污泥灰陶粒对于结合生物曝气池技术处理合成污水方法的影响

1、污泥灰陶粒对于A/O结合生物曝气池技术处理合成污水方法的影响 关键词： 曝气生物滤池 污泥灰陶粒 水力停留时间 气液比，再循环摘要： A/O BAF工艺中特别的污泥灰陶瓷颗粒载体使用于上升气流室，是为了处理合成污水这一目标。在这里阐述了水力停留时间，气液比，回流比对消除化学需氧量，氨气 ，总氮量的影响。最佳操作条件包括水力停留时间2h，15:1的气液比，以及200%回流比。处于最佳条件下，90%化学需氧量，80%以上的氨氮以及接近70%总氮量能够被去除。在200%回流比条件下化学需氧量，氨氮，总氮量的平均消耗体积加载速率分别是4.06, 0.36，0.29kg (m3d)-1,化学需氧量和总氮

2、量的消除主要发生在厌氧区，然而硝化反应在距离底部入口70cm高度处完成是为了与圆柱形的曝气生物滤池的布局相符合。废水和反洗的特性很大程度上影响总氮量德尔消耗。此外，载体和合成废水的特点有利于具有很强缓冲能力的曝气生物滤池，所以，不同的载体污水的PH随着不同的载体的高度稍有变化，并且没有循环。 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.引言： 城市污水处理计划的副产物污水污泥通已经过焚烧，垃圾填埋或堆肥的方式处理，然而，研发一种更加可持续发展的方法去处理大量污泥正成为讨论的焦点问题。由于像重金属，病毒，细菌的潜在污染直接利用土地填埋被认为是最好的可持续的方法在

3、一些国家并没有得到广泛的接受。除此之外，煤燃烧产生的煤灰由于数量巨大而无法被有效利用。对于环境和经济效益，如果能被恰当的利用这些浪费的物质能够成为有效的资源。例如，固体颗粒，废陶瓷，聚乙烯塑料被用作曝气生物滤池床载体就是很好的废弃物再利用方法。 目前，商业陶瓷颗粒作为一种轻砂石用作建筑材料和废水处理的过滤载体。通常，商业陶瓷的原材料由来自农田的泥土组成，这样一来会对农业造成长远的难以承受的影响。因此，尽可能多的开发合适的材料去代替泥土。由于脱水污泥和煤飞灰具有相同的矿物组成成为一种可能的替代品。在这项研究中，通过高温（1100以上）将脱水污泥和煤飞灰和泥土按照1:1:1的比例混合，这样，一种叫

4、做污泥飞灰的陶瓷颗粒过滤材料得到发展。可以预见，如果可回收废料能够被成功应用于废水处理作为过滤介质，那么对于利用可回收材料在SFCP技术中将开辟新的领域。 生物曝气过滤器作为灵活有效的生物反应器19世纪70年代末起源于欧洲，并广泛应用于全世界。作为一种固定的反应器，生物曝气过滤器可以维持较高的液压和有机负荷，并能保持比传统悬浮生长的活性污泥和普通生物滤池更高的生质浓度，这使得有更少的沉积形成，更强的环境抗冲击性，体积更小的反应器成为可能。此外，原水中的活性污泥能够被水中的载体直接过滤所以独立的二次净化可以忽略。由于曝气生物过滤器的一些基本优点能够实现仅仅占用活性污泥所占据空间的1/3。 消耗生

5、物氮中的硝酸盐的反硝化反应应在厌氧阶段进行，通过在入口底部上升气流中造成厌氧区，以及通过向圆柱状的中部注射空气创造好氧区改造的生物曝气过滤器用于消耗碳基质，总氮，氨氮以及悬浮固体。来自好氧区的污水回流到厌氧区完成氮的消耗。两种不同的功能区产生在曝气生物过滤器的一个单元比活性污泥工艺相对紧凑。 在曝气生物过滤器系统中，过滤介质在污水处理上起到很重要的作用。介质的特性不仅关系到基本的经费，设计过程和曝气生物过滤器的操作模式，而是应向到像反洗和空气进流的日常运行费用。包括粘土，沸石，塑料制品例如已经顺利完成研究的聚乙烯和ps在内的矿物载体。研究表明，曝气生物过滤器包括像生物载体这样的膨胀粘土可以实现

6、比这些具有相同结构的沙子和塑料载体更好的基质消耗。 在这项研究，为了处理合成废水一种新的叫做SFCP的过滤材料应用于结合生物曝气过滤器的一种A/O工艺中。本论文的主要目的是研究水力停留时间，气液比，介质高度以及消耗氨氮，总氮，化学需氧量的回收率对特别的曝气生物过滤器系统的影响。此外，SFPC材料作为过滤材料的可行性被讨论并且pH与废水和SFPC材料的特性的关系根据实验结果得到研究。2. 实验2.1材料和实验装置 值得注意的是过滤材料的生产事实上来源于废弃材料。脱水污泥和飞灰作为添加剂与粘土混合制作陶瓷颗粒原材料。这三种原材料的成分如Table1中所示。污泥取自暴漏在空气中至少1个月未经消化脱水

7、过程的废水植物中。在SFPC生产过程中，三种原材料被混合搅拌运输至转盘中。通过注射自来水使粉状材料变成颗粒状。把SFPC半成品材料释放到回转炉前进行干燥并且加热到1100高温。最后，新的过滤材料被合成。SFPC和CCP的性质在Table2中说明。 正如Table2中展示的那样，SFPC在很多方面都优于CCP，包括更高的总孔隙度，更大的总表面积以及更小的体积和表观密度。根据 Kentet al. (1996)的调查，这些特性对于是否适合作为曝气生物过滤器载体是至关重要的。也进行了SFPC浸出液中重金属元素的测试。在包括 Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Ba, 和As在内的九种重金属元素含

8、量分别是 0.042，0.017，0.001，0.073，0.006，0.019 和 0.011 mg L-1，并没有检测到Hg和Ni。浸出液中所有的重金属含量都比GB 5085.3-2007低得多。总的来说，通过曝气生物过滤器工艺将SFPC引入废水治理是非常安全可行的。 一个实验室规模的上升气流A/O,曝气生物滤池装置如图所示：圆柱形反应器是由聚甲基丙烯酸甲酯制成的直径100mm，有效容积2.5L，高1.6m的反应器。SFPC（9L）7L被填充在柱体的好氧区，2L则在厌氧区。两个空气扩散器被安装在距底部入口40cm处，产生一个25cm高的厌氧区和80cm高的好氧区。一个扩散器用于为好氧区冲氧

9、，另一个用于在反洗操作时反洗空气。在柱体的顶部，有一个缓冲区用来阻止载体被混合的反洗气和水冲走。原水被给水泵送入柱体流经厌氧区和好氧区；处理过的废水通过循环泵被回收到废水罐的厌氧区。四个抽样口分别被放置在距柱体底部入口25,70,110,145cm高度处。生物过滤器每隔24h就要反洗一次，因为没有固体进入反应器导致的生物膜生长。收集在废水罐的循环水被用于反洗操作目的是反洗水的再利用。一个完整的反洗工序是由空气冲刷，空气水洗和反洗组成。反洗空气和水的表面速度分别是25.5 和 38.2 m h -1。反洗操作遵循如下：首先，空气冲洗在关闭给水泵后始于反应器底部并持续5min，然后空气和干净的水被

10、送入过滤器持续5min，最后停止通气循环水作为反洗水的替代品泵入其中再持续5min。2.2废水特性 在整个试验期间，给予曝气生物过滤器混合了葡萄糖，可溶性淀粉，醋酸钠，硫酸铵，磷酸钾的合成废水使之与中国山东，济南的原废水相似。通过调节流入柱体的废水量改变容积负荷。2.3分析方法 在入渗和废水中根据标准方法对 CODcr， NH4-N,总氮，硝酸盐聚集物进行测量。对其他参数例如PH，温度，溶解氧进行有规律的监测。样本在精确的时间间隔从不同的采样点取样。每个样品测量三次。该系统在温度范围处于 19.2至25.1的房间内运行。2.4接种和启动 BAF系统的集中接种激活氧化沟曝气池污泥过程来源于中国济

11、南污水处理厂。接种污泥参数如下：SV = 33% ，MLSS = 4 g L-1，SVI = 82 mL g-1。在启动方面，反应器的成批处理方式持续大概一周，然后改用连续操作。基本操作参数在驯化期间如下：水力停留时间 （ 2.5 h, 气液比 10,回收率100% 以及总流速1.0 L h -1。在消耗CODcr，氨氮和总氮的基础上有机负荷是不同的。柱体每隔一天被反洗一次然后三个星期后根据废水的特质达到稳定期。随后，通过废水流量的变化研究对反应器性能的影响。3结果及讨论3.1 水力停留时间对 CODcr，氨氮，总氮消耗的影响 水力停留时间在废水生物处理工艺中是非常重要的运行参数。根据反应器的

12、有效容积，选择 5种水力停留时间(0.5, 1.0, 1.5, 2.0 and 2.5 h)参数。其他测量参数如下： 气液比 of 5:1，100回流比。原废水的流速范围是0.52.5Lh-1，相当于空气流速的0.080.42Lmin-1。在每个水力停留时间参数前提下都有两天的驯化期，并且在第三天测量所有样品。Table 3表明HRT对CODcr，氨氮，总氮消耗效率的影响。由此可见，对 CODcr的消耗随着HRT的增加而逐渐曾加。CODcr的消耗对应水力停留时间5个不同值 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 和 2.5 h分别得到如下值是 65.3%, 78.6%, 83.3%, 87.5%

13、 和 92.9%。研究发现除了水力停留时间为0.5h以外大约 95%氨氮可以被有效的氧化。必须指出，总氮的最高消耗百分比出现在水力停留时间为2.0h时。通常来说，更短的水力停留时间相当于更快的气，水流速和更强的剪切力和微生物在厌氧区和好氧区受到更严重的影响。只要控制水力停留时间在一个合适的值，细菌的活动就会逐渐恢复。一方面，更短的水力停留时间使得含有更高的溶解氧的循环水泵入厌氧区，明显的减少了氮的消耗。另一方面，更长的水力停留时间符合较低速度原废水引起的更低的有机负荷，并且有可能影响微生物的活动。然而，当水力停留时间由1.0h增加到2.5h，消化作用影响不明显，这表明循环水中的硝酸盐聚合物不是

14、限制反硝化作用的因素。在 Table 3中介于消耗 CODcr和分离总氮的比例表明较短和较长的水力停留时间导致更低的总氮消耗效率，并且CODcr并不是主要在反硝化过程中被消耗的，而是通过其他途径例如在空气中的氧化和反硝化细菌的活动。总之，为了满足消除废水中污染物的要求，水力停留时间为2.0h是比其他水力停留时间更好的选择。3.2气液比对CODcr，氨氮，总氮消耗的影响 气液比对合成废水处理效率的影响是根据上面确定的水力停留时间为2.0h以及100回流比。原水的流速维持在0.625Lh-1不变，相当于空气流速分别为 0.1, 0.2, 0.3,0.4和 0.5 L min-1，所以气液比分别包括

15、 5:1, 10:1, 15:1, 20:1,25:1 ，在每个气液比值下都有两天驯化期并且所有样本都在第三天检测。从 Fig. 2a 和c可以看出气液比与CODcr和总氮的消耗关系密切，但是消化作用对变化的空气流速不敏感。因为原水中的有机物包括具有成千上万个葡萄糖单元的很长的C链的可溶性淀粉并且与醋酸和葡萄糖比起来不太容易被微生物利用，像发酵性和产乙酸菌这样的兼性需氧菌对于反硝化反应可以使用氧作为电子受体供应可降解性C源可以降低C链。这样就可以解释为什么总氮的消耗会随着气液比从5增加至15而增加。如上所述，当溶解氧超过一定阈值是溶解氧会成为一个反硝化反应的限制因素，15:1的气液比通常会减少

16、 CODcr和总氮。此外，合适的气液比可以有效地分离生长在SFPC表面的生物量并且提高硝化扩散以及反硝化细菌在硝化和反硝化反应中的活性。然而，过高的气液比很划算。根据 Fig. 2中的描述很明显15:1的气液比应该是最佳气液比。3.3Variation of the concentration of CODcr, NH þ, TN and NOwith the column height() 反应器的高度的影响和变异的CODcr，氨氮，总氮和硝酸氮的气液比如 Fig. 2a所示。应该注意的是CODcr，氨氮，总氮和硝酸氮的富集根据富集的影响和100回流比从0cm处开始计算。 如Fig

17、. 2a中的描述，载体高度从入口底端算起在最初的25cm以内，CODcr的有效分解介于65.9% 82.7%之间，相应的剩余CODcr浓度在不同气液比条件下分别是 95.4 mg L-1 和46.5 mg L-1。反应器上层的载体对于CODcr的深度消耗起的作用不是很大。 Fig. 2c中说明了总氮消耗的相似趋势。3以下的总氮的消耗发生在好氧区。 Fig. 2b中的结果显示出氨氮消耗的趋势在厌氧区是复杂的。一方面，氨氮浓度在较低的气液比时增加，另一方面，在较高的气液比时减少。据推测来自蛋白胨的有机氮在气液比为5:1和10:1时有可能转化成氨氮；也有可能通过异化硝酸减少氨由此来产生氨氮。当有机物

18、减少时比较低溶解氧该过程不可能被发酵细菌执行。在另一个气液比条件下，氨可以被同化成有机氨。尽管气液比在厌氧区影响氨氮组成，氨氮的组成在好氧区也是相似的。可以表明在好氧区氨氮的氧化主要发生在40cm以内的载体高度，在距入口70cm范围内剩余氨氮浓度少于1 mg L-1。氨氮和硝酸氮同时变化（见 Fig. 2d）。此外，氨氮负荷可以增加到某种程度上目的是充分利用过滤器。3.4回流比对CODcr，氨氮，总氮消耗的影响 回流比也是影响曝气生物过滤器运行的关键性因素。 Fig. 3表明回流比对CODcr，氨氮，总氮的影响在水力停留时间为2.0h以及15:1的气液比是起作用。一周分别进行回流比为100%,

19、 200% 和300%的连续作业。在厌氧区和好氧区内每天进行废水监测。 Fig. 3a表明在好氧区回流比为100%, 200% 和300%时CODcr的消耗效率分别是86.0%, 89.9% 和 88.1% ，对应的在厌氧区则分别是 78.3%, 86.8% 和 86.0%。所以，CODcr的消耗效率对回流比和功能区不敏感。 类似的对于氨氮如 Fig. 3b中说明的那样，完全的硝化反应实现于全回流。尽管在厌氧区随着回流比的增加氨氮的浓度在 13.17.42 mg N L-1范围内变化，在好氧区废水则在0.38 1.65mg N L-1 范围内变化。 Fig. 3a 和 b显示CODcr和氨氮的

20、消耗分布在不同的功能区是为了避免自养和异养菌之间在好氧区的竞争以及完成充分的硝化作用。 这个研究最重要的部分是总氮的消耗。 如Fig.3c所示，当回流比分别为100%, 200% 和300%时对应的平均总氮消耗速率是57.0%,66.3%和69.4%。回流比和好氧区对总氮的消耗的影响是非同小可的。通常，回流比越高污染物的消耗比率越高。应该指出氨同化，氨挥发，由于不同电荷引起的生物膜吸附或者同时进行的有氧列硝化作用在我们的实验条件下不被视为整体损失。 Fig. 3d中的结果表明在有氧列氨氮不是总氮的主要组成部分，当回流比分别为100%, 200% 和300%时氨氮占总氮的比例分别为76.6%,

21、66.3% 和70.3%。总的来说，在 1-A级国家排放标准中最优回流比为200%，更低的运行经费得以实现。另一种方法呈现的结果是平均消耗的CODcr，氨氮，总氮容积负荷比率的回流比 如Table 4所示。在回流比为 200%时CODcr的平均消耗比回流比为100%和300%时效果要好的多。在这种情况下，氨氮，总氮消耗的容积负荷比率随着回流比的增加而增加。氨氮的平均消耗比总氮大的多，并且氨氮和总氮的消耗量的比值在回流比分别为200%和300%时对应为0.81和0.82，指示转化为 N 2O或N 2的过程没有完全实施。基于 Table 4的结果在回流比分别为200%和300%时消耗氨氮容积负荷比

22、率有所不同。相同的结果反生在总氮。根据 Ha and Ong (2007)的调查200%回流比时CODcr，氨氮，总氮的消耗大概是 2.75, 0.20 and 0.22 kg (m 3 d)-1。所以，SFCP-BAF体系比采用沙子作为载体的工艺有更好的性能。 在这项调查中，模拟国内污水 CODcr/N入渗比率很低在8.311.6之间波动推荐值应该普遍低于15.在他们看来，在模型中通过吸附阳离子过度的要求 COD是加快最初COD消耗的原因。研究发现醋酸和甲醇作为反硝化的碳源能实现最高的反硝化率，所以，包括葡萄糖，醋酸钠，可溶性淀粉在内的复合碳源没有得到有效的吸收除非退化成更小的分子像醋酸甲醇。总氮与 CODcr，氨氮，硝酸氮比较而言受反洗的影响更大。结果表明，知道反洗后18h消耗的总氮才会恢复。3.5PH变化的列和再循环 一项调查表明在不同采样端口再循环对PH的影响。Table 5表明影响PH为弱酸性6.68 6.80。通过缺氧列后由于反硝化反应使碱度提高PH增加到大约8.0，所以硝化反应不受好氧区PH限制，因为PH为7.58是硝化反应的最佳PH。根据方程式 NH4+2O 2NO3-+2H+H2O硝化反