沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺郭其艺,成亮,黎启明,吴向阳(江苏大学 环境与安全工程学院,江苏 镇江 212013)摘要:为降低污水处理能耗,利用沸石颗粒充当生物填料构建固定床生物膜反应器,通过序批式进水排水的方式使反应器内填料表面生物膜处于交替厌氧好氧环境,避免了传统污水处理曝气工艺所需的大量能耗,并能有效去除 COD 和脱氮。该工艺主要原理:在厌氧阶段(进水),
2、污水与生物膜和沸石颗粒接触,聚糖菌(GAOs)将有机碳源转化为胞内聚羟基烷酸(PHAs),沸石吸附污水中的 NH4+-N。在好氧阶段(排水),通过聚糖菌、硝化菌和反硝化菌的共同作用,将沸石吸附的NH4+-N 转化为氮气,使得生物膜和沸石颗粒得以再生。沸石颗粒固定床生物膜反应器以活性污泥为接种污泥,在序批式厌氧好氧交替运行模式下,2 周内成功启动;长期运行中污水 COD、NH4+-N 和 TN 去除率分别为 87%、83%和 83%,且出水中未检出硝态氮;长期运行后,反应器内生物膜菌群以 Thauera、Candidatus competitivebacter、Nitrospira 细菌属为主,
3、它们是去除 COD 和脱氮的关键微生物。关键词:固定床生物膜反应器;沸石颗粒;聚糖菌(GAOs);聚羟基烷酸(PHAs)中图分类号:X703.1 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)04-0192-09Non-aeration wastewater treatment process using zeolite particle based fixed-bed biofilm bioreactorGUO Qiyi,CHENG Liang,LI Qiming,WU Xiangyang(School of the Environment and Safety Engineeri
4、ng,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,P.R.China)Abstract:In order to reduce the energy consumption of sewage treatment,this study uses zeolite particles as biological fillers to build a fixed-bed biofilm reactor,and the biofilm on the filler surface in the reactor is placed in an alternatin
5、g anaerobic-aerobic environment through the sequential batch water-drainage method.It avoids the large amount of energy consumption required by the traditional sewage treatment aeration process,and effectively removes COD and denitrification at the same time.The main principle of the process is that
6、 in the anaerobic stage(influent),the sewage is in contact with the biofilm and zeolite particles,and the glycan bacteria(GAOs)convert the organic carbon source into intracellular polyhydroxyalkanoates(PHAs),and the zeolite absorbs NH4+-N in the sewage.In the aerobic stage(drainage),the combined act
7、ion of glycan bacteria,DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2021.124收稿日期:20210527基金项目:江苏大学人才启动基金(4111370003)作者简介:郭其艺(1996-),男,主要从事污水处理研究,E-mail:。吴向阳(通信作者),男,教授,博士生导师,E-mail:。Received:20210527Foundation item:Talent Launch Fund of Jiangsu University(No.4111370003)Author brief:GUO Qiyi(1996-),main research in
8、terest:wastewater treatment,E-mail:.WU Xiangyang(corresponding author),professor,doctorial supervisor,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:nitrifying bacteria and denitrifying bacteria converts the NH4+-N adsorbed by the zeolite into nitrogen,so that the biofilm and zeolite particles can be regenerated.The zeo
9、lite particle fixed-bed biofilm reactor uses activated sludge as the inoculation sludge.Under the sequential batch anaerobic-aerobic alternate operation mode,it successfully started within 2 weeks;in the long-term operation,removal of COD,NH4+-N and TN rate in sewage was 87%,83%and 83%,respectively,
10、and no nitrate nitrogen was detected in the effluent;after long-term operation,the biofilm flora in the reactor was dominated by Thaurea,Candidatus competitivebacter,and Nitrospira.They are the key microorganisms for COD removal and denitrification.Keywords:fixed-bed biofilm reactor;zeolite particle
11、s;glycogen accumulating organisms(GAOs);poly-hydroxyalkanoates(PHAs)随着城市化和工业化的快速发展,对高效、节能、环境可持续污水处理技术的需求日益增长1-2。目 前,市 政 污 水 处 理 工 艺 以 生 化 法 为 主 导(约80%),按照微生物的形态其工艺可分为:基于悬浮态的活性污泥法和基于固定态的生物膜法。其中,活性污泥法处理工艺主要有厌氧好氧工艺法(A/O)、厌氧缺氧好氧工艺法(A2/O)、序批式活性污泥工艺法(SBR)等,生物膜法的污水处理工艺主要有移动床生物膜反应器(MBBR)、生物接触氧化法等。这些工艺的一个共同特
12、点是通过向水体曝气的方式为微生物提供氧气作为电子受体,用于降解污水中污染物。然而,这种氧传输方式效率较低,能耗较大。对污水处理厂实际曝气过程进行分析,结 果 表 明,氧 传 输 效 率(OTE)一 般 在 4.8%34.1%范围内3-5,较低的 OTE 导致曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的 50%以上6-8。因此,提高氧传输效率、降低曝气能耗是实现低能耗污水处理工艺的关键。已有研究证实,在厌氧条件下,交替厌氧好氧环 境 能 够 促 使 聚 糖 菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代谢所产生的能量将有机碳源(例如乙酸、丙酸等)转化
13、为胞内聚羟基烷酸(PHAs)9。同时,在好氧状态下,GAOs可进行有氧呼吸,分解胞内 PHAs 并合成糖原10。在 厌 氧 条 件 下,部 分 具 有 反 硝 化 功 能 的 聚 糖 菌(DGAOs)能够利用细胞内储存的 PHAs 作为电子供体,用于硝酸根与亚硝酸根的反硝化5,11-12。因此,Flavigny 等5利用聚糖菌(GAOs)在厌氧状态下将有机碳转化为 PHAs 的特点,构建了以 GAOs 为主导的固定床生物膜反应器,通过进水厌氧排水好氧的运行方式,利用空气在多孔填料内的自然流通为生物膜提供氧气,成功地在免曝气情况下实现了较高的 COD 去除率(94.3%)。为了提高污水的氨 氮
14、去 除 效 率,Hossain 等13-15和 Cheng 等16在Flavigny等5的生物膜基础上负载了沸石粉末,通过沸石的离子交换作用强化了厌氧条件下的氨氮吸附17。研究结果显示,在厌氧条件下,通过 GAOs与沸石的共同作用实现了 COD 和氨氮的共同去除。该 工 艺 被 命 名 为 被 动 曝 气 同 步 硝 化 反 硝 化(PASND)工艺。与传统活性污泥工艺相比,基于PASND 工艺的生物膜反应器的能量需求在理论上可以降低约 50%18-19。虽然 PASND 工艺具有较高的去除 COD 和脱氮能力,但是在长期运行过程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易随着生物膜的脱落而损失,从而导致氨
15、氮去除效率的下降。笔者以固定化离子交换材料沸石颗粒为生物填料,以有效解决离子交换材料损失的问题,并研究了一种低能耗的固定床生物膜免曝气污水处理工艺。1材料和方法1.1试验材料所用沸石颗粒是一种天然斜沸石原料(河南景盈水处理材料有限公司)。使用前,用去离子水反复洗涤,除去附着的污垢和可溶性杂质,并在 105 下干燥 24 h。经振动筛将干燥沸石颗粒分为 510 mm、1016 mm 和16 mm 三种不同尺寸。经试验测得 510 mm、1016 mm 和16 mm 每克沸石颗粒的氨氮饱和吸附量分别为 27.15、15.73、11.08 g NH4+-N。根据文献5,使用的人工合成污水组成见表1。
16、1.2反应器的构建和运行反应器装置如图 1(a)所示,由 2 个独立的6 cm30 cm 柱状有机玻璃容器、蠕动泵等组成。反应器 A 内填充均匀混合的不同粒径沸石颗粒,其中第 4 期郭其艺,等:沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺nitrifying bacteria and denitrifying bacteria converts the NH4+-N adsorbed by the zeolite into nitrogen,so that the biofilm and zeolite particles can be regenerated.The zeolite parti
17、cle fixed-bed biofilm reactor uses activated sludge as the inoculation sludge.Under the sequential batch anaerobic-aerobic alternate operation mode,it successfully started within 2 weeks;in the long-term operation,removal of COD,NH4+-N and TN rate in sewage was 87%,83%and 83%,respectively,and no nit
18、rate nitrogen was detected in the effluent;after long-term operation,the biofilm flora in the reactor was dominated by Thaurea,Candidatus competitivebacter,and Nitrospira.They are the key microorganisms for COD removal and denitrification.Keywords:fixed-bed biofilm reactor;zeolite particles;glycogen
19、 accumulating organisms(GAOs);poly-hydroxyalkanoates(PHAs)随着城市化和工业化的快速发展,对高效、节能、环境可持续污水处理技术的需求日益增长1-2。目 前,市 政 污 水 处 理 工 艺 以 生 化 法 为 主 导(约80%),按照微生物的形态其工艺可分为:基于悬浮态的活性污泥法和基于固定态的生物膜法。其中,活性污泥法处理工艺主要有厌氧好氧工艺法(A/O)、厌氧缺氧好氧工艺法(A2/O)、序批式活性污泥工艺法(SBR)等,生物膜法的污水处理工艺主要有移动床生物膜反应器(MBBR)、生物接触氧化法等。这些工艺的一个共同特点是通过向水体曝气的
20、方式为微生物提供氧气作为电子受体,用于降解污水中污染物。然而,这种氧传输方式效率较低,能耗较大。对污水处理厂实际曝气过程进行分析,结 果 表 明,氧 传 输 效 率(OTE)一 般 在 4.8%34.1%范围内3-5,较低的 OTE 导致曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的 50%以上6-8。因此,提高氧传输效率、降低曝气能耗是实现低能耗污水处理工艺的关键。已有研究证实,在厌氧条件下,交替厌氧好氧环 境 能 够 促 使 聚 糖 菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代谢所产生的能量将有机碳源(例如乙酸、丙酸等)转化为胞内聚羟基烷酸(P
21、HAs)9。同时,在好氧状态下,GAOs可进行有氧呼吸,分解胞内 PHAs 并合成糖原10。在 厌 氧 条 件 下,部 分 具 有 反 硝 化 功 能 的 聚 糖 菌(DGAOs)能够利用细胞内储存的 PHAs 作为电子供体,用于硝酸根与亚硝酸根的反硝化5,11-12。因此,Flavigny 等5利用聚糖菌(GAOs)在厌氧状态下将有机碳转化为 PHAs 的特点,构建了以 GAOs 为主导的固定床生物膜反应器,通过进水厌氧排水好氧的运行方式,利用空气在多孔填料内的自然流通为生物膜提供氧气,成功地在免曝气情况下实现了较高的 COD 去除率(94.3%)。为了提高污水的氨 氮 去 除 效 率,Ho
22、ssain 等13-15和 Cheng 等16在Flavigny等5的生物膜基础上负载了沸石粉末,通过沸石的离子交换作用强化了厌氧条件下的氨氮吸附17。研究结果显示,在厌氧条件下,通过 GAOs与沸石的共同作用实现了 COD 和氨氮的共同去除。该 工 艺 被 命 名 为 被 动 曝 气 同 步 硝 化 反 硝 化(PASND)工艺。与传统活性污泥工艺相比,基于PASND 工艺的生物膜反应器的能量需求在理论上可以降低约 50%18-19。虽然 PASND 工艺具有较高的去除 COD 和脱氮能力,但是在长期运行过程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易随着生物膜的脱落而损失,从而导致氨氮去除效率的下降。笔
23、者以固定化离子交换材料沸石颗粒为生物填料,以有效解决离子交换材料损失的问题,并研究了一种低能耗的固定床生物膜免曝气污水处理工艺。1材料和方法1.1试验材料所用沸石颗粒是一种天然斜沸石原料(河南景盈水处理材料有限公司)。使用前,用去离子水反复洗涤,除去附着的污垢和可溶性杂质,并在 105 下干燥 24 h。经振动筛将干燥沸石颗粒分为 510 mm、1016 mm 和16 mm 三种不同尺寸。经试验测得 510 mm、1016 mm 和16 mm 每克沸石颗粒的氨氮饱和吸附量分别为 27.15、15.73、11.08 g NH4+-N。根据文献5,使用的人工合成污水组成见表1。1.2反应器的构建和
24、运行反应器装置如图 1(a)所示,由 2 个独立的6 cm30 cm 柱状有机玻璃容器、蠕动泵等组成。反应器 A 内填充均匀混合的不同粒径沸石颗粒,其中193第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)510 mm、1016 mm 和16 mm 的沸石颗粒质量占比分别为 60%、35%和 5%。反应器 B 内填充尺寸 为 25 mm12 mm 的 高 密 度 聚 乙 烯 填 料(HDPE),用作对比测试。2个反应器分别接种活性污泥(来自镇江市水业总公司城市有机质协同处理中心),接种生物量约为 10 g。反应器以序批式厌氧好氧的模式运行,工艺流程如图 1(b)所示。整个处理周期分
25、为两个阶段,第 1阶段为注水/厌氧阶段,人工合成污水由蠕动泵从储水水箱送至反应器中,完全充满并保持厌氧状态 6 h;第 2阶段为排水/好氧阶段,厌氧处理后的污水通过蠕动泵从反应器排空,空气从反应器上端端口进入,反应器保持好氧状态 6 h。各阶段具体运行时段为:进水 10 min、厌氧 350 min、排水 10 min和好氧 350 min,即整体水力停留时间 HRT 为 12 h。整个试验过程反应器温度维持在(252)。经测定,厌氧段反应器内 DO 为 0 mg/L,好氧段反应器中 DO 最低为 7.5 mg/L。为测定反应器对各项污染物的去除效果,厌氧阶段中,在反应器中段取 10 mL水样
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