污水处理厂尾水深度处理研究

污水处理厂尾水深度处理研究

为了遏制水环境恶化的趋势，国家和各级政府正在增加对水处理设施的投资。从2011年底开始，中国已经建成了1533家污水处理厂，污水处理能力达到1563.d。然而，中国水资源不足，水环境恶化。城镇污水处理厂出水水质虽然达到了相应的标准,但是仍含有一定量的有机物、氮、磷等污染物,直接排放进入水体后,不仅会对本已脆弱的水体环境造成更大的负担,也是对水资源的变相浪费。因此,对城镇污水处理厂尾水的深度处理显得尤为重要。传统的物化、生化深度处理方法存在建造、运行和维护成本高昂的问题,而生物塘是利用天然净化能力对污水进行生物处理,能有效去除污水中的COD、SS、总氮、总磷等污染物,具有低投入、低能耗、运行维护简便等优势,并且具有抗冲击负荷强和美化环境的特点,近年来生物塘等生态修复技术成为深度处理的研究热点[3~5]。前人的研究结果表明,生物塘对污水厂尾水和受污染地表水的净化作用良好,但受制于传统生物塘的整体好氧条件,仅通过植物作用,对总氮与总磷的去除率仍然不高。针对污水处理厂尾水COD和氨氮浓度较低、而总氮和总磷浓度距离地表水标准相差较大的特点,笔者通过构建以脱氮除磷功能为主的缺氧/好氧生物塘中试系统,引入黑藻、苦草、睡莲、空心菜等植物,进行污水处理厂尾水深度净化的尝试。1试验材料和方法1.1生物塘内接枝式自然恢复工程中试利用深圳市牛成水质净化厂现有调节池的一部分,将其改造为缺氧/好氧生物塘。生物塘平均水深为1.5m,池底坡度为0.02,尺寸为40m×8.5m,总有效体积为410m3,其被平均分隔成3个廊道,每个廊道宽为2.6m。试验在第1个廊道中段筑起一道拦水坝,在拦水坝一侧通过水泵将该水质净化厂的尾水泵入生物塘,水流在廊道中单向折返流动。在生物塘前1/3部分通过在水面铺设泡沫塑料板构建缺氧区,在塑料板表层种植空心菜,定期进行收割,在缺氧区水面以下设置软性纤维填料,增加微生物数量;随着水流方向,除缺氧区外,依次构建黑藻种植区、荷花和黑藻混种区、睡莲和苦草混种区、苦草种植区,黑藻与苦草的种植密度为38~45株/m2,睡莲与荷花的种植密度为1~2株/m2。试验期间连续进水,进水量约为500m3/d,在生物塘内的水力停留时间约为20h,其中缺氧区和好氧区的停留时间分别为8和12h。在4个月的中试期间,生物塘中所有的植物和动物生长良好,间隔2周左右对植物进行一次收割,收割量(鲜质量)为2~5kg/m2,间隔1个月对鱼类进行一次集中捕捞。生物塘的结构与实景见图1和图2。1.2污水厂进水水质牛成水质净化厂位于宝安区,2005年建成并投入使用,处理量为3000m3/d,出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级A标准。中试进水即为该净化厂排放的尾水。尾水水质见表1,由于该净化厂处理工艺的硝化能力较好,尾水的氨氮浓度较低、而硝酸盐氮浓度较高,故中试将着重分析对硝酸盐氮的的去除情况,对氨氮指标不做具体讨论。1.3水样的制备分别采集生物塘进水、缺氧区出水和生物塘出水水样。每天8点、10点、12点、14点共取样4次,对4次水样进行均匀混合,每周取样2~3天,中试采样时间约3个月。水温与DO浓度采用哈希HQ-30型便携式分析仪进行现场检测,COD采用重铬酸钾法测定,氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定,硝酸盐氮采用酚二磺酸光度法测定,TP采用过硫酸钾消解法测定。2结果与分析2.1生物塘好氧段生物塘进水即水质净化厂尾水的DO浓度较高,平均值为2.18mg/L;流经缺氧区后,出水DO浓度明显下降,平均值为0.65mg/L;再经过生物塘好氧段后,出水DO浓度显著升高,平均为3.67mg/L,可达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的Ⅲ类标准。在缺氧区,水体被泡沫板遮盖,水中植物和藻类无法进行光合作用,同时水中的微生物在代谢过程会消耗一定的溶解氧,从而导致缺氧区出水的DO浓度明显降低;水体进入好氧区后,繁密的植物通过光合作用提供了一定的溶解氧,较浅的塘深也为自然复氧提供了有利条件,最终导致好氧区出水的DO浓度明显上升。2.2生物塘对cod的去除效果缺氧/好氧生物塘对COD的去除效果见图3。由图3可知,缺氧区出水COD在12.0~38.9mg/L之间,均值为22.8mg/L;最终出水COD在8.5~22.1mg/L之间,均值为15.1mg/L,大部分可以达到地表Ⅲ类水质标准。生物塘对COD的总去除率在42.79%~71.03%之间,平均值为58.25%,其中缺氧区对COD的去除作用较显著,平均去除率为37.19%,而好氧区对COD的平均去除率为21.06%。在缺氧区,硝酸盐氮在反硝化过程中会消耗一定量的有机物,另外,微生物会直接降解一部分有机物。在好氧区,由于停留时间较长且生物量较大,对有机物也有一定的去除能力。2.3不同机组对硝酸盐废水的总去除率缺氧/好氧生物塘对硝酸盐氮的去除效果如图4所示。由图4可知,缺氧区出水的硝酸盐氮浓度在7.12~12.62mg/L之间,均值为9.79mg/L;生物塘总出水的硝酸盐氮浓度在6.46~10.92mg/L之间,均值为8.51mg/L,基本可达到地表Ⅲ类水质标准。生物塘对硝酸盐氮的总去除率在23.97%~51.97%之间,平均为37.74%,其中对硝酸盐氮的去除过程主要发生在缺氧区,平均去除率为28.30%,而好氧区对硝酸盐氮的平均去除率仅为9.44%。由于缺氧区形成了较好的缺氧环境,底泥与水体中的异养反硝化菌利用水体中的硝酸盐氮作为电子受体,在消耗有机物进行自身增殖的过程中将硝酸盐氮转化为N2,完成了反硝化脱氮过程。在好氧区,DO浓度重新升高,反硝化菌得不到兼氧或缺氧的条件,反硝化作用较弱,仅有植物自身生长代谢过程中对硝酸盐氮的摄取作用,所以对硝酸盐氮的去除率相对较低。2.4地表类水质标准缺氧/好氧生物塘对总磷的去除效果见图5。可知,缺氧区出水的总磷浓度在0.33~0.56mg/L之间,均值为0.44mg/L;生物塘总出水的总磷浓度在0.23~0.36mg/L之间,均值为0.30mg/L,可达到地表Ⅴ类水质标准。生物塘对TP的总去除率在26.67%~50.79%之间,平均为35.66%,其中发挥主要除磷功能的是好氧区。以传统的生物除磷理论分析,在缺氧区由于污水中存在一定量的碳源,聚磷菌通过吸收有机物释放聚合磷酸盐,在好氧区聚磷菌吸收磷,从而使水中的总磷得到了去除;然而,生物塘与传统的活性污泥体系不同,没有良好的水力条件与大量的活性污泥,聚磷菌吸收磷后往往沉积在底泥中,对磷的去除通常只有在被水生植物与浮游生物摄取后,通过生物链转移才能实现,所以好氧区对总磷的去除是微生物与生物链体系综合作用的结果。3cod、硝酸盐氮、do对总磷的去除贡献缺氧/好氧生物塘对水质净化厂尾水的深度处理效果良好。生物塘对污染物的去除是微生物降解与生物链摄取协同作用的结果,其中,缺氧区对COD和硝酸盐氮的去除贡献较大,好氧区对DO浓度的提升较多、对总磷的去除贡献较大。系统对COD和硝酸盐氮的平均去除率分别达到了58.25%和37.74%,出水COD、硝酸盐氮和DO浓度可达到地表Ⅲ类水质标准;而系统对总磷的平均去除率为