油菜秸稈生物炭強化好氧活性污泥體系污水脫氮效能研究

陳 佼,李舒昕,陸艷紅,唐 藝,李雪梅,黃 琴,陸一新

(成都工業學院 材料與環境工程學院,成都 611730)

為進一步提高水環境質量,越來越多的國家和地區提高了污水排放標準。在此趨勢下,新污水處理技術的研發及對現有污水處理技術的升級改造變得尤為重要,已成為污水處理廠未來可持續發展的必經之道[1]。好氧活性污泥法作為一類經典的污水處理工藝,在污水處理廠被廣泛應用[2]。但是,傳統的好氧活性污泥法難以在同一區間實現高效同步硝化反硝化,導致脫氮效能偏低[3]。含氮污染物的超標排放將加速水體富營養化的進程,因而探尋有效的污水脫氮強化方法對好氧活性污泥法的應用升級具有重要的現實意義。

為此,本文采用不同的熱解溫度對廢棄油菜秸稈進行處理,制備出不同特性的生物炭,將其分別投至好氧活性污泥體系內,考察其對氮素污染物去除和污泥沉降性能的影響,探究能有效強化污水脫氮效能的生物炭類型,以期為好氧活性污泥法提供一種新的強化脫氮方式。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

采用實驗室規模的有機玻璃柱作為好氧活性污泥法的反應裝置(見圖1),共設置4組序批式反應器平行啟動,編號依次為A1～A4。反應器內徑20 cm,柱高40 cm,工作容積為10 L。反應器內安裝有Multi 3620在線分析儀(用于檢測pH、溶解氧和溫度等)、機械攪拌器、空氣擴散器?？諝鈹U散器與柱外空氣壓縮機相連接以向體系內供氧,使體系內溶解氧質量濃度為4 mg/L左右。機械攪拌器的攪拌速率為120 r/min,以使泥水混合更加充分。加熱帶與溫控箱構成溫控系統,用于調節反應期間溫度為(25±1)℃。反應器按順序循環運行,循環時間為6 h/周期,具體包括進水5 min、曝氣5 h、沉降30 min、潷水5 min,其余時間為閑置期。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗用水及接種污泥

1.3 油菜秸稈生物炭的制備

廢棄油菜秸稈收集后進行清洗、干燥和粉碎處理,然后過0.18 mm篩,將篩出物放入坩堝中,壓實后蓋好蓋子,放入馬弗爐內通入氮氣流進行限氧熱解處理。熱解溫度分別設置為300,500,700 ℃,保持時間為2 h,使得廢棄油菜秸稈能夠充分熱解。待冷卻后,將產生的固體產物與適量的鹽酸溶液混合均勻,然后在25 ℃、150 r/min的條件下進行振蕩,保持0.5 h以去除灰分。振蕩結束后清洗數遍,干燥后過0.15 mm篩,取篩出物保存備用,即得到油菜秸稈生物炭(RBC),依次編號為RBC300、RBC500、RBC700。

1.4 實驗方案

1.5 分析方法

污水水質指標和污泥性能指標均參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)進行檢測。生物炭載膜量f采用重量差法進行檢測。污泥沉降速率v根據單位時間t內污泥在100 mL量筒內的沉降體積V進行計算,即v=V/t。RBC300、RBC500、RBC700的表觀形態采用Gemini 300場發射掃描電鏡進行觀測,比表面積SA、總孔容TV、平均孔徑AP等指標通過NOVA4000e比表面積分析儀測得。

2 結果與討論

(a)進出水質量濃度

去除率圖2 RBC對去除效果的影響

2.2 TN去除情況

RBC投加對好氧活性污泥體系TN去除效果的影響如圖3所示。

(a)進出水TN質量濃度

(b)TN去除率

2.3 強化脫氮機理分析

2.3.1 RBC吸附性能分析

圖4 RBC對的吸附效果

2.3.2 RBC載膜性能分析

圖5為穩定運行期間A1～A4反應器的載膜情況對比?？梢钥吹?A1反應器載膜量為0,說明該反應器為單一的活性污泥體系,而A2、A3和A4反應器的生物炭載膜量分別達到29.3,71.5,132.8 mg/g,表明在投加RBC300、RBC500、RBC700后,好氧活性污泥體系內出現了生物膜結構。

圖5 A1～A4反應器的載膜量

結合圖6所示的RBC電鏡掃描結果和圖7所示的SA、TV、AP分析結果可知,油菜秸稈在被制成生物炭后形成了大量形狀不一的孔洞結構,且熱解溫度的升高能促進RBC孔隙結構的發育,使之具有更加適合微生物菌群生存的微空間環境[20]。RBC700的SA、TV、AP值分別達到65.1 m2/g、0.194 m3/g、8.24 nm,分別相當于RBC300(RBC500)的2.6(1.5)、3.4(1.8)、2.5(1.3)倍,可為微生物菌群附著生長和生物膜的形成提供更加充裕的空間,因而投加RBC700的A4反應器具有更高的生物炭載膜量,分別相當于A2、A3反應器的4.5,1.9倍。

(a)RBC300(b)RBC500

(c)RBC700圖6 RBC的電鏡掃描圖

圖7 RBC的SA、TV、AP對比

生物炭載膜量越高,所形成的生物膜結構在好氧活性污泥體系污水脫氮過程中起到的作用越大。與單一的活性污泥體系相比,活性污泥-生物膜耦合體系通常表現出更優的脫氮效能。張俸志等[21]在活性污泥體系內填充約15%體積占比的纖維填料,經過99 d的馴化后可去除中藥制藥廢水中97%以上的TN,纖維填料上生物膜的形成使得體系內微生物類型更加豐富,有利于其實現深度脫氮。Dai等[22]對比了帶空白載體的序批式生物膜間歇式反應器與無載體的序批式反應器的脫氮效率,前者比后者高出21.4個百分點,載體上形成的固定生物膜有效地維持和富集了厭氧氨氧化菌,有利于污水部分亞硝化厭氧氨氧化工藝的啟動和穩定運行,提升了活性污泥體系的脫氮性能。類似地,本研究中RBC的投加為微生物菌群形成生物膜結構提供了穩定的載體條件,同時其良好的吸附性能也為生物膜的持續生長提供了充足的營養供給,使更多具有不同代謝功能的菌群能共存于該空間環境下,為生物脫氮的高效發生創造了有利基礎。

2.3.3 污泥沉降性能分析

A1～A4反應器的污泥沉降速率變化見圖8。

圖8 污泥沉降速率的變化

污泥的沉降速率對污水處理的效果有著重要影響[23]。一方面,污泥的沉降速率越高,意味著泥水分離越徹底,殘留在出水中的污泥量越少,因污泥本身攜帶而來的未完全轉化的污染物含量也隨之降低,因而出水效果越好[24]。另一方面,污泥沉降速率的提高可以節約泥水分離耗時,為反應器進入下一周期的運行預留充足的時間,有利于提高污染物的去除效率。由圖8可知,A1～A4反應器內的污泥在沉降初期表現出較快的沉降速率,而后沉降速率逐漸變緩。其中,投加RBC700的A4反應器在前5 min即獲得了8.4 mL/min的污泥沉降速率,分別相當于A1、A2、A3反應器的1.5,1.3,1.2倍。由此可見,RBC的投加能有效提高活性污泥體系的沉降速率,這歸因于表面附載有生物膜的RBC具有比污泥更高的密度,能在更短的時間內沉降下來,形成密實度更高的污泥結構[25],這同樣有助于強化好氧活性污泥體系的生物脫氮效能。

2.3.4 強化脫氮途徑分析

結合對RBC吸附性能、載膜性能和污泥沉降性能的分析,從生化反應角度對RBC強化好氧活性污泥體系污水脫氮效能的途徑作進一步探討。

(a)硝化

(c)短程硝化反硝化

3 結論