强化序批式生物膜反应器脱氮与人工湿地除磷联合工艺初探

1、环境污染与防治 第32卷 第9期 2010年9月强化序批式生物膜反应器脱氮与人工湿地除磷联合工艺初探卢文健1 李 军2 韦 甦2 倪永炯2(1.同济大学环境科学与工程学院,上海200092;2.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州310014)摘要 为解决脱氮除磷对碳源的竞争及不同泥龄需要等问题,提出强化序批式生物膜反应器(SBBR)脱氮与人工湿地除磷联合工艺。通过将SBBR系统分为2格,并采用交替运行的方式(进水和曝气),强化了碳源保存,进一步提高脱氮效率;SBBR系统出水进入栽种菖蒲(AcoruscalamusL.)的人工湿地,利用基质和植物吸附等作用进一步除磷。结果表明:(1)2格交替运

2、行SBBR脱氮效果良好,稳定时出水COD均值为34mg/L,去除率约为93%;出水NH+4 N均值为2.0mg/L,去除率约为94%;出水TN维持在4.5mg/L左右,去除率约为86%;出水TP在2mg/L附近波动,除磷效果并不理想,有时还会出现出水TP高于进水TP的释磷现象。(2)人工湿地除磷效果良好且稳定。当进水TP为0.66.7mg/L时,出水TP维持在0.30.7mg/L。(3)该联合工艺有良好的脱氮除磷效果。系统出水NH+TN、TP均值分别为2.0、2.4、0.5mg/L,去除率均值分别为94%、92%、90%。4 N、关键词 脱氮除磷 序批式生物膜反应器 储碳 人工湿地Primar

3、ystudythecombinedprocessofenhancedSBBRandconstructedwetlandsfornitrogenandphosphorusremoval LUWenjian1,LIJun2,WEISu2,NIYongjiong2.(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUni versity,Shanghai200092;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnology,HangzhouZhejiang31

4、0014)Abstract: Thecharacteristicsofnitrogenandphosphorusremovalwerestudiedinalab scalecombinedprocesswithenhancedsequencingbiofilmbatchreactor(SBBR)fornitrogenremovalandconstructedwetlandsforphosphorusremoval.ThegoalsofthemodifiedSBBRprocessweretomakefulluseofcarbonsourceandtosolveproblemsexistinthe

5、simultaneousnitrogenandphosphorusremoval,suchasthecompetitiononcarbonsourceanddifferentsludgere tentiontime.ThismodifiedSBBRoperatedalternatelyintwosimilarpartsofthereactortoenhancethestorageofcar bonandtoimprovetheefficiencyofsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND).Constructedwetlandswereu

6、sedforfurtherPremoval.Theresultsindicatedthat86%ofTNwasremovedinthemodifiedSBBRwiththeeffluentTNwas4.5mg/L;whentheinfluentTPloadingofthewetlandranged0.6 6.7mg/L,theconcentrationofTPinef fluentwas0.3 0.7mg/L.TheestablishedcombinedprocessachievedagoodresultforNandPremoval;theaverageconcentrationsofNH+

7、4 N,TNandTPineffluentwere2.0,2.4,0.5mg/L,correspondingtotheremovalratesof94%,92%and90%,respectively.Keywords: nitrogenandphosphorusremoval;SBBR;carbonstorage;constructedwetlands常规的序批式生物膜反应器(SBBR)可利用同步硝化反硝化(SND)脱氮1 6,但由于反应器中异养菌的生长占优势,好氧反应中碳的氧化要优先于硝化,导致了碳氧化消耗能量而反硝化又缺少碳源的现象7靠湿地基质对磷的吸附、截留和化学反应以及植物吸收作用9,

8、实现对磷等营养元素的进一步去除10 12。该系统作为一个整体运行,通过控制SB BR出水中氮、磷等元素的浓度,为湿地植物生长提供氮、磷等营养养分,同时通过湿地处理能力的改善,降低SBBR的处理负荷,提高其处理能力。1 材料与方法1.1 试验用水水质试验用水人工配制,含有CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4 3H2O、FeSO4 7H2O、MgSO4 7H2O、。为解决脱氮除磷对碳源的竞争及不同泥龄需要等问题,笔者提出强化SBBR脱氮与人工湿地除磷联合工艺(简称联合工艺),一种由2格交替运行SBBR和人工湿地所共同组成的污水处理系统。其中,SBBR分为左右2格,交替运行强化了碳源的保存,可

9、利用内碳源实现剩余硝态氮的反硝化,提高了脱氮效率;SBBR出水进一步流经人工湿地,依8第一作者:卢文健,男,1986年生,硕士研究生,研究方向为污水处理理论与技术。卢文健等 强化序批式生物膜反应器脱氮与人工湿地除磷联合工艺初探CaCl2 2H2O等物质以及其他微量元素。进水各项水质指标控制如下:COD为320650mg/L,NH+4 N为22.436.8mg/L,TN为22.837.4mg/L,TP为3.26.4mg/L。1.2 试验装置与控制联合工艺试验装置如图1所示。SBBR试验装置采用有机玻璃材料制成,尺寸为25cm 40cm 80cm。SBBR中的纵向隔板将其分为左右2部分,各部分装填

10、陶粒后,其有效容积约为35L。SBBR上部设2个进水口交替进水,底部出水,并设有2组曝气头交替曝气。人工湿地试验装置主体结构,即人工湿地箱,采用灰色塑料,栽种菖蒲(Acoruscala musL.),尺寸为50cm 50cm 100cm,有效容积约为175L。人工湿地箱由底层向上分别装填石灰石颗粒、粘性土壤与石灰石颗粒的混合物以及粘性土壤,3层填料的高度分别为10、15、10cm,其中石灰石颗粒的粒径为510mm。人工湿地箱进水口、出水口分别距底层45、1cm。量调节箱至人工湿地,人工湿地的进水量为17L/d,水力停留时间(HRT)为22h,另有各1h分别作为出水时间和闲置时间。图2 SBBR

11、工艺流程Fig.2 FlowchartofthemodifiedSBBR1.3 分析方法试验中所采用的分析方法均参照文献13的标准方法。1.4 系统试验方案联合工艺试验装置共运行70d左右,各运行阶段如表1所示。阶段是SBBR的启动期,控制曝气使SBBR成功挂膜,达到稳定的脱氮效果;阶段#在SBBR稳定运行的基础上,增加人工湿地作为后续除磷工艺。2 结果与讨论2.1 生物膜的生长SBBR接种传统序批式活性污泥并连续运行。SBBR启动约7d后,肉眼观察到陶粒填料表面出现图1 联合工艺试验装置Fig.1 Experimentalsetupofthecombinedprocessofenhanced

12、SBBRandconstructedwetlands1!气泵;2!SBBR;3!液位控制器;4!原水箱;5!潜流泵;6!水量调节箱;7!人工湿地箱;8!菖蒲生物膜,随时间推移逐渐变厚。第1天及第59天陶粒表面生物膜的生长情况如图3所示。2.2 SBBR运行效果与分析SBBR的稳定运行不仅可以有效脱氮,同时也有助于降低污水中的有机物含量,稳定时出水COD均值为34mg/L,去除率约为93%。有研究表明,人工湿地基质的除磷效率随有机物浓度的增加而降低141882,15。因此,在联合工艺中的SBBR也为下阶段人工湿地的除磷提供良好条件。图4、图5显示了阶段中TN、NH+4 N、NO-X N、TP和去

13、除率的变化规律。系统中,SBBR采用的运行步序为:进水、曝气反应、出水。根据试验装置的特点,SBBR采用两边交替进水和交替曝气,通过微电脑时间控制器进行控制。如图2所示,系统稳定运行周期为:左边进水(30min)(240min)(40min)(30min)(240min)出水(40min),每天运行2个周期。SBBR出水经水表1 试验运行方案Table1 Operationprogramsoftheexperiment阶段#运行时间第1115天第1647天第4859天第6070天每个周期SBBR曝气时间/h8888每天SBBR运行的周期数222222HRT/h反冲洗时间第15天第39天第48天

14、环境污染与防治 第32卷 第9期 2010年9月聚羟基脂肪酸(PHAs)。好氧阶段采用单边曝气,在有氧情况下完成碳的氧化和硝化。水在气流的推动下产生水流循环,使SBBR的曝气处主要发生硝化反应,非曝气处储存的碳源和形成的微氧区有利于反硝化的进行,从而使整个填料区发生SND脱氮。同时,出水NH+4 N均值为2.0mg/L,去除率约为94%。如图5所示,阶段出水TP在2mg/L附近波动,除磷效果并不理想,有时还会出现出水TP高于进水TP的释磷现象。这主要是由于长时间未反冲洗排泥,污泥大量堆积,出现磷的大量积累而发生释磷现象的缘故。2.3 人工湿地运行效果与分析人工湿地中,基质在某种程度上作为一个磷

15、缓图3 第1天及第59天陶粒表面生物膜的生长情况Fig.3 Biofilmformationofceramicparticlesat1stand59thday冲器%调节着水中磷的浓度16,174642,阶段#中人工湿地脱氮除磷能力如图6所示。图4 阶段中TN、NH+、NO-4 NX N和TN去除率的变化规律-Fig.4 ProfilesofTN,NH+4 N,NOX Nandremovalratesinphase图6 阶段#中TN和TP的变化规律Fig.6 ProfilesofTNandTPinphase#如图6所示,人工湿地出水TP能够保持稳定,当其进水TP为0.66.7mg/L时,出水TP

16、维持在0.30.7mg/L。人工湿地良好的除磷特性可能是由于:(1)人工湿地TP去除率很大程度上依赖于所填充的基质,基质的吸附和植物的吸收是磷去除的最主要途径,而试验早期人工湿地基质的吸附尚未达到饱和174645;(2)采用联合工艺,在人工湿地前设置SBBR预处理,有效降低了人工湿地有机物负荷,减少了有机物对基质吸附除磷的抑制作用141883。同时发现,人工湿地也具有一定的脱氮能图5 阶段中TP和TP去除率的变化规律Fig.5 ProfilesofTPandremovalratesinphase力,出水TN随进水TN的变化而变化。这可能与进水TN负荷以及菖蒲的生长有关,因为湿地植物18能够直接

17、吸收NH+4 N作为营养物质,植物也为如图4所示,随着培养的进行,生物膜逐渐成熟,SND使得脱氮能力趋于良好。当进水TN为2634mg/L时,阶段后期出水TN总能维持在4.5mg/L左右,去除率保持在86%左右。缺氧区域和碳源是发生SND的2个必要条件,该系统原水进入SBBR后,部分有机碳被生物膜吸附转化为反硝化提供碳源,促进反硝化进程2.4 系统整体的污水处理效果19。以系统第6070天出水水质指标的均值来衡量系统整体的脱氮除磷能力,结果如表2所示。系卢文健等 强化序批式生物膜反应器脱氮与人工湿地除磷联合工艺初探统出水NH4 N、TN、TP均值分别为2.0、2.4、0.5mg/L,去除率均值

18、分别为94%、92%、90%。这表明联合工艺具有良好的脱氮除磷能力。表2 联合工艺出水水质特征1)Table2 Effluentcharacteristicsofcombinedprocess水质指标NH+4 NTNTP质量浓度/(mg L-1)0.43.3(2.0)0.83.6(2.4)0.30.7(0.5)去除率/%8999(94)8898(92)8694(90)+9 BRIXH.Domacrophytesplayaroleinconstructedtreatmentwetlands?J.WaterSci.Technol.,1997,35(5):11 17.10 SAKADEVANK,BA

19、VORHJ.Phosphateadsorptioncharacteristicsofsoils,slagsandzeolitetobeusedassubstratesinconstructedwetlandsystemsJ.WaterRes.,1998,32(2):393 399.11 VERHOEVENJTA,MEULEMANAFM.Wetlandsforwastewatertreatment:opportunitiesandlimitationsJ.Ecol.Eng.,1999,12(1/2):5 12.12 KOVACICDA,DAVIDMB,GENTRYLE,etal.Effectiv

20、enessofconstructedwetlandsinreducingnitrogenandphosphorusexportfromagriculturaltiledrainageJ.J.Environ.Qual.,2000,29(4):1262 1274.13 国家环境保护总局&水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法M.4版.北京:中国环境科学出版社,2002.14 李剑波,闻岳,周琪,等.有机物对人工湿地基质除磷影响研究J.环境科学,2008,29(7).15 MOSHIAO,WILDA,GREENLANDGD.Effectoforganicmatteronthecha

21、rgeandphosphateadsorptioncharacteristicsofKikuyuRedClayfromKenyaJ.Geoderma,1974,11(4):275 285.16 WILLIAMSJD,SYERSJK,HARRISRF,etal.Adsorptionanddesorptionofinorganicphosphorousbylakesedimentsina0.1MNaClsystemJ.Environ.Sci.Technol.,1970,4(6):517 519.17 DRIZOA,COMEAUY,FROSTCA,etal.Phosphorussaturationp

22、otential:aparameterforestimatingthelongevityofconstructedwetlandsystemsJ.Environ.Sci.Technol.,2002,36(21).18 HEALYMG,RODGERSM,MULQUEENJ.TreatmentofdairywastewaterusingconstructedwetlandsJ.Bioresour.Technol.,2007,98(12):2268 2281.19 谭洪新,周琪,杨殿海.宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究J.环境污染与防治,2009,31(5):11 15.注:1)括号内数据为均

23、值。3 结 论(1)2格交替运行SBBR脱氮效果良好,稳定时出水COD均值为34mg/L,去除率约为93%;出水NH N均值为2.0mg/L,去除率约为94%;出水TN维持在4.5mg/L左右,去除率约为86%;出水TP在2mg/L附近波动,除磷效果并不理想,有时还会出现出水TP高于进水TP的释磷现象。(2)人工湿地除磷效果良好且稳定。当进水TP为0.66.7mg/L时,出水TP维持在0.30.7mg/L。(3)联合工艺有良好的脱氮除磷效果。系统出水NH+4 N、TN、TP均值分别为2.0、2.4、0.5mg/L,去除率均值分别为94%、92%、90%。参考文献:1 WOOLARDR.Thea

24、dvantagesofperiodicallyoperatedbiofilmreactorsforthetreatmentofhighlyvariablewastewaterJ.WaterSci.Technol.,1997,35(1):199 206.2 SENP,DENTELSK.Simultaneousnitrification denitrificationinafluidizedbedreactorJ.WaterSci.Technol.,1998,38(1):247 254.3 POCHANAK,KELLERJ.StudyoffactorsaffectingsimultaneousnitrificationanddenitrificationJ.WaterSci.Technol.,1999,39(6):61 68.4 PUZNAVAN,PAYRAUDEAUM,THORNBERGD.SimultaneousnitrificationanddenitrificationinbiofilterswithrealtimeaerationcontrolJ.WaterSci.Technol.,2000,43(1):269 276.5 WILDERERAP,IRVINELR,GORONSZYMC.SequencingbatchreactortechnologyM.London:IWAP