祁建民,張玉峰,邱勇軍,傅高健,楊柳燕,繆愛(ài)軍

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211102)(2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210023)

施工期臨時(shí)宿營(yíng)地的生活污水中的COD、氨氮、總磷含量較高,污水排放量較大,如不經(jīng)過(guò)處理便排放會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成惡劣影響[1-3]. 與農(nóng)村生活污水相比,施工期生活污水的水量更大,污水中總氮總磷含量較高,需要高效的脫氮除磷技術(shù). 目前生活污水的常用處理技術(shù)主要包括上流式厭氧污泥床(UASB)、缺氧好氧(AO)系列工藝、膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝等[4-6]. 但是上述工藝占地面積較大、前期投入成本較高且很難移動(dòng),施工結(jié)束后會(huì)造成資源閑置,因此不適用于施工期生活污水的處理. 曝氣生物濾池是處理生活污水首選工藝之一. 該工藝占地面積小、具有良好的脫氮除磷性能,其中的填料還能截留懸浮顆粒和大分子物質(zhì),是一種集物理、生物方法于一體的生物膜法處理工藝[7-8]. 然而施工期生活污水中污染物濃度較高,僅靠曝氣生物濾池處理很難達(dá)到排放要求,因此需要聯(lián)用其他工藝.

電化學(xué)法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),該方法可以通過(guò)電催化和電絮凝工藝來(lái)去除生活污水中的污染物[9-10]. 電催化氧化是通過(guò)陽(yáng)極氧化直接降解有機(jī)污染物,或通過(guò)電解過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性自由基間接降解污染物[11-12]. 電絮凝工藝是一種集氣浮、混凝、電氧化于一體的處理技術(shù),與混凝處理不同的是,電絮凝的混凝劑是通過(guò)陽(yáng)極氧化溶解生成的,產(chǎn)生污泥量更少[13-14].

此前有研究[15]將電化學(xué)與曝氣生物濾池聯(lián)用處理焦化廢水,其COD和氨氮的指標(biāo)與施工期生活污水相接近,該方法通過(guò)電催化和微生物的共同作用去除污水中的污染物,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電催化提高了曝氣生物濾池的脫氮效率,整個(gè)裝置對(duì)COD和氨氮具有良好的去除效果,去除率分別可達(dá)83.3%和99.8%. 此外,可以聯(lián)用電絮凝工藝來(lái)提高處理系統(tǒng)的除磷效率. Samadikun等[16]通過(guò)電絮凝技術(shù)處理洗衣廢水,在60 V的電壓下,使得污水中磷酸鹽濃度從9.58 mg/L下降到3.01 mg/L,去除效率為68.56%,具有較好的處理效果.

鑒于此,本研究提出電解曝氣生物濾池耦合電絮凝、電催化的組合工藝處理施工期生活污水,以上述工藝為核心的一體化處理裝置占用宿營(yíng)地面積較小且能跟隨施工隊(duì)移動(dòng),適用于處理施工宿營(yíng)地臨時(shí)貯存的生活污水.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 電解/電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置

電解曝氣生物濾池裝置如圖1所示,整個(gè)裝置為圓柱體,高度為30 cm,裝置的有效容積為4.2 L,從上到下分為3個(gè)區(qū)域,依次為清水層、填料層(沸石)、承托層(鵝卵石),各個(gè)區(qū)域的高度分別為5、15、5 cm,下方布有進(jìn)水進(jìn)氣系統(tǒng),填料區(qū)平行放置3塊電極(2塊鈦板陰極、1塊釕銥鈦陽(yáng)極)外接電源,水流通過(guò)下方蠕動(dòng)泵從進(jìn)水箱進(jìn)入. 電絮凝曝氣生物濾池實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在該裝置的基礎(chǔ)上把釕銥鈦電極換成鐵板,水力停留時(shí)間為6 h,氣水比為30∶1.

圖1 電解曝氣生物濾池裝置示意圖

1.2 中試試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證整個(gè)處理系統(tǒng)的可行性,定制了一套生活污水一體化處理設(shè)備,每天處理1 t人工模擬生活污水,工藝流程如圖2所示.

圖2 一體化處理設(shè)備工藝流程圖

(1)調(diào)節(jié)池:調(diào)節(jié)池長(zhǎng)×寬×高為50 cm×100 cm×100 cm,有效容積為0.4 m3,水力停留時(shí)間為10 h,內(nèi)部裝有曝氣攪拌裝置,用來(lái)均勻水質(zhì)水量.

(2)電解曝氣生物濾池:電解曝氣生物濾池長(zhǎng)×寬×高為70 cm×100 cm×100 cm,填料層的高度為50 cm,有效容積為0.32 m3,水力停留時(shí)間為8 h,電流密度為20 A/m2,陽(yáng)極極板為釕銥鈦,內(nèi)部裝有沸石填料,同時(shí)裝有電解系統(tǒng)(放置方式如圖1所示)、曝氣系統(tǒng)和反沖洗系統(tǒng),氣水比維持在30∶1.

(3)電絮凝曝氣生物濾池:電絮凝曝氣生物濾池長(zhǎng)×寬×高為30 cm×100 cm×100 cm,填料層的高度為 50 cm,有效容積為0.1 m3,水力停留時(shí)間為2.7 h,電流密度為20 A/m2,陽(yáng)極極板為鐵板,內(nèi)部裝有沸石填料,同時(shí)裝有電解系統(tǒng)(放置方式如圖1所示)、曝氣系統(tǒng)和反沖洗系統(tǒng),氣水比維持在30∶1,與電解曝氣生物濾池不同的是,此時(shí)陽(yáng)極極板為鐵材料.

(4)電催化槽:電催化槽長(zhǎng)×寬×高為30 cm×100 cm×100 cm,有效容積為0.21 m3,水力停留時(shí)間為 5 h,電流密度為150 A/m2,陽(yáng)極極板為釕銥鈦,電解的同時(shí)通入氯化鈉強(qiáng)化氧化效果,電極材料平行放置于固定模塊中.

1.3 接種污泥和水樣

污泥為上海碧萊清生活污水專(zhuān)用菌種,同時(shí)購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用的營(yíng)養(yǎng)劑加快掛膜速度. 原水水樣取自南京市某變電站施工現(xiàn)場(chǎng),生化需氧量(BOD)與COD的比值大于0.4,可生化性良好. 人工配制生活污水,用水取自自來(lái)水,同時(shí)添加葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀以補(bǔ)充微生物生長(zhǎng)所需的微量元素. 原水水質(zhì)、人工配制污水水質(zhì)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)出水一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 施工期生活污水指標(biāo)及人工模擬污水進(jìn)水水質(zhì)

1.4 實(shí)驗(yàn)材料

選擇沸石作為曝氣生物濾池的填料,因?yàn)榉惺瘜?duì)氨氮具有極佳的吸附效果. 釕銥鈦陽(yáng)極在足夠的電壓下會(huì)產(chǎn)生羥基自由基對(duì)污水中的有機(jī)物和氨氮進(jìn)行催化氧化,強(qiáng)化脫碳脫氮效果. 錳砂具有很好的除鐵效果,電絮凝出水需要錳砂過(guò)濾后才能通入電解槽,否則磷酸鐵沉淀會(huì)溶解,導(dǎo)致出水磷含量超標(biāo).

1.5 實(shí)驗(yàn)與分析方法

(1)掛膜:采用快速掛膜法進(jìn)行掛膜[17]. 將配制好的掛膜溶液(每升水體中加入40 g菌劑和10 g營(yíng)養(yǎng)劑)倒入實(shí)驗(yàn)裝置. 悶曝8 h后將含泥溶液全部排出,之后通入人工配制的生活污水,水力停留時(shí)間為 6 h,每天測(cè)定水中的COD、氨氮和總磷. 當(dāng)氨氮的去除率大于60%、硝態(tài)氮增量和氨氮去除量的比值趨于1.0、處理效果基本穩(wěn)定即可認(rèn)為掛膜成功[18].

(2)馴化:掛膜成功之后在10 A/m2的電流密度下進(jìn)行馴化,每天測(cè)定出水指標(biāo),待出水指標(biāo)穩(wěn)定后可逐漸提高電流密度.

(3)指標(biāo)的測(cè)定:改變電流密度時(shí),要在該電流密度馴化2 d后測(cè)定出水中的COD、氨氮、總氮、總磷.

本實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法如下:COD:重鉻酸鉀法;氨氮:納氏試劑分光光度法;總氮:堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法;總磷:鉬酸銨分光光度法.

2 結(jié)果與討論

2.1 電解曝氣生物濾池

2.1.1 電流密度對(duì)電解曝氣生物濾池處理效果的影響

近年來(lái),有研究[19-20]指出適當(dāng)?shù)碾娏髅芏瓤梢源龠M(jìn)微生物增長(zhǎng),從而提高生物反應(yīng)器的效率,但過(guò)高的電流密度會(huì)使得微生物活性下降,從而降低去除污染物的能力,因此需要找到電解曝氣生物濾池的最佳電流密度.

不同的電流密度對(duì)電解曝氣生物濾池的影響如圖3所示. 隨著電流密度逐漸提高,微生物活性也在逐漸增強(qiáng),對(duì)COD的降解率逐漸升高,在20 A/m2左右取得最佳處理效果,之后隨著電流密度的升高,微生物的活性下降,導(dǎo)致出水COD指標(biāo)升高. 磷的去除率在電流密度大于20 A/m2時(shí)基本穩(wěn)定,達(dá)到90%. 氨氮和總氮的去除效果隨著電流密度升高而升高,20 A/m2與40 A/m2的處理效果相近. 綜上所述,電流密度設(shè)定為20 A/m2開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn).

圖3 電流密度對(duì)電解曝氣生物濾池的影響

2.1.2 電解曝氣生物濾池對(duì)人工模擬污水的處理效果

電解曝氣生物濾池對(duì)人工模擬污水的處理效果如圖4所示.

圖4 電解曝氣生物濾池進(jìn)出水中COD、氨氮、總氮、總磷的含量及其去除率

進(jìn)水COD在300～600 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng),出水COD穩(wěn)定在50 mg/L以下,達(dá)到GB 18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(COD≤50 mg/L),這說(shuō)明電解曝氣生物濾池對(duì)COD的降解比較穩(wěn)定,具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力[21].

氨氮的進(jìn)水濃度在100 mg/L左右,在1個(gè)周期內(nèi)(反沖洗后到下一次反沖洗前),氨氮的處理效果逐漸降低. 分析原因可能是COD含量過(guò)高,微生物生長(zhǎng)繁殖快,硝化細(xì)菌很難成為其中的優(yōu)勢(shì)菌種[22],隨著時(shí)間的推移,硝化效果越來(lái)越差,導(dǎo)致出水氨氮含量增加. 反沖洗(4 d、7 d)之后氨氮的處理效果會(huì)增強(qiáng),但也難維持很長(zhǎng)時(shí)間,需要頻繁進(jìn)行反沖洗,在此條件下,出水指標(biāo)可在20～30 mg/L浮動(dòng).

總磷的進(jìn)水濃度在15 mg/L左右,反沖洗之后出水濃度維持在2～3 mg/L,對(duì)磷的去除效果可達(dá)80%.

2.2 電絮凝曝氣生物濾池對(duì)人工模擬污水的處理效果

選用電絮凝曝氣生物濾池作為后續(xù)除磷工藝,選擇適宜的電流密度,以防鐵電極溶解過(guò)快. 處理效果如圖5所示,電絮凝曝氣生物濾池?fù)碛辛己玫某仔Ч?主要依靠電極氧化產(chǎn)生的Fe3+的絮凝沉淀與填料的吸附作用[21],去除率可達(dá)98%以上,達(dá)到GB 18918—2002 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn). 除了高效除磷,電絮凝曝氣生物濾池對(duì)COD、氨氮、總氮也有一定的凈化效果,可以進(jìn)一步去除污水中的污染物.

圖5 電絮凝曝氣生物濾池對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷的去除率

2.3 電催化槽對(duì)人工模擬污水的處理效果

將2個(gè)釕銥鈦電極平行放入燒杯中,在通入電壓為10 V、極板間距為1 cm的條件下,測(cè)試了電催化槽對(duì)氨氮強(qiáng)化處理的效果,體系中COD、氨氮、氯化鈉的濃度分別為400、100、1 000 mg/L.

處理效果如圖6所示,在前0.5 h主要進(jìn)行氨氮的氧化,COD未被降解,當(dāng)氨氮的去除率達(dá)到60%左右,開(kāi)始氧化降解COD,在2 h氧化過(guò)程中,COD和氨氮的去除率分別可達(dá)60%和90%. 分析原因可能是前 30 min 溶液中Cl-濃度較高,大量的Cl-會(huì)吸附在陽(yáng)極表面,此時(shí)ClO-較·OH更容易生成,而ClO-對(duì)COD處理效果較差,所以此時(shí)主要進(jìn)行氨氮的氧化. 隨著反應(yīng)的進(jìn)行,Cl-濃度逐漸降低,·OH開(kāi)始大量生成,COD開(kāi)始被降解[24].

圖6 電催化裝置對(duì)COD、氨氮的去除率

2.4 生活污水一體化處理設(shè)備對(duì)人工模擬污水的處理效果

研究測(cè)定了裝置掛膜馴化后15 d的處理效果,如圖7所示. 在15 d裝置穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)COD的去除率逐漸提高并穩(wěn)定在90%左右,出水COD穩(wěn)定在50 mg/L以下,達(dá)到 GB 18918—2002 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn).

圖7 生活污水一體化處理設(shè)備進(jìn)出水中COD、氨氮、總氮、總磷的含量及其去除率

氨氮在前5 d的出水濃度在10 mg/L左右,第5 d開(kāi)啟電催化裝置后,出水濃度穩(wěn)定在0 mg/L,達(dá)到GB 18918—2002 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明電催化裝置對(duì)氨氮具有很好的處理效果.

總氮的去除效果較氨氮差,分析原因可能是隨著反應(yīng)的進(jìn)行,電催化槽產(chǎn)生大量的ClO-和·OH,其中ClO-的氧化電位為 0.89 eV,·OH的氧化電位為 2.8 eV,羥基自由基的氧化電位較高,會(huì)將一部分氨氮氧化成硝態(tài)氮,導(dǎo)致出水總氮偏高. 但出水總氮濃度仍穩(wěn)定在15 mg/L以下,達(dá)到GB 18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn). 后續(xù)可在電催化槽出水區(qū)域增加1塊陰極極板進(jìn)行硝態(tài)氮的反硝化,強(qiáng)化脫氮效果.

總磷在前5 d的出水濃度在1～5 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng),第5 d開(kāi)啟電絮凝裝置后,去除率大幅增加,出水濃度穩(wěn)定在0.5 mg/L以下,達(dá)到GB 18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

3 結(jié)論

本研究以電解曝氣生物濾池作為核心工藝,同時(shí)利用電絮凝、電催化技術(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化脫氮除磷效果. 以上述技術(shù)為核心的一體化污水處理裝置對(duì)高濃度的人工模擬污水具有較好的處理效果,掛膜啟動(dòng)時(shí)間較短,具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定電解曝氣生物濾池、電絮凝生物濾池、電催化槽的電流密度及水力停留時(shí)間等參數(shù). 中試裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間,電解曝氣生物濾池、電絮凝生物濾池、電催化槽的電流密度分別為20、20、150 A/m2,對(duì)人工模擬污水中的污染物具有很好的去除效果,COD、氨氮、總氮、總磷的出水濃度基本穩(wěn)定在50、1、15、0.5 mg/L以下,去除率分別達(dá)到90%、99%、80%、98%,達(dá)到 GB 18918—2002 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn). 其中總氮的去除率較低,可能是由于電解生物濾池極板覆蓋面積有限,可以在電催化槽出水區(qū)域增加1塊陰極極板來(lái)提高反硝化效果,進(jìn)一步降低總氮指標(biāo). 裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間,每噸水的處理成本為3.84元. 曝氣生物濾池具有較好的脫氮除磷性能,但對(duì)于氮、磷的高效去除很難同時(shí)滿(mǎn)足,并且,施工期生活污水的污染物含量較高,曝氣生物濾池很難對(duì)其處理完全,本研究引入電化學(xué)技術(shù),強(qiáng)化整個(gè)系統(tǒng)的脫氮除磷效率,可以有效解決上述存在問(wèn)題.