硝酸改性竹炭填料BAF处理小城镇污水研究.docx

硝酸改性竹炭填料 BAF处理小城镇污水研究 卜云洁1 ， 许晓明2 ， 颜湘波1 ， 王学江1( 1 同济大学环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092;2 无锡市政工程设计院，江苏 无锡 214072)摘 要:采用硝酸改性竹炭曝气生物滤池 ( BAF) 和陶粒 BAF 对小城镇污水进行处理，考察了两种 BAF 的挂膜启动特性及水力停留时间、溶解氧浓度、回流比对处理效果的影响。结果表明，两种 BAF 具有相似的挂膜过程; HT 为 4 h 时，硝酸改性竹炭 BAF 与陶粒 BAF 对 COD 的去除率 接近，约为 84% ，对氨氮的去除率分别约为 87 8% 和 70 6% ; 硝酸改性竹炭 BAF 的整体处理效果 优于陶粒 BAF; 硝酸改性竹炭具有廉价、质轻、耐磨和高比表面积等特点，可替代陶粒用作 BAF 的 优质填料，具有良好的应用前景。关键词:硝酸改性竹炭;陶粒;曝气生物滤池;小城镇污水中图分类号:文献标识码:文章编号:1000 4602( 2014) 17 0092 04X703CTreatment of Small Town Wastewater by BAF with Bamboo CharcoalModified by Nitric AcidBU Yun-jie1 ， XU Xiao-ming2 ， YAN Xiang-bo1 ， WANG Xue-jiang1( 1 State Key Laboratory of Pollution Control and esource euse，School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2 Wuxi Municipal Engineering Design Institute，Wuxi 214072，China)Abstract:Two BAFs with bamboo charcoal modified by nitric acid and ceramsite as media wereused to treat small town wastewater The start-up and influences of hydraulic retention time ( HT) ，dis-solved oxygen and reflux ratio on the treatment efficiency were investigated The results showed that the two BAFs had analogous start-up process When HT was 4 h，the removal rates of COD in the two BAFswere similar，which was about 84% ，and the removal rates of NH + N were 87 8% and 70 6% respec-4tively BAF with bamboo charcoal modified by nitric acid had a better performance than BAF with ceram-site Bamboo charcoal modified by nitric acid is inexpensive，lightweight，wear-resistant and high in spe- cific surface area，and it can replace ceramsite as high quality media in BAF Also，it has a good appli- cation prospectKey words:wastewaterbamboo charcoal modified by nitric acid;ceramsite;BAF;small town用，同时也是良好的微生物载体1。填料的特性不仅会对处理效果产生很大影响，同时也影响着处理在曝气生物滤池 ( BAF) 的应用过程中，填料起到了关键作用。优质的填料不仅起到吸附截留的作基金项目: 国家科技支撑计划项目( 2012BAJ21B01)92www watergasheat com卜云洁，等: 硝酸改性竹炭填料 BAF 处理小城镇污水研究第 30 卷 第 17 期成本。因 此，开 发 高 效、廉价的生物填料也成为 BAF 工艺研究的重点之一。我国竹材资源丰富，其 衍生产品竹炭具有比表面积高、廉价、质轻、耐磨等 优点，有望成为良好的 BAF 填料。但由于竹炭表面 具有较强的疏水特性，不利于微生物膜的生长。笔 者以竹炭为原料，在对其进行表面化学改性的基础 上构建 BAF 反应器，同时以陶粒 BAF 作为对比，考 察两者 对小城镇污水的 处 理 效 果，以 期 为 竹 炭 在 BAF 工艺中的应用提供试验依据。1 材料与方法缺氧柱出水由蠕动泵压入 BAF 内。BAF 底 部 设 有曝气头，由流量计控制曝气量，污水在好氧柱内完成 有机物的 氧 化 和 氨 氮 的 硝 化。BAF 底 部 设 反 冲 洗水管和气管，反冲洗时，通过空气压缩机和反冲洗水泵压入大量的空气和自来水，松动填料层，清除其中 的悬 浮 物 质，实际操作中反冲洗的步骤为气冲 3min气水联冲 5 min水反冲 2 min。1. 4试验方法BAF 采用接种挂膜法，在硝酸改性竹炭 BAF 和陶粒 BAF 中各加入 250 mL、MLSS 为 7 500 mg / L 的污泥和 20 L 生活污水，反应器前 3 d 闷曝，控制曝气 量使 DO 值维持在 2 3 mg / L，每隔 24 h 换水一次。从第 4 天 开 始 连 续 进 水，具 体 参 数 如 下: HT 为 4h，溶解氧为 2 3 mg / L，混合液回流比为 100% 。在BAF 挂 膜 成 熟 后，进一步探讨水力停 留 时 间( HT) 、溶解氧 ( DO) 和回流比等条 件 对 BAF 处 理 性能的影响，研究 BAF 的最佳运行参数。2结果与讨论2. 1硝酸改性竹炭的 FT I 分析由填料的 FT I 图 谱 可 知，竹炭经硝酸改性 后，其 亲水性官能团如COOH ( 3 427 4 ) 、C = O( 1 254 6) 、NH2 ( 1 707 6 ) 和CH3 ( 1 528 9 ) 等有显著增强，而这些羧基、胺基和酰胺基等基团有利 于细胞的黏附和增殖。由此可见，竹炭经硝酸改性后，其生物亲和性能得到了有效提高。1. 1进水水质试验采用 实 际 生 活 污 水，其 水 质 如 下: COD 为150 5 606 3 mg / L、NH + N 为 22 1 86 9 mg /4L、TN 为 26 4 93 7 mg / L、TP 为 2 6 8 3 mg / L、pH 值为 6 8 7 7。上述指标均用标准方法检测。1. 2试验用填料硝酸改性竹炭: 竹炭粒径为 6 9 mm，蒸馏水冲 洗去除其表面灰尘和碎屑后，用 2 mol / L 硝酸浸泡 7 d，用蒸馏水清洗至 pH 值为 6 8，烘干备用。陶粒: 粒径为 6 9 mm。1. 3BAF 反应器BAF 反应器由机玻璃制成，与 1 根缺氧柱串联成 A / O 工艺 装 置 ( 见 图 1 ) ，其中缺氧柱的尺寸为 200 mm( 内径) 600 mm，填料层高度为 300 mm; 好氧柱尺寸为 200 mm( 内径) 1 500 mm，填料层 高度为 600 mm。试验设 2 套反应器，分别装填硝酸 改性竹炭和陶粒。2. 2BAF 的挂膜研究BAF 工艺主要依靠颗粒状填料吸附以及附着 在 填料上的生物膜去除污染 物，达 到 净 化 的 目的2。因此，填料的挂膜性能是该工艺的关键因素 之一。填料挂膜启动阶段的 进 水 COD 浓 度 波 动 较大，为 206 9 436 7 mg / L。在挂膜初期，COD 的去除主要是通过填料对非溶解态有机物的吸附、截留 作用，此时对 COD 的去除率较低; 而随时间的延续，填料上的生物膜逐渐成熟，微生物的降解作用成为去除有机物的主要途径，两种填料对 COD 的去除率 在第 7 天开始趋于稳定，硝酸改性竹炭和陶粒 BAF对 COD 的平均去除率分别为 72 8% 和 74 1% ，由此可知，两种填料的 BAF 工艺挂膜启动周期较为一 致。试验期间进水氨氮为 33 1 75 1 mg / L，挂 膜初期，两种 BAF 对氨氮的去除率较低，维持在 18% 22% 。在这一阶段，氨氮的去除主要是通过 填 料图 1 BAF 试验装置示意Fig 1 Schematic diagram of BAF equipmentBAF 反应器由蠕动泵控制进水和混合液回流 量。原水与 BAF 回流液混合后进入缺氧柱，微生物 在缺氧环境下，利用进水中的易降解有机物和回流 液中的硝态 氮 进 行 反 硝 化，去除部分有机物和氮。93中 国 给 水 排 水第 30 卷 第 17 期www watergasheat com的吸附作用完成。随着挂膜时间的延长，硝酸改性竹炭 BAF 对氨氮的去除率在第 10 天后基本稳定在79% 左右，而陶粒填料 BAF 对氨氮的去除率在第 14 天后基本稳 定 在 66% 左 右。可能由于硝酸改性竹 炭填料具有丰富的孔隙分布 特征和较高的比表面 积，相比陶粒填料更有利于发挥吸附和生物降解作 用。2. 3 硝酸改性竹炭 BAF 工艺参数优化异养菌的竞争中处于劣势，总体活性下降，导致氨氮去除率下降3。2. 3. 2DO 对 BAF 处理效果的影响试验通过曝气控制溶解氧浓度在 ( 1 2 ) 和 ( 3mg / L，考察硝酸改性竹炭和陶粒 BAF 对 COD 4)和氨氮的去除情况。结果表明，溶解氧浓度为 3 4mg / L 时，硝酸改性竹炭和陶粒 BAF 对 COD 的去除 率较为接近，分别为 85 2% 和 85% ，出水 COD 分别 平均为 13 7 和 20 4 mg / L，达 到城镇污水处理厂 污染物排 放 标 准 ( GB 189182002 ) 的 一 级 A 标 准; 溶解氧浓度在 1 2 mg / L 时，两者对 COD 的去 除率分别为 82 5% 和 77 6% 。由此可见，与传统的 陶粒 BAF 相比，硝 酸 改 性 竹 炭 BAF 可 以 在 较 低 能 耗下达到较好的 COD 去除效果，具有良好的应用前 景。当 DO 浓度为 3 4 mg / L 时，硝酸改 性 竹 炭 和 陶粒 BAF 对氨氮的去除率分别为 91 0% 和84 8% ， 硝酸改性竹炭 BAF 出水氨氮 5 mg / L，达到城镇 污水处理厂污染物排放标准( GB 189182002) 的 一级 A 标准。当 DO 浓度为 1 2 mg / L 时，两者对 氨氮的去除率分别为 70 5% 和 60 5% 。溶 解 氧 浓 度的增加使氨氮去除率有较大幅度的提升，且在两 个 DO 条件下，硝酸改性竹炭 BAF 对氨氮的去除率 均明显高于陶粒 BAF。2. 3. 3回流比对 A / O 系统处理效果的影响 考察回流比分别为 100% 、200% 和 300% 时，由两种填 料 BAF 构 建 的 A / O 系统对总氮的去除效 果，结果如图 3 所示。2. 3. 1HT 对 BAF 处理效果的影响HT 决定了污水与生物膜接触时间的长短，影响反应器内微生物的生长、生物膜的更新以及反应 器的水力负荷、容积负荷等，进而影响 BAF 工 艺 的 处理效果。试验通过改变进水流量来改变 HT，使 之分别为 4、3 和 2 h，对比硝酸改性竹炭和陶粒 BAF 对 COD 和氨氮的去除情况。结果表明，HT 为 4 h 时，两种 BAF 对 COD 的去除效果较接近，随着 HT 缩短，两反应器对 COD 的去除率下降。HT 为 4、3 和 2 h 时，硝酸改性竹炭 BAF 对 COD 的去除率分别 为 84% 、82 3% 和 71 1% ，陶粒 BAF 对 COD 的去除 率分别为 84% 、80 4% 和 73 4% 。两 种 BAF 的 出 水 COD 浓度均达到城镇污水处理厂污染物排放标 准( GB 189182002) 的一级 B 标准。HT 对 BAF 去除氨氮的影响见图 2。图 2 HT 对氨氮去除效果的影响Fig 2 Effect of HT on ammonia nitrogen removal efficiency试验过 程 中，进 水 氨 氮 为 31 8 86 9mg / L。HT 变化对 BAF 去除氨氮影响较大，当 HT 延 长到 4 h 时，硝酸改性竹炭和陶粒 BAF 对氨氮的去除 率分别 达 到 87 8% 和 70 6% ，而 当 HT 缩 短 为 2和 3 h 时，出水氨氮浓度均超过城镇污水处理厂污 染物排放标 准( GB 189182002 ) 中 的 一 级 B 标准限值，这可能是由于 HT 缩短时，有机负荷增加，异养菌成为优势菌群，而此时硝化菌受到抑制，在与图 3 回流比对 BAF 去除总氮的影响Fig 3 Effect of reflux ratios on total nitrogen removal efficiency由图 3 可以看出，回流比对 A / O 系统脱氮能力 影响显著。当回流比从 100% 升高到 200% 时，硝酸 改性竹炭 BAF 构建的 A / O 系统对总氮的去除率由94www watergasheat com卜云洁，等: 硝酸改性竹炭填料 BAF 处理小城镇污水研究第 30 卷 第 17 期36 8% 提高到了 43 4% ，陶 粒 BAF 构 建 的 A / O 系统对总氮的去除率由 31 6% 提高到了38 3% ，继续 提高回流比至 300% ，两者对 TN 的去除率分别提升2 3% 和 3 1% ，系统反硝化速率减缓。这主要是因 为回流比提高，使得由回流液带入反应器的 DO 浓 度增加，破坏了反应器内的缺氧环境4。试验中测得回流 比 为 300% 时，缺氧区溶解氧浓 度 为 0 3 0 8 mg / L，这在一定程度上干扰了反硝化作用。另 外，试验污水 C / N 值约为 5，有机物含量不足也是限 制反硝化作用的一个因素。参考文献:1Yu Y Z，Feng Y，Qiu L P，et al Effect of grain-slag mediafor the treatment of wastewater in a biological aerated fil- terJ Bioresour Technol，2