%,400%,在各回流比下用納氏試劑分光光度法測(cè)定進(jìn)出水氨氮值,確定出最佳回流比．再依次通過蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)進(jìn)水量(3 L,5 L，10 L)，空壓機(jī)調(diào)節(jié)曝氣時(shí)間(1 h，2 h，3 h)，磁力攪拌器調(diào)節(jié)攪拌速度(1 r/s，2 r/s，3 r/s),分別測(cè)定進(jìn)出水的氨氮值,得到最佳的進(jìn)水量、曝氣時(shí)間、攪拌速度．最后,在最佳回流比、進(jìn)水量、曝氣時(shí)間、攪拌速度條件下,測(cè)定添加PVA凝膠球填料和未添加填料的模擬CASS工藝的進(jìn)出水氨氮值,得到PVA凝膠球填料對(duì)低溫生活污水的脫氮效果．

2 結(jié)果與分析

2.1 回流比對(duì)低溫生活污水生物脫氮效果的影響

圖1是不同回流比[11]條件下,添加PVA填料的CASS工藝氨氮去除率的對(duì)比圖.可以看出，在低溫條件下,同一進(jìn)水氨氮,回流比為200%，300%，400%時(shí),氨氮去除率分別為35%，65%，32%左右.在回流比為300%時(shí),氨氮去除效果達(dá)到最高．當(dāng)回流比為200%時(shí),污水大部分都停留在好氧區(qū)或厭氧區(qū),好氧區(qū)的硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸或亞硝酸,硝酸或亞硝酸不能到達(dá)厭氧區(qū)進(jìn)行反硝化細(xì)菌的反硝化作用,從而不能去除氨氮;當(dāng)回流比為400%時(shí),硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌一直處于好氧區(qū),反硝化細(xì)菌不能進(jìn)行反硝化作用,因此,氨氮難以去除;當(dāng)回流比為300%時(shí),硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用,將產(chǎn)生的硝酸和亞硝酸用于反硝化細(xì)菌的反硝化作用,反硝化作用將硝酸和亞硝酸轉(zhuǎn)化成氮?dú)?從而去除氨氮．實(shí)驗(yàn)表明添加填料的CASS工藝中,最佳回流比為300%．

2.2 進(jìn)水量對(duì)低溫生活污水生物脫氮效果的影響

圖2是在回流比為300%的前提下,添加PVA填料的CASS工藝其他條件不變,進(jìn)水量[12]分別為3 L,5 L,10 L,氨氮去除率的對(duì)比圖.可以看出，在進(jìn)水量為3 L和10 L時(shí)去除率基本維持在20%以下,但在進(jìn)水量為5 L時(shí),氨氮去除率達(dá)到45%左右．當(dāng)進(jìn)水量為3 L時(shí),微生物從污水中不能獲取更多碳源進(jìn)行脫氮,從而影響脫氮效果;當(dāng)進(jìn)水10 L時(shí),由于進(jìn)水量過大,CASS系統(tǒng)受污水沖擊太大,氨氮去除率低下,因此,進(jìn)水過大或過小都不利于脫氮，只有在進(jìn)水量為5 L時(shí),污水既能提供足夠的碳源,又不會(huì)沖擊CASS系統(tǒng),氨氮才能有效去除．由此確定出CASS工藝的進(jìn)水量為5 L．

圖 1 不同回流比對(duì)氨氮去除效果的影響 圖 2 不同進(jìn)水量對(duì)氨氮去除效果的影響 Fig.1 Influence of different reflux ratio on the effect of ammonia nitrogen removal Fig.2 Effect of different influent on NH3-N removal efficiency

2.3 曝氣時(shí)間對(duì)低溫生活污水生物脫氮效果的影響

圖3是在回流比為300%,進(jìn)水量為5 L的前提條件下,添加PVA填料的CASS工藝,不同曝氣時(shí)間[13]下的氨氮去除效果圖.可以看出，在曝氣時(shí)間為1 h，2 h時(shí),氨氮的去除率維持在45%和65%左右,在曝氣時(shí)間為3 h時(shí),氨氮的去除率明顯呈下降趨勢(shì)．當(dāng)曝氣時(shí)間為1h時(shí),氨氮沒有通過硝化細(xì)菌全部轉(zhuǎn)化為硝酸和亞硝酸,不能進(jìn)行反硝化作用,從而影響氨氮去除率;當(dāng)曝氣為3 h時(shí),曝氣量過大,使污泥絮體難以形成,系統(tǒng)趨近崩潰,造成硝化細(xì)菌[14]和反硝化細(xì)菌[15]難以進(jìn)行脫氮;當(dāng)曝氣量為2 h時(shí),氨氮能及時(shí)轉(zhuǎn)化為硝酸和亞硝酸,反硝化細(xì)菌能快速將硝酸和亞硝酸轉(zhuǎn)化為氮?dú)?因此,氨氮去除率較高．由此確定添加PVA填料的CASS工藝2 h的曝氣時(shí)間是最佳的．

2.4 攪拌速度對(duì)低溫生活污水生物脫氮效果的影響

圖4是在回流比為300%,進(jìn)水量為5 L,曝氣時(shí)間為2 h的條件下,添加PVA填料的CASS工藝,不同攪拌速度[16]條件下氨氮的去除率情況.可以看出，在攪拌速度為1 r/s,2 r/s，3 r/s時(shí),氨氮的去除率維持在45%，65%，35%左右．?dāng)嚢杷俣葹? r/s時(shí),由于攪拌慢,部分污泥沉降在反應(yīng)器底部,污泥和污水不能完全混合,造成脫氮效果較差;在攪拌速度為3 r/s時(shí),由于攪拌速度過大,使得較多的氧氣進(jìn)入污水中,污水中的氧氣含量過多,反硝化細(xì)菌不能進(jìn)行反硝化反應(yīng),因此,脫氮效果變差,CASS系統(tǒng)也趨近崩潰;當(dāng)攪拌速度為2 r/s時(shí),硝化細(xì)菌可以獲得足夠的氧氣進(jìn)行硝化反應(yīng),反硝化細(xì)菌也處于缺氧狀態(tài),可以進(jìn)行反硝化反應(yīng),使得氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?從而使得氨氮的去除率維持在65%左右．由此確定出在添加PVA填料的CASS工藝中2 r/s的攪拌速度是最佳的．

圖 3 不同曝氣時(shí)間的氨氮去除率情況 圖 4 不同攪拌速度下的氨氮去除率 Fig.3 Removal rate of ammonia nitrogen at Fig.4 Removal rate of ammonia nitrogen at different aeration time different stirring speed

由圖1～4確定出添加PVA填料的最佳工藝參數(shù)為回流比為300%,進(jìn)水量為5 L,曝氣時(shí)間2 h,攪拌速度為2 r/s．

圖 5 添加和未加PVA填料的CASS工藝脫氮效果比較Fig.5 Comparison of denitrification efficiency of CASS process with and without PVA filler at low temperature

2.5 最佳參數(shù)運(yùn)行條件下,PVA填料對(duì)低溫生活污水氨氮去除效果的影響

圖5是在低溫,同一進(jìn)水氨氮,相同工藝參數(shù)下,添加PVA填料和未添加PVA的CASS工藝的脫氮效果比較.實(shí)驗(yàn)表明添加PVA填料對(duì)低溫CASS工藝的氨氮去除率維持在65%左右,未添加PVA填料的氨氮去除率維持在15%左右,這是由于PVA填料,其約20 μm的孔徑易于細(xì)菌的生存,提高了CASS工藝中硝化和反硝化細(xì)菌的數(shù)量和濃度,并減小了因低溫污泥膨脹[17]等帶來(lái)的細(xì)菌流失風(fēng)險(xiǎn),低溫生活污水中的氨氮可以通過足夠數(shù)量的硝化和反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)?從而可以有效的提高低溫生活污水的脫氮效果．

3 結(jié) 論

(1) 在低溫條件下,實(shí)驗(yàn)所模擬的CASS工藝的最佳運(yùn)行參數(shù)為進(jìn)水量為5 L,曝氣時(shí)間為2 h,回流比為300%,攪拌速度為2 r/s．CASS工藝添加PVA填料,對(duì)氨氮的去除效果穩(wěn)定,基本維持在65%左右,相比不加填料的情況下,其效果明顯．

(2) PVA填料能富集大量的硝化和反硝化細(xì)菌,添加PVA填料間接增加了細(xì)菌的數(shù)量,從而可以增強(qiáng)脫氮效果．

(3) 針對(duì)北方寒冷地區(qū)的低溫生活污水生物處理,添加PVA填料是一種便捷、簡(jiǎn)單的解決方法,適宜在北方寒冷地區(qū)推廣．

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