两级序批式生物膜法对厌氧消化液的处理研究.pdf

两级序批式生物膜法对厌氧消化液的处理研究 杨静超1， 2夏训峰2黄占斌1宿毅1夏天骄1， 2 1. 中国矿业大学 北京 化学与环境工程学院， 北京 100083; 2. 中国环境科学研究院， 北京 100012 摘要 采用两级序批式生物膜法 SBBR 处理猪场废水厌氧消化液， 考察了不同类型的填料以及填料的不同组合方式 对污染物的去除效果。试验结果表明 组合 3 1 级反应器中投加碳素纤维填料， 2 级反应器中投加组合填料 COD 去 除能力较好， 可达 93. 7， 组合 1 1 级， 2 级反应器中均投加碳素纤维填料 NH 4- N 和 TN 去除率最高， 分别为 69. 2、 70. 4; 此外对运行过程中的 DO 浓度和 pH 值的变化情况进行监测， DO 浓度受有机物降解和硝化反应的共 同影响， pH 值受曝气量的影响较多。因此， 可以通过 DO 浓度和 pH 值来判断反应系统中污染物的变化情况和反应所 处阶段。 关键词 两级 SBBR; 填料; 不同组合; 厌氧消化液 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 007 TWO- STAGE SEQUENCING BATCH BIOFILM REACTOR FOR TREATMENT OF DIGESTED WASTEWATER Yang Jingchao1， 2Xia Xunfeng2Huang Zhanbin1Su Yi1Xia Tianjiao1， 2 1. School of Chemical ＆ Environmental Engineering，China University of Mining ＆ Technology Beijing ，Beijing 100083，China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China AbstractTwo- stage sequencing batch biofilm reactor SBBR was used for advanced treatment of digested piggery wastewater． Comparison and selection of carriers and carriers combination were carried out to investigate the pollutant removal efficiency． The results showed thatThird combination the carbon fiber and combination packing were respectively placed in one- stage and two stage reactorsranked a better removal rate of COD，its removal rate was 93. 7． The removal rate of NH 4- N and TN of the first combination carbon fibers were placed in one- stage and two- stage reactorswas the best，and their removal rates were 69. 2， 70. 4． Moreover，variations of DO and pH were monitored during the process of the operation． Organic matter degradation and nitration reaction could rt significant influence on DO，and the aerated volume had a greater effect on pH． Hence，DO and pH could judge the change of contaminant，and they could be used to show the stage of reaction． Keywordstwo- stage SBBR;carriers;different combination;digested wastewater 0引言 序批式生物膜反应器 SBBR 是在序批式活性污泥 反应法 SBR 基础上发展起来的一种新工艺， 它既保留 了 SBR 的诸多优点又有不同于 SBR 的特点 ［ 1 ］， SBBR 工 艺简单， 基建运行费用低， 推广到中小型的养殖场可产 生良好的环境效益和社会效益。两级反应系统可解决 有机物浓度与硝化作用之间的矛盾， 并且培养出适合降 解难降解有机物的异养菌， 而受到众多研究者的亲 睐 ［ 2- 5 ］， 目前针对两级 SBBR 工艺对猪场废水厌氧消化液 的报道较少见。笔者采用两级串联SBBR 工艺处理实际 猪场厌氧消化液， 考察碳素纤维填料和组合填料， 以及 填料的不同串联组合对污染物的去除效果， 为两级 SBBR 工艺应用于厌氧消化液好氧后处理提供依据。 1试验部分 1. 1试验装置及运行方式 试验装置如图 1 所示。 采用 3 组规格相同的 SBBR 反应器进行试验， 各 组填料投加情况见表 1。反应器主体为单层有机玻 璃柱， 有效容积为35 L， 每个反应器设2 根填料， 运行 时间为16 h/周期; 单级为8 h/周期 其中进水20 min， 沉淀 20 min， 好氧 6h， 沉淀 50 min， 出水 20 min， 闲置 10 min。相应取样点为 0 号在原水箱取水， 1 号、 8 号分 52 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 图 1试验装置 Fig．1Schematic diagram of experimental equipment 别在1 级、 2 级反应器曝气前取水， 2 号 ～7 号、 9 号 ～ 14 号分别在 1 级、 2 级反应器运行中每隔 1 h 取水。 表 1试验设计 Table 1Experiment design 项目组合 1组合 2组合 3 1 级碳素纤维填料 组合填料碳素纤维填料 2 级碳素纤维填料 组合填料组合填料 1. 2填料 组合填料材质为合成纤维， 单元直径 100 mm， 纤 维束长度 160 mm， 束间距 80 mm， 相对体积质量为 1. 02， 抗拉强度为 6. 8 ～7. 1 g/单丝， 伸长率 4。其 为双圈结构， 外部是均匀分布的纤维束， 内圈是雪花 状塑料枝条， 既能挂膜， 又能有效切割气泡。 碳素纤维填料型号为 CFK- 1， 其比表面积为 50 000 m2/m3， 每根碳素纤维分别由12 000 根直径为 7 μm 的微细纤丝集束而成， 入水后立即散开， 提供极 大的生物附着面积。 1. 3原水与污泥 接种污泥取自北京某污水处理厂， 采用接种法挂 膜， 控制各反应器内 ρ DO 在 2 ～ 3 mg/L， 以便生物 膜附着。14 d 后， 反应系统 COD 去除率可达 80 以 上， 视为挂膜成功。之后按设计参数运行， 每天换水 3 次， 以期驯化出适合难降解有机物的生物膜， 稳定 连续运行 7 d 后进入正式试验阶段。 原水取自北京某种猪养殖场污水处理二次发酵 罐的消化液， 其基本水质特征见表 2。发酵液液体浑 浊， 并有异臭味。正式试验时将原水 ρ COD 稀释至 600 mg/L， 作为试验用水。 表 2厌氧发酵液基本水质特征情况 Table 2Basic characteristic of anaerobic digested wastewater 项目 ρ COD / mg L －1 ρ TN / mg L －1 ρ NH 4 - N / mg L －1 pH 测定值1390 ～2579614. 3 ～458. 9598. 2 ～395. 06. 5 ～7. 4 2结果与讨论 2. 1影响因素分析 2. 1. 1DO 的周期性变化及影响 溶解氧是 SBBR 运行过程中一个非常重要的指示 参数 ［ 6 ］， 有机物降解和硝化反应均需充足的溶解氧， 因 此它可较为直观、 迅速地反映出整个系统的运行状况。 在运行过程中各组 DO 浓度的周期变化如图 2 所示， 均显先下降后升高的趋势。组合 1 和组合 3 DO 浓度在 1 号点骤降， 而组合 2 DO 浓度下降缓慢， 其原因是在反应初期曝气机有 40 min 处于关闭状 态， 上升的水流使碳素纤维填料的纤维束伸展， 阻挡 了氧气向上的传输， 但组合式填料内圈独特的雪花状 塑料枝条， 能使气体延曲折的路径上升， 增加了氧气 在反应器内的停留时间， 提高了组合 2 反应器内的 DO 浓度， 均匀分布丝束良好的气水再分布能力， 也 使得组合 2 中的溶解氧在整个反应周期内变化趋势 较缓 ［7 ］。因为 COD 和 NH 4 - N 的降解需要大量的溶 解氧， 所以 DO 浓度在 4 号点均出现一个低谷， 废水 进入 2 级反应器后 DO 浓度有所回落， 但组合 2 因其 反应器内温度较低， 使得 DO 浓度在 8 号点较高， 从 而导致 pH 值和 COD、 NH 4 - N 的去除效率在 9 号点 均出现一个小高峰。反应后期有机物降解和硝化反 应基本结束， 使系统内的供氧速率逐渐大于微生物的 耗氧速率， DO 浓度开始回升并持续处于较高水平。 因此可以通过溶解氧浓度， 来判断反应系统中有机物 和氨氮的变化情况。 图 2运行周期中 DO 浓度的变化 Fig．2Variation of DO in a reaction cycle of each reaction group 2. 1. 2pH 值的周期性变化及影响 pH 是影响生物脱氮过程的一个重要因素 ［ 8 ］， 根据 计量方程式可知， 微生物的硝化过程消耗碱度， 而反硝 化过程产生碱度。因此绘制单周期内pH 曲线， 可以明 62 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 确反应所处的阶段， 并对脱氮效果作合理解释。 在运行过程中各组 pH 值的周期变化如图 3 所 示， 进水 pH 值为 7. 7， 因此不需外加酸碱进行调整。 1 级反应中组合 1 和组合 3 pH 值变化趋势相似， 分 别在 3 号点处达到最低值 7. 2 和 7. 1， 由 2. 2 可知此 阶段污染物去除较快， 消耗了大量的溶解氧， 而低 DO 浓度不利于将异养微生物代谢形成的 CO2及时吹脱 出去， 除此之外硝化过程中产生的 H ， 消耗了 HCO － 3 和 CO2， 两者共同作用使得 pH 值大幅下降［9 ］ ; 但随 后两组反应出水 pH 值均出现拐点开始上升， 6 号点 突然下降， 是因为系统内部发生反硝化反应 ［10 ］。组 合填料特有的结构使反应器中 DO 浓度变化幅度不 大， 但较小体积的气泡不能有效吹脱 CO2， 导致组合 2- 1 反应器中 pH 值一直持下降趋势。废水进入 2 级 反应器后， 初始阶段 pH 变化与 DO 曲线相似， 之后出 现明显差异， 组合 1 因发生强烈的硝化反应引起 pH 值下降。组合 3 由于此时有机物降解大于硝化反应 使得 pH 持续攀升。通过结果分析， 可知 pH 值可以 较为清晰地反应出各阶段有机物和氮素的变化情况， 曝气状态下 pH 值的变化是由溶解氧对 CO2的吹脱和 硝化反应共同作用的。 图 3运行周期中 pH 值的变化 Fig．3Variation of DO in a reaction cycle of reaction group 2. 2各组合除污效果对比 2. 2. 1COD 去除效果及分析 各反应组 COD 去除效果如图 4 所示。在进水 ρ COD 为 587 ～ 590 mg/L 的情况下， 组合 1 出水 ρ COD 值为 53 mg/L， 去除率为 91; 组合 2 出水 ρ COD 值为 112 mg/L， 去除率为 81; 组合 3 出水 ρ COD 值为 37 mg/L， 去除率为 93. 6。分级比较 可得 1 级、 2 级反应器中各组 COD 去除率由高到低 依次分别为组合 3 83. 3＞ 组合 1 82. 1＞ 组 合 2 38. 8 ; 组合 2 69. 0＞ 组合 3 62. 2＞ 组合 1 49. 5 。 图 4各反应组单周期内 COD 的去除效果 Fig．4Removal efficiency of COD in a reaction cycle of each reaction group 以上结果表明， 3 种组合均具有较好的 COD 去 除效果， 由高到低依次为组合 3 ＞ 组合 1 ＞ 组合 2， 这 是由于 2 种填料较大的比表面积为微生物附着提供 载体， 增大了反应器内生物量， 有机物通过微生物的 吸附和降解得以去除［11- 12 ］， 而组合3 由于反应器中活 性污泥浓度高， 以及膜丝和污泥形成的滤层对有机物 的截留作用， 使其出水 COD 浓度最低。通过比较组 合 1 和组合 2 的处理效果， 可知碳素纤维具有很强的 纳污能力， 适合用于处理高浓度的有机废水， 而组合 填料更适于低负荷的有机废水处理。组合 1- 1 与组 合 3- 1 反应器内所挂填料相同， 但去除效率略有不 同， 可能是由于各反应器的生物量多少有所差别所 致。组合 3- 2 COD 去除率比组合 2- 2 低 6. 8， 是因 为组合 3- 2 的进水 COD 经 1 级反应处理后， 有机物 明显不足从而制约了微生物的生长。 2. 2. 2NH 4 - N 去除效果及分析 各反应组 NH 4 - N 去除效果如图 5 所示。在进水 ρ NH 4 - N 值为 114. 0 ～119. 9 mg/L 的情况下， 组合 72 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 1 出水 ρ NH 4 - N 值为 35. 1mg/L， 去除率为 69. 2; 组合 2 出水 ρ NH 4 - N 值为 65. 2 mg/L， 去除率为 45. 6; 组合3 出水 ρ NH 4 - N 为48. 0 mg/L， 去除率 为 58. 3。分级比较可得 1 级、 2 级反应器中各组 NH 4 - N 去 除 率 由 高 到 低 依 次 分 别 为，组 合 3 46. 6＞ 组合 1 45. 7＞ 组合 2 24. 0 ; 组合 1 43. 3＞ 组合 2 28. 5＞ 组合 3 22. 5 。 图 5各反应组单周期内 NH 4 - N 的去除效果 Fig．5Removal efficiency of NH 4 - N in a reaction cycle of each reaction group 碳素纤维填料具有良好的生物相溶性， 可快速固 着硝化菌 ［13 ］， 同时伸展开的大量纤维束可充当悬浮 污泥的截留层， 减少硝化菌流失， 更便于微生物附着。 与之相比， 组合填料的丝束较短不能很好阻挡小颗粒 的悬浮污泥， 因此不利于世代间隔时间较长的硝化菌 生长， 随水流摇摆且排列松散的丝束也不利于生物附 着。除此之外， 溶解氧浓度也是影响 NH 4 - N 去除效 果的重要因素之一［12 ］。原因是硝化细菌生长于生物 膜内部， 好的氧气传递效率， 可提高硝化菌的活性与 硝化速率。碳素纤维填料挂膜后， 空间结构较好， 有 利于物质的传质， 而组合填料表面的生物膜呈块状， 孔隙少， 传质较慢。因此， 组合 1 比组合 2 NH 4 - N 去 除率高 9. 6， 组合 1- 2 比组合 3- 2 高 20. 8。同时， 组合填料的 2 级反应器中， 组合 3- 2 去除率比组合 2- 2 低 6. 0， 分析认为是由于经组合 3- 1 处理后的进 水 C/N 降低所致 ［14 ］。以上这些原因致使3 个反应组 NH 4 - N 的去除效果从好到差依次为 组合 1 ＞ 组合 3 ＞ 组合 2。 2. 2. 3TN 去除效果及分析 总氮的去除情况大体与氨氮相似， 这是因为曝气 阶段总氮的去除主要源于氨氮被用于合成新细胞的 物质 ［15 ］。在进水 ρ TN 值为119. 1 ～121. 3 mg/L， 组 合 1 脱氮效果最好， 出水 TN 值为 35. 3 mg/L， 去除率 为 69. 2， 这是因为碳素纤维填料丝束密集， 可富集 大量的微生物， 使氧向内的传递受阻， 在生物膜中形 成好氧缺氧兼氧的状态， 为总氮的去除提供了良 好的环境 ［16 ］。悬挂组合填料的2 级反应器中， 组合3 总氮去除效果略高于组合 2， 根据 pH 的变化情况， 可 知是发生了反硝化反应。这是因为经 1 级反应器处 理后， 各组合 2 级反应器进水 COD 浓度都有所降低， 而组合 2- 2 较组合 3- 2 进水 COD 浓度略高， 所以使其 反应器中的有机物可储存在生物膜内作为反硝化的 碳源。 3结论 1在反应过程中， 可结合 pH 和 DO 的阶段变化 来判断反应所处阶段。溶解氧曲线下降为系统正在 进行污染物降解， 当曲线升高时预示着系统中易降解 的物质已经被大部分去除; 而 pH 会随 COD 的降解 大幅上升， 随硝化反应的进行而下降， 在反硝化过程 中， pH 表现出先上升， 结束时下降的趋势， 除此之外， 曝气量的大小也会影响 pH 值， 过量时使 pH 值升高， 相反表现为下降。 2与组合 1 相比， 组合 3 具有更强的有机物去 除能力， COD 去除率可达93. 7; 但 NH 4 - N 和 TN 去 除效果欠佳; 与组合 2 相比， 组合 3 对 COD、 NH 4 - N 和 TN 去 除 效 果 都 有 所 提 升， 去 除 率 分 别 增 加 12. 7、 10. 7和 9. 6。 3碳素纤维填料具有较强的纳污能力和脱氮效 果， 在反应初期能快速吸咐降解废水的污染物; 组合 填料对废水的处理过程则较缓慢。因此， 根据这一特 性设置的组合 3 能达到较好的污染物去除效果。 参考文献 ［1］王亚宜，李探微，韦甦，等． 序批式生物膜技术 SBBR 的应 用及其发展［ J］ ． 浙江工业大学学报， 2006， 34 2 213- 218. 下转第 39 页 82 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 对总氮的去除主要是由于在塔内形成的羟基自由基 的强氧化作用， 将废水中的有机胺盐氧化分解， 去除 率在 20 ～30。A/O 段通过将生物滤池末端的硝 化液回流， 在 A 池内进行反硝化， 将硝态氮转化为氮 气， 使总氮得到大量去除。生物滤池段， 在好氧状态 下， 填料内部的溶解氧低于外部溶解氧， 填料内部形 成了缺氧区域， 因此， 可发生同步硝化反硝化， 使废水 中的总氮得到少量去除。 5结论 1采用催化氧化 － A/O 工艺 － 生物滤池处理高 浓度 有 机 胺 废 水， 当 进 水 ρ COD在 3 000 ～ 4 000 mg/L、 ρ NH3- N 在 15 ～60 mg/L 时， 出水水质 可达当地环保标准 ρ COD ≤300 mg/L、 ρ NH3- N ≤35 mg/L， 总氮暂未要求。 2通过试验发现， 催化氧化工艺可改善废水的 B/C， 降低有毒有害物质对微生物的抑制作用; 采用 A/ O 工艺能大量去除废水中的有机物和总氮， 但由于大 量有机胺在微生物的作用下转化为无机氨， 导致出水 氨氮升高; 生物滤池能够有效降解废水中氨氮， 确保废 水达排放标准。在实际工程中， 建议催化氧化段的停 留时间为3 h; A/O 池的停留时间分别为16， 29 h; 生物 滤池的停留时间在29 h， 氨氮负荷在0. 25 kg/ m3 d 。 3本试验考察了装置对总氮的去除效果， 当进 水量 ＜100 L/h 时， 总氮去除率在 40 ～ 60， 如需 进一步提高去除效率， 建议在 A 段补充碳源以利于 反硝化的进行。 参考文献 ［1］陈民东， 张胜， 付炜． 复合厌氧 － 化学沉淀 － 多段好氧工艺处理 有机胺废水［J］． 河北工程大学学报． 自然科学版， 2008， 25 1 58- 62. ［2］梅荣武， 周树勋． 高浓度有机胺废水处理工程实例［J］ ． 化工设 计， 2009， 19 6 28- 32. ［3］国家环保总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京 中国 环境科学出版社， 2003. ［4］宋珊珊， 张林生． N． N- 二甲基甲酰胺 DMF 废水处理研究进展 ［ J］ ． 江苏环境科技， 2007， 20 3 67- 70. 作者通信处张刚310007杭州市天目山路 111 号浙江省环科院 工程研究中心 E- mailzhangg1220163． com 2012 －09 －26 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 28 页 ［2］龙北生，刘红波，肖国拾，等． 两级 SBR 工艺去除磷、 氮及有 机物效能分析［ J］ ． 环境科学， 2009， 30 9 2609- 2614. ［3］聂熹，马红梅，郑冲，等． 两级序批式活性污泥法生物除磷脱 氮工艺的优点［ J］ ． 现代商贸工业， 2007， 19 9 289- 291. ［4］刘建广，黄传伟，谢勇军，等． 两级 MBBR 深度处理高氨氮生 活污水的研究［ J］ ． 中国给水排水， 2011， 27 3 90- 93. ［5］曾薇，彭永臻，王淑莹，等． 两段 SBR 法去除有机物及短程硝 化反硝化［ J］． 环境科学， 2002， 23 2 50- 54. ［6］马文静． SBBR 工艺及影响因素探讨［J］． 科技情报开发与经 济， 2010， 20 10 148- 149. ［7］刘景明，刘慧，乔淑媛，等． 废水处理有机填料的合成材料现 状和展望［ J］． 环境科学与技术， 2010， 33 6 321- 326. ［8］王文斌， 丁忠浩， 董有． 同步硝化反硝化的研究与机理分析 ［ J］． 环境科学与技术， 2004， 27 2 38- 40. ［9］彭峰，彭永臻，马勇． A/O 工艺曝气量控制及 pH 和 DO 的变 化规律［ J］． 环境工程， 2007， 25 4 31- 33， 37. ［ 10］高景峰，彭永臻，王淑莹，等． DO、 ORP、 pH 控制 SBR 法的脱 氮过程［ J］． 中国给水排水， 2001， 17 4 6- 11. ［ 11］王雷， 席北斗， 张列宇， 等． 序批式生物膜反应器处理农村生活污 水的填料对比研究 ［ J］ ． 环境污染与防治， 2012， 34 7 29- 35. ［ 12］彭永臻，刘莹，王淑莹，等． 序批式生物膜反应器不同填料挂 莫及短程硝化特性研究［J］． 环境污染与防治， 2009， 31 12 22- 26. ［ 13］刘杰，马兆昆． 碳纤维表面特性对兼性及厌氧微生物固着的 影响［ J］． 北京化工大学学报， 2003， 30 2 40- 43. ［ 14］吴长航，金云霄，冯传平，等． SBBR 处理不同 C/N 值城市污 水的脱氮除磷性能［J］ ． 中国给水排水，2010， 26 23 105- 108. ［ 15］侯健，杨小俊，武长城，等． 膜 － 序批式生物膜法 MSBBR 处 理生活污水试验研究［ J］ ． 水处理技术， 2011， 37 6 72- 75. ［ 16］段焱，邓仕槐，朱春兰，等． 悬浮填料 SBR 处理畜禽废水效果 研究［ J］． 安全与环境工程， 2010， 17 4 9- 12. 作者通信处夏训峰100012中国环境科学研究院 E- mailxiaxunfeng sina． com 2012 －10 －19 收稿 93 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期