電化學耦合曝氣生物濾池處理施工期生活污水

祁建民,張玉峰,邱勇軍,傅高健,楊柳燕,繆愛軍

(1.江蘇方天電力技術有限公司,江蘇 南京 211102)(2.南京大學環境學院,江蘇 南京 210023)

施工期臨時宿營地的生活污水中的COD、氨氮、總磷含量較高,污水排放量較大,如不經過處理便排放會對周圍環境造成惡劣影響[1-3]. 與農村生活污水相比,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. 目前生活污水的常用處理技術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,施工結束后會造成資源閑置,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,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到排放要求,因此需要聯用其他工藝.

電化學法具有設備簡單、占地面積小、自動化程度高等優點,該方法可以通過電催化和電絮凝工藝來去除生活污水中的污染物[9-10]. 電催化氧化是通過陽極氧化直接降解有機污染物,或通過電解過程中產生的強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,與混凝處理不同的是,電絮凝的混凝劑是通過陽極氧化溶解生成的,產生污泥量更少[13-14].

此前有研究[15]將電化學與曝氣生物濾池聯用處理焦化廢水,其COD和氨氮的指標與施工期生活污水相接近,該方法通過電催化和微生物的共同作用去除污水中的污染物,實驗結果表明電催化提高了曝氣生物濾池的脫氮效率,整個裝置對COD和氨氮具有良好的去除效果,去除率分別可達83.3%和99.8%. 此外,可以聯用電絮凝工藝來提高處理系統的除磷效率. Samadikun等[16]通過電絮凝技術處理洗衣廢水,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地面積較小且能跟隨施工隊移動,適用于處理施工宿營地臨時貯存的生活污水.

1 實驗部分

1.1 電解/電絮凝實驗裝置

電解曝氣生物濾池裝置如圖1所示,整個裝置為圓柱體,高度為30 cm,裝置的有效容積為4.2 L,從上到下分為3個區域,依次為清水層、填料層(沸石)、承托層(鵝卵石),各個區域的高度分別為5、15、5 cm,下方布有進水進氣系統,填料區平行放置3塊電極(2塊鈦板陰極、1塊釕銥鈦陽極)外接電源,水流通過下方蠕動泵從進水箱進入. 電絮凝曝氣生物濾池實驗設備是在該裝置的基礎上把釕銥鈦電極換成鐵板,水力停留時間為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 中試試驗裝置

為了驗證整個處理系統的可行性,定制了一套生活污水一體化處理設備,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 一體化處理設備工藝流程圖

(1)調節池:調節池長×寬×高為50 cm×100 cm×100 cm,有效容積為0.4 m3,水力停留時間為10 h,內部裝有曝氣攪拌裝置,用來均勻水質水量.

(2)電解曝氣生物濾池:電解曝氣生物濾池長×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,水力停留時間為8 h,電流密度為20 A/m2,陽極極板為釕銥鈦,內部裝有沸石填料,同時裝有電解系統(放置方式如圖1所示)、曝氣系統和反沖洗系統,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×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,水力停留時間為2.7 h,電流密度為20 A/m2,陽極極板為鐵板,內部裝有沸石填料,同時裝有電解系統(放置方式如圖1所示)、曝氣系統和反沖洗系統,氣水比維持在30∶1,與電解曝氣生物濾池不同的是,此時陽極極板為鐵材料.

(4)電催化槽:電催化槽長×寬×高為30 cm×100 cm×100 cm,有效容積為0.21 m3,水力停留時間為 5 h,電流密度為150 A/m2,陽極極板為釕銥鈦,電解的同時通入氯化鈉強化氧化效果,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用菌種,同時購買專用的營養劑加快掛膜速度. 原水水樣取自南京市某變電站施工現場,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,用水取自自來水,同時添加葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀以補充微生物生長所需的微量元素. 原水水質、人工配制污水水質、《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)出水一級A標準如表1所示.

表1 施工期生活污水指標及人工模擬污水進水水質

1.4 實驗材料

選擇沸石作為曝氣生物濾池的填料,因為沸石對氨氮具有極佳的吸附效果. 釕銥鈦陽極在足夠的電壓下會產生羥基自由基對污水中的有機物和氨氮進行催化氧化,強化脫碳脫氮效果. 錳砂具有很好的除鐵效果,電絮凝出水需要錳砂過濾后才能通入電解槽,否則磷酸鐵沉淀會溶解,導致出水磷含量超標.

1.5 實驗與分析方法

(1)掛膜:采用快速掛膜法進行掛膜[17]. 將配制好的掛膜溶液(每升水體中加入40 g菌劑和10 g營養劑)倒入實驗裝置. 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,水力停留時間為 6 h,每天測定水中的COD、氨氮和總磷. 當氨氮的去除率大于60%、硝態氮增量和氨氮去除量的比值趨于1.0、處理效果基本穩定即可認為掛膜成功[18].

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

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

本實驗中各項指標測定方法如下:COD:重鉻酸鉀法;氨氮:納氏試劑分光光度法;總氮:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;總磷:鉬酸銨分光光度法.

2 結果與討論

2.1 電解曝氣生物濾池

2.1.1 電流密度對電解曝氣生物濾池處理效果的影響

近年來,有研究[19-20]指出適當的電流密度可以促進微生物增長,從而提高生物反應器的效率,但過高的電流密度會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,對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,導致出水COD指標升高. 磷的去除率在電流密度大于20 A/m2時基本穩定,達到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,電流密度設定為20 A/m2開展后續實驗.

圖3 電流密度對電解曝氣生物濾池的影響

2.1.2 電解曝氣生物濾池對人工模擬污水的處理效果

電解曝氣生物濾池對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出水中COD、氨氮、總氮、總磷的含量及其去除率

進水COD在300～600 mg/L范圍內波動,出水COD穩定在50 mg/L以下,達到GB 18918—2002的一級A標準(COD≤50 mg/L),這說明電解曝氣生物濾池對COD的降解比較穩定,具有一定的抗沖擊負荷能力[21].

氨氮的進水濃度在100 mg/L左右,在1個周期內(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含量過高,微生物生長繁殖快,硝化細菌很難成為其中的優勢菌種[22],隨著時間的推移,硝化效果越來越差,導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增強,但也難維持很長時間,需要頻繁進行反沖洗,在此條件下,出水指標可在20～30 mg/L浮動.

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

2.2 電絮凝曝氣生物濾池對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除磷工藝,選擇適宜的電流密度,以防鐵電極溶解過快. 處理效果如圖5所示,電絮凝曝氣生物濾池擁有良好的除磷效果,主要依靠電極氧化產生的Fe3+的絮凝沉淀與填料的吸附作用[21],去除率可達98%以上,達到GB 18918—2002 的一級 A 標準. 除了高效除磷,電絮凝曝氣生物濾池對COD、氨氮、總氮也有一定的凈化效果,可以進一步去除污水中的污染物.

圖5 電絮凝曝氣生物濾池對COD、氨氮、總氮、總磷的去除率

2.3 電催化槽對人工模擬污水的處理效果

將2個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,測試了電催化槽對氨氮強化處理的效果,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主要進行氨氮的氧化,COD未被降解,當氨氮的去除率達到60%左右,開始氧化降解COD,在2 h氧化過程中,COD和氨氮的去除率分別可達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-會吸附在陽極表面,此時ClO-較·OH更容易生成,而ClO-對COD處理效果較差,所以此時主要進行氨氮的氧化. 隨著反應的進行,Cl-濃度逐漸降低,·OH開始大量生成,COD開始被降解[24].

圖6 電催化裝置對COD、氨氮的去除率

2.4 生活污水一體化處理設備對人工模擬污水的處理效果

研究測定了裝置掛膜馴化后15 d的處理效果,如圖7所示. 在15 d裝置穩定運行過程中,對COD的去除率逐漸提高并穩定在90%左右,出水COD穩定在50 mg/L以下,達到 GB 18918—2002 的一級 A 標準.

圖7 生活污水一體化處理設備進出水中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開啟電催化裝置后,出水濃度穩定在0 mg/L,達到GB 18918—2002 的一級 A 標準,說明電催化裝置對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的進行,電催化槽產生大量的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,會將一部分氨氮氧化成硝態氮,導致出水總氮偏高. 但出水總氮濃度仍穩定在15 mg/L以下,達到GB 18918—2002的一級A標準. 后續可在電催化槽出水區域增加1塊陰極極板進行硝態氮的反硝化,強化脫氮效果.

總磷在前5 d的出水濃度在1～5 mg/L范圍內波動,第5 d開啟電絮凝裝置后,去除率大幅增加,出水濃度穩定在0.5 mg/L以下,達到GB 18918—2002的一級A標準.

3 結論

本研究以電解曝氣生物濾池作為核心工藝,同時利用電絮凝、電催化技術進一步強化脫氮除磷效果. 以上述技術為核心的一體化污水處理裝置對高濃度的人工模擬污水具有較好的處理效果,掛膜啟動時間較短,具有較好的抗沖擊負荷能力. 通過實驗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間等參數. 中試裝置穩定運行期間,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定在50、1、15、0.5 mg/L以下,去除率分別達到90%、99%、80%、98%,達到 GB 18918—2002 的一級 A 標準. 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域增加1塊陰極極板來提高反硝化效果,進一步降低總氮指標. 裝置穩定運行期間,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,但對于氮、磷的高效去除很難同時滿足,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其處理完全,本研究引入電化學技術,強化整個系統的脫氮除磷效率,可以有效解決上述存在問題.