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    污水處理懸浮填料強化脫氮技術

     近幾年,隨著同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrificationand Denitrification,SND)現象在各種污水處理工藝中不斷被發現,SND逐漸成為了脫氮領域的研究熱點,這也為簡化生物脫氮流程、降低建設投資提供了新的發展方向。研究表明,在傳統活性污泥工藝中投加懸浮填料,能夠創造缺氧微環境,在增強生物膜對碳源吸附能力的同時可有效實現SND。這不僅能夠大幅增加原反應器內的生物量,提高活菌比例,而且能夠提高微生物對溶解氧的利用率,使反應器在低曝氣量下仍能保持較好的處理效果。筆者結合近年來懸浮填料與常規污水處理工藝相結合強化脫氮的研究成果,對實際運用過程中存在的問題進行分析,探討懸浮填料強化脫氮技術今后的發展方向。

      1、SND脫氮原理

      傳統的生物脫氮是根據脫氮過程的兩階段理論,將好氧硝化與缺氧反硝化分置于2個獨立的反應器內進行。而SND則是在同一個反應器內直接實現氨氮到氮氣的轉化,將脫氮過程的2個反應階段由宏觀空間(時間)上的好氧池與缺氧池,轉化為微觀空間上的微生物絮體表層與內部,并通過運行參數的調整使污泥表層與內部分別實現硝化與反硝化的反應條件,從而達到脫氮的目的。由于受到傳質阻力的影響,微生物絮體由外至內存在溶解氧和COD的質量濃度變化梯度,依次形成了擴散區、好氧區和缺氧區。微生物絮體表層由于溶解氧質量濃度較高,以硝化細菌為主,主要發生有機物和氨氮的氧化過程;微生物絮體內部由于氧氣的大量消耗以及傳質阻力的影響,形成缺氧區,反硝化細菌利用傳遞來的有機物反硝化脫氮。

      懸浮填料屬于分散式填料的一種,一般用聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯等特制塑料或樹脂制成,形狀規則,多為立方體或顆粒狀。懸浮填料內部孔隙率較大,比表面積大,極大地增加了微生物的附著面積,有利于生物膜的形成,使系統的抗沖擊負荷能力顯著提高。懸浮填料脫氮原理與微生物絮體類似,隨著污泥質量濃度的增大,附著生長的生物膜內層產生缺氧或厭氧環境,為SND脫氮提供了有利條件。

      2、懸浮填料強化脫氮技術污泥形式和微生物特性

      微生物是污水處理的主力軍,因此反應器內生物量的多少直接影響到污染物的去除效果。懸浮填料由于其內部孔隙的存在,有利于缺氧環境的形成,且比表面積較大,為反硝化細菌的生長提供了更大的空間。另外,填料表面的微生物主要以生物膜的形式存在,而常規活性污泥法反應器內的污泥處于游離狀態,前者對營養物質的捕獲能力遠遠高于后者,加之懸浮填料處于流化狀態,在水流剪力的作用下,老化的生物膜能夠及時脫落,始終保持較高的代謝活性,從而使反應器在較低的碳源條件下仍能保持較好的反硝化效果。

      向活性污泥法中投加懸浮填料能在很大程度上增加反應器內的總生物量和種類,改善其存在形式以及傳質方式,大大提高凈化效率和處理能力。相關研究發現,懸浮填料由于其巨大的比表面積和內部孔隙的存在,能夠吸附大量的絲狀菌,在強化污染物凈化能力的同時,控制污泥膨脹及上浮,使系統抗沖擊負荷能力顯著提高。同時,反應器內生物固體平均停留時間較長,有益于自養微生物的生存,還會形成大量的輪蟲、鐘蟲、累枝蟲等原生動物和后生動物,有利于水質的進一步提升。

      3、懸浮填料強化脫氮技術的應用形式

      研究表明,向傳統活性污泥法中投加懸浮填料,能夠強化脫氮能力,使氨氮、總氮去除率明顯提高,并且與傳統活性污泥法相比,在低溫下仍能保持較好的氨氮去除效果。

      龐丹等以寧安市污水處理廠為研究對象探究北方中小城鎮污水處理廠在低溫條件下對氨氮的去除效果,研究表明,向傳統AO工藝中投加懸浮填料與CASS工藝相比,在低溫低曝氣量條件下仍能保持較好的污染物去除效果,并且具有運行管理簡單、投資造價低、占地面積小等優勢。

      為了探究強化反硝化脫氮除磷效果的方法,呂絳等向傳統的A2/O生物池中投加聚乙烯懸浮填料,投配比為20%,總氮和總磷去除率均有顯著提升,當污泥齡為8h時,相應去除率最高可達75%和91.4%。

      王濤等通過向氧化溝好氧段投加懸浮填料探究溶解氧含量、污泥回流比和污泥齡對脫氮效果的影響,結果表明,當溶解氧含量為0.8~1.2mg/L,污泥回流比為75%~100%,污泥齡為10~15d時,出水COD、氨氮和總氮可達到GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。

      為了探究低C/N比生活污水的處理方法,薛軍等以聚丙烯作為懸浮填料投加到SBR反應器內,發現在低C/N比下,反應器仍能保持較高的生物量以及較好的TN去除效果。郭海燕等發現,與常規SBR反應器相比,懸浮填料SBR反應器對水中DO利用率更高,低曝氣量下仍能保持較好的處理效果。因此,懸浮填料的投加能夠顯著提高常規SBR反應器的耐沖擊負荷能力,強化脫氮效果,且在外在條件發生波動后仍能保持較好的污染物去除性能。

      程一橋等通過向平板膜生物反應器中投加聚丙烯多面空心球懸浮填料,使得總氮、總磷去除效果和穩定性顯著增強。另外,懸浮污泥生物膜與懸浮污泥之間存在競爭關系,從而使污泥產量明顯降低。楊期勇等通過對比普通膜生物反應器和投加多孔柔性聚氨酯懸浮填料的復合式膜生物反應器,發現懸浮填料的投加能夠形成微湍流,加大流體運行的不穩定性,有效地改善了膜生物反應器的過濾性能,使膜污染速率下降30%以上。

      4、懸浮填料強化脫氮在實際運用中存在的問題

      雖然懸浮填料的投加能夠強化反硝化脫氮效果,但仍然存在一些問題:

      1)由于懸浮填料內部孔隙的存在,長時間運行后會產生較多沉積物堆積,導致生物膜活菌率降低;

      2)對于懸浮填料生物膜來說,雖然比表面積較大,但液相基質與固相微生物之間的傳質阻力較大;

      3)受反應器流態影響較大,與活性污泥形成的生物絮凝體相比,懸浮填料表層的生物膜在較大的水流剪力作用下易脫落,無法形成穩定的生物膜結構;

      4)目前,由于原材料價格較高,導致前期投資較大。

      5、懸浮填料用于中小城鎮污水處理廠強化脫氮的展望

      隨著我國城鎮化水平的持續提高,中小城鎮數量迅速增加,但往往發展不均衡、設施建設水平低、運行管理不完善,導致其污水處理率與大中城市相差甚遠。中小城鎮污水處理有其鮮明的特點:污水處理量小、水質水量變化大、排水管網不健全以及建設投資有限等。因此,探索占地省、自動化程度高、抗沖擊負荷能力強、出水水質穩定的污水處理工藝是中小城鎮實現污水處理設施健康發展的技術難題。

      針對我國中小城鎮污水處理量小、C/N比低、投資有限的特點,采取投加一定比例的懸浮填料能夠明顯提升常規活性污泥工藝的脫氮性能,并且無需更改池型,僅需增設填料攔截裝置,投資較小。另外,投加懸浮填料不僅能夠在原有反應器的基礎上強化脫氮效果,增強出水水質穩定性,還能進一步減小曝氣強度,大幅節約運行成本。因此,對于已建成的中小城鎮活性污泥反應池投加懸浮填料是提標改造、強化脫氮性能的有效手段,為今后傳統活性污泥法污水處理廠提標改造提供了更經濟合理的發展方向。


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