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2级A/O-HBR工艺2种填料处理DMF废水
来源:购彩平台下载官网 发布时间:2021-07-28 08:38:33 浏览次数:
作者:马睿莉1,徐乐中1, 2, 3,陈茂林2,杜甫义2,张 勇2 (1.苏州科技大学环境科学与工程学院,215009; 2.苏州淡林环境科技有限公司,215009; 3.江苏省水处理技术与材料协同创新中心,215009:江苏 苏州)

摘要: : 采用2级A/O-HBR工艺处理N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水,对投加高效生物绳填料和聚氨酯海绵填料的 工艺脱氮除碳效果进行对比实验研究。结果表明, 2种填料均可在21 d内完成挂膜,COD去除率达到95%以上;聚 氨酯海绵填料的TN去除效果明显优于高效生物绳填料,COD、TN去除率分别高达97.35%和88.85%,且抗冲击负荷 能力较强,同步硝化反硝化反应效果明显,更适用于在2级A/O-HBR工艺中处理DMF废水。

关键词: : A/O-复合生物脱氮工艺;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)废水;高效生物绳填料;聚氨酯海绵填料;脱氮除碳


N, N-二 甲 基 甲 酰 胺(DMF),分 子 式(CH3) 2NCHO。作为一种有机溶剂,DMF对水和多种有机 物均具有良好的混溶性而被广泛应用于化工领 域[1]。在医药上,DMF用于合成强力霉素、磺胺嘧 啶等药物;在农药上,用于合成杀虫脒;在石油化工 中,用作气体吸收剂,用于分离和精制气体。目前, 国内DMF废水主要来源于腈纶等化纤生产过程,具 有热稳定性、弱降解性及高有机氮含量等特征,选择 合适的处理工艺是当前国内外研究的重点[2]。 传统A/O工艺具有脱氮效率高、成本低、经济效 益好等特点,其工艺稳定可靠,控制相对容易,因此 广泛应用于污水处理厂的生物处理阶段[3]。但单一 的A/O处理单元,对水质、水量变化的适应能力较 弱[4]。2级A/O-复合生物脱氮工艺(HBR)工艺经传 统A/O工艺改进而来,将2级A/O工艺串联并在好氧 段投加填料。一级A/O主要通过水解酸化、氨化、反 硝化、硝化和除碳反应,降解进水中复杂含氮有机物, 去除绝大部分污染物;二级A/O则进一步进行反硝 化、硝化和除碳反应。为了固定脱氮功能菌,提升氨化、硝化效果,在好氧段投加填料,强化处理废水中难 降解污染物的去除,提高整体工艺的脱氮除碳水平。 基于以上研究背景,本研究分别选取目前高有 机氮废水处理中2种常用填料,基于2级A/O-HBR 工艺处理DMF废水进行对比研究,旨在为2级A/OHBR工艺优选填料高效处理DMF等高有机氮废水 提供技术参考。

1 实验部分

1.1 废水和接种污泥

实验废水使用浙江嘉兴某腈纶废水处理厂经预 处理后的出水,已经过水解酸化池等处理。实验期 间 COD 为 1.2~2.0 g/L,NH4+-N、NO3--N、NO2--N、 TN的质量浓度分别为0~0.5、 0~0.08、 0~0.05、272 ~430 mg/L,pH为7.2~7.8。 接种污泥为江苏苏州某污水处理厂二沉池剩余 污泥。 1.2 填料结构特性 填料结构特性 高效生物绳填料和聚氨酯海绵填料见图1。



图1 填料照片
Fig.1 Images of fillers


1)高效生物绳填料。

以传统生物绳填料为基 础,由有机和无机复合材料组成,进行亲水与生物亲 和及带电性改性[5]。采用弹性材料和软性材料混织 方式,形成无数的环状纤维,构成放射状生物巢仿生 结构,增加其表面积的同时适合各种微生物生长繁 殖,增加填料的孔隙率,使固、液、气三相得到很好的 传递,可有效避免水流冲击导致的生物膜过度剥落。 填料直径50~60 mm,适宜条件下富集挂膜最快仅 需72 h,30 d可完成优势菌种富集。

2)聚氨酯海绵填料。

聚氨酯海绵材料经改性 后,除物理吸附外,载体表面还带有一定的阳离子活 性基团及羟基等亲水性基团,可以将微生物等固定 在载体上,不易在剪切力作用下流失。填料宽度约 为20mm,呈多孔网状结构,各气孔均匀贯通,孔隙 率达97%以上,比表面积大,可多方位培菌载体,不 易堵塞。在好氧池中,填料由表及里DO含量呈梯 度降低效果较好,内部较易形成稳定的厌氧区域,提 高同步硝化反硝化反应效果[6]。

1.3 实验装置

实验装置主要由2级A/O池和沉淀池组成,如 图2所示。



图2 2级A/O-HBR实验装置
Fig.2 Experimental device of two-stageA/O-HBR


其他配套设备有:曝气机、气体转子流量计、恒 速搅拌机、污泥回流泵、硝化混合液回流泵,进水泵 等,池体和水浴缸材质均为有机玻璃,管路材料为透明塑料软管。2级A/O池尺寸为565 mm×100 mm× 240 mm,总有效容积为10.8 L,其中A1、 O1、 A2、 O2 各池有效容积比例为7:4:3:4,即4.2 L/2.4 L/1.8 L/ 2.4 L。沉淀池高150 mm,有效容积约1.5 L,采用溢 流堰出水。

硝化混合液由二级好氧池O2回流至一级缺氧 池A1,沉淀池污泥回流至一级缺氧池A1,平均每10 d进行一次沉淀池排泥。采用两套该装置进行实 验,其中好氧池中分别投加高效生物绳填料和聚氨 酯海绵填料。

1.4 反应运行条件

设计硝化混合液回流体积比R1=100%,污泥回 流体积比 R2=150%。控制好氧池、缺氧池溶解氧 (DO)的质量浓度分别在2~4、 ≤0.2 mg/L。2套装置 好氧池填料体积投加率均为50%。设计进水体积流 量为0.3 L/d,总水力停留时间(HRT)为36 h。

缺氧及好氧池分别按容积的20%进行污泥接 种,首先采用人工模拟DMF废水配水,控制进水COD 为300 mg/L,TN的质量浓度为100 mg/L,待反应器 充满后关闭进水,闷曝3 d,好氧池持续曝气,缺氧池 持续搅拌。污泥培养驯化完成后,逐步提高进水原 水DMF含量。每天检测进、出水DMF含量等。启 动完成后,采用DMF废水进水,每2 d检测1次进出 水指标,每7 d检测1次填料挂膜情况及生物膜量。

1.5 分析方法

水样指标测定方法[7]。COD采用DRB 200型 COD快速消解仪测定,NH4+-N含量采用纳氏试剂分 光光度法, NO3--N含量麝香草酚分光光度法,TN含 量采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法; MLSS含量 采用称量法, pH采用PHSJ-4A型便携式pH计测定; 温度和 DO 含量采用哈希便携式溶解氧测定仪 (HQ30d)测定。

生物膜量测定方法。随机取出2~3个单位填 料,浸泡在超纯水中,洗去可逆附着成分(非生物膜 部分),后在103~105 ℃条件下烘干4 h至质量恒 定,称得质量m1,再将填料置于0.1 mol/L NaOH碱 液中超声30 min,再机械剥离处理,用超纯水洗净, 再次烘干4 h,称得质量m2, m1与m2之差除以填料单 位数即为单个填料上的生物膜量[8]。

将填料在103~105 ℃条件下烘干4 h后,采用 OLYMPUS CX41型显微镜和数码相机观察其挂膜 情况。

2 结果与讨论

2.1 填料挂膜表观及性状

挂膜是活性污泥膜生物反应器运行的一个关 键。在挂膜过程中不仅提高了反应器的处理效能, 还表现了反应器中污泥性能、功能的发展[9]。

图3为填料挂膜完成照片。



图3 填料挂膜完成照片
Fig.3 Images of cultured biofilm of fillers


填料放入好氧池后表面均快速吸附大量水中悬 浮污泥。第7天时,高效生物绳填料外部纤维表面 开始出现絮状物,呈灰棕色,大部分填料内部仍呈白 色,并未开始挂膜;聚氨酯海绵填料吸水后体积膨胀 约1.2~1.5倍,内部充满污泥混合液,外部仍存在大 量孔洞。第14天时,几乎全部高效生物绳填料内部 已吸附污泥;部分聚氨酯海绵填料内部呈深灰色,但 外部泛白,存在孔隙。由图3可知,第21天时, 2种 填料均已挂膜完毕。

2.1.1 MLSS

由于在2级A/O-HBR工艺中存在2个好氧池, 故取两池的MLSS平均含量为反应器好氧池的平均 MLSS含量,其变化见图4。



图4 MLSS含量变化
Fig.4 Changes of MLSS content



由图 4 可知, 2 种投加不同填料的反应器的 MLSS增长趋势基本相同,质量浓度最终稳定在3.3 ~3.5 g/L。在第9-15天,高效生物绳填料的悬浮 污泥增长率较之前有所降低,说明在此期间高效生 物绳填料可能正在进行快速挂膜,而在第 13-19
天,聚氨酯海绵填料的悬浮污泥增长率才开始变缓, 比较发现高效生物绳填料挂膜速度更快,可能是其 放射性外型及纤维材质对混合液的冲击具有更强的 缓冲作用,更有利于快速挂膜。但在第19-23天, 反应器发生高负荷DMF含量冲击后,高效生物绳填 料的悬浮污泥含量又出现了先快速增加后增长率变 慢的趋势,而聚氨酯海绵填料的水中悬浮污泥含量 并未受到明显影响,说明在面对高负荷冲击的情况 下,高效生物绳填料表面挂膜并不稳定,易于脱落。 其可能原因,一为纤维表面挂膜大部分为早期污泥, 驯化过程短,难以适应浓度增长;二为高效生物绳填 料表面与污泥之间的吸附作用较聚氨酯海绵填料更 小,形成的生物膜厚度薄,且结构流动空间大,难以 快速适应外界条件改变。

2.1.2 生物膜量

表1为挂膜过程生物膜量变化,图5和图6分别 为高效生物绳和聚氨酯海绵填料挂膜过程镜检 照片。

表1 生物膜量变化
Tab.1 Changes of biofilm volume

 



图5 高效生物绳填料挂膜过程镜检照片(100倍)
Fig.5 Microscopic examination of high efficiency biological rope filler biofilm culturing process


由表1和图5、图6可知,挂膜7 d后, 2种填料均 只在表面吸附了少量污泥,生物膜量在150 mg/g左 右。随着挂膜过程的进行,14 d后,高效生物绳填料 表面截留了大量悬浮污泥,但结构杂乱,连接不牢 固,内部纤维之间存在少量稳定的挂膜,聚氨酯填料内部生物膜厚度明显增加,生物膜量增长率分别为 112.1%和146.3%。在挂膜21 d时,高效生物绳填料 内部纤维材料间及材料表面挂膜情况在1周内有所 改善,内部生物膜变厚,表面不稳定的生物膜基本全 部脱落,聚氨酯海绵填料内部孔隙几乎全部挂膜完 成,表面观察到絮状物,生物膜量大于450 mg/g。2 种填料均在1个月内挂膜完成,且聚氨酯海绵填料 生物膜量大于高效生物绳填料生物膜量32.10%。




图6 聚氨酯海绵填料挂膜过程镜检照片(100倍)
Fig.6 Microscopic examination of polyurethane sponge filler biofilm culturing process


综上所述,从挂膜情况角度观察分析,高效生物 绳填料挂膜速度快,但挂膜效果不佳,内部挂膜较为 困难,在高DMF含量冲击后,存在生物膜少量脱落 后重新挂膜的情况;聚氨酯海绵填料挂膜速度不及 高效生物绳填料,但也可以在21 d内挂膜成功,受到 高DMF含量冲击后没有发生明显的生物膜脱落等 现象,填料内部呈灰棕色,厌氧环境良好。2种填料 存在差异的主要原因可能为填料结构不同导致其表 面接触和内部形成的污泥环境不同,结构紧密、孔隙 率较大的填料在挂膜方面表现更佳。

2.2 污染物去除效果及运行稳定性

2.2.1 COD去除

图7为投加2种填料下COD的变化。

由图7可知, 2种填料对于DMF废水中的COD 去除均处在较高水平。高效生物绳和聚氨酯海绵填 料COD平均去除率分别为95.96%和97.35%。在活 性污泥中,除碳细菌主要以异养型原核细菌为主,这 类细菌通常以有机物作为消耗底物,在适宜环境下, 具有较高的增殖速率,世代时间短[10];而且2种填料 均可挂载大量微生物,对流经填料的污泥微生物和 水中悬浮颗粒进行截留、吸附、卷扫和网捕,为微生物提供较好的生存、繁殖环境,进一步提高反应器除 碳效果。随着填料上生物膜厚度的增加,挂膜完成 后, 2种填料内部均形成小型厌氧区域,好氧池内同 时进行好氧、厌氧反应。比较发现,聚氨酯海绵填料 对COD去除效果略好,可能原因为聚氨酯海绵填料 挂膜厚度大于高效生物绳填料,结构更密集,形成厌 氧环境更佳。

 



图7 投加2种填料COD变化
Fig.7 Changes of COD of two different fillers


2.2.2 TN去除

图8和图9分别为投加2种填料下TN含量的 变化。


由图8和图9可知, 2种填料对DMF废水中TN 平均去除率分别为74.85%和88.85%,聚氨酯海绵填料的TN去除效果明显优于高效生物绳填料。2级 A/O-HBR的主要脱氮手段是以A/O工艺为依托的 “反硝化-硝化”反应,故可以从硝化和反硝化2个方 面来分析对比2种填料处理DMF废水的脱氮效果。

当2种填料的出水TN含量上升时,出水NO3--N 含量一直处于较低水平。由图7可知, 2种填料的 COD去除率一直处在较高水平,可以推断废水中复 杂难降解有机氮化合物基本降解完全,故出水TN含 量较高的原因在于出水中含有较高含量的NH4+-N。 比较2种填料,高效生物绳填料的TN去除率波动更 大,出水NH4+-N含量升高次数更频繁,说明高效生物 绳填料的投加对好氧区硝化反应有一定的负面影响。

反硝化脱氮需要消耗碳源才可以去除硝化反应 产生的NO3--N,提高出水TN去除效果。反应器内 并未投加额外碳源,仅利用进水中难降解含氮有机 物DMF,在缺氧区首先通过水解反应,将高有机氮 化合物分解为简单有机物,后在产酸菌的作用下酸 化生成挥发性脂肪酸(VFA)、二氧化碳等[11]。由于 反应器内没有厌氧环境,产甲烷菌作为专性厌氧菌 无法生存,故反应大部分停留在水解酸化阶段,产生 大量的VFA可以作为反硝化碳源用于脱氮反应[12]。 2种填料反应器的出水NO3--N的质量浓度平均分别 为30.13、22.62 mg/L,说明DMF可以为反硝化反应 提供有机碳源,结合图3、表1填料挂膜后外观及生 物膜量来看,聚氨酯海绵填料中生物膜量更多,所形 成的厌氧环境优于高效生物绳填料,可以在好氧区 进行同步硝化反硝化反应,提高碳源利用率,减少有 机物氧化浪费,进一步降低出水NO3--N含量,提高 TN去除率。

由8还可知,在第19天时,进水DMF含量增加, 进水TN负荷提高,高效生物绳填料和聚氨酯海绵 填料的TN去除率分别大幅降至50%和70%左右。 结合挂膜情况,聚氨酯海绵填料生物膜并未受到明 显影响,4 d后TN去除率恢复至85%以上,而高效生 物绳填料表面生物膜发生脱落后重新挂膜, 1周后 才逐渐恢复平稳。

3 结 论

对2级A/O-HBR工艺投加2种填料处理DMF 废水的能力:

1)从填料挂膜情况方面分析, 2种填料均可在 21 d内完成挂膜,其中高效生物绳填料的挂膜速度 略快于聚氨酯海绵填料,但挂膜效果弱于后者。当进水DMF含量负荷提高后,高效生物绳填料抗冲击 负荷能力弱,表面生物膜不稳固,且其结构呈放射 状,挂膜完成后内部所形成的厌氧生物膜相比聚氨 酯海绵填料更薄、更脆弱,难以发生同步硝化反硝化 反应。

2)从处理效果方面分析,对COD去除效果, 2种 填料均可保持较高的除碳水平,聚氨酯海绵填料的 平均COD去除率略高于高效生物绳填料;对TN去 除效果,聚氨酯海绵填料平均TN去除率比高效生物 绳填料平均TN去除率高出14%,对DMF废水中TN 具有良好的去除效果,当进水TN的质量浓度大于 300 mg/L时,出水TN的质量浓度平均为25 mg/L。

综上所述, 2级A/O-HBR工艺选取聚氨酯海绵 填料处理DMF废水更为合适。