SBBR与电极SBBR工艺处理沼液的对比试验研究

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  摘要该试验对SBBR与电极SBBR工艺处理沼液中COD、氮、磷进行对比研究试验。结果表明,在相同工况条件下,电极SBBR工艺对沼液中COD、NH+4N及TP的去除率比SBBR工艺分别提高了4%~7%,1%~2%和4%~9%,电极SBBR工艺对污染物的去除能力更强;推荐电极SBBR处理沼液的最佳运行工况:运行周期为7.0 h,进水→厌氧(1.0 h)→曝气(4.0 h、通电)→缺氧/厌氧(2.0 h、通电)→出水→闲置,对沼液中COD、NH+4N和TP的去除率分别为80.39%、92.52%和59.36%。
  关键词沼液;SBBR;电极SBBR;去除率
  中图分类号S181;X172文献标识码A文章编号0517-6611(2015)28-243-04
  Comparative Experiment on SBBR and the ElectrodeSBBR Process for Treatment of Biogas Slurry
  LIAO Renjun1, MA Huanchun1,2, CHEN Yucheng1
  (1. Key Laboratory of Ecoenvironment in the Three Gorges Reservoir Area (Ministry of Education), College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716; 2. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160)
  AbstractThe comparative experiment was carried out on SBBR and electrodeSBBR process for treatment of biogas slurry of COD, nitrogen, and phosphorus. The test results show that under the same condition, the electrodeSBBR process of biogas slurry of COD, NH+4N and TP removal rate than that of SBBR process were increased by 4%-7%, 1%-2% and 4%-9%, stronger ability for the removal of pollutants electrodeSBBR process; The recommended running period of electrodeSBBR process for treatment of biogas slurry as: operating cycle was 7.0 h, adding water→anaerobic processing(1.0 h)→aeration(4.0 h, electricity)→anoxic or anaerobic processing(2.0 h, electricity)→effluent dewatering→idle, the removal of COD, NH+4N and TP in the biogas slurry rate were 80.39%, 92.52% and 59.36%.
  Key wordsBiogas slurry; SBBR; ElectrodeSBBR; Removal rate
  随着畜禽养殖业的快速发展,农村废弃物污染问题加剧。可再生能源需求增加,大中小型沼气工程迅速发展,但随之而来的就是环境问题。沼气工程的沼液是沼气生产过程中的副产品,是厌氧发酵后的残留液体,属髙浓度有机废水[1-3]。如若沼液未经达标处理而直接排放会引起严峻的环境问题,如农田污染、水体富营养化、土壤质量恶化等。目前我国对养殖沼液处理的主要方式有还田、自然处理和工厂处理等[4-6]。还田和自然处理是将沼液排放至农田,这需要有大量的农田来消纳处理沼液,而我国土地资源较为紧张并且沼液排放量大,因而这两种方式在可操作性上有待商榷。工厂处理还存在许多技术难题,表现为氮磷污染物工艺技术复杂、价格昂贵且去除效果不佳很难达到排放标准。因此,如何对沼液科学经济的处理是一项亟待解决的难题。
  基于此,笔者以重庆天友集团奶牛养殖场沼液为研究对象,以有机物、氮磷为目标污染物,选取SBBR与电极SBBR工艺对沼液进行处理,研究在不同的工况条件下沼液中COD、NH+4N、TN和TP的浓度变化情况,依据其处理效果推荐其工作条件,在此基础上进行对比试验研究,确定最适合的处理方法,经过处理使沼液中的有机物、氮磷达到排放标准。
  1材料与方法
  1.1试验材料
  该试验沼液取自天友集团奶牛养殖场沼气工程厌氧发酵后出水,经过稀释后其pH为7.75,SS为2 326 mg/L,SV30为22.6%,COD为897.42 mg/L,NH+4N为217.37 mg/L,TP为26.59 mg/L,NO-xN为1.46 mg/L。活性污泥:采用北碚污水处理厂脱水污泥,呈黑褐色,散发恶臭气味。
  SBBR试验装置由SBBR反应器(4套并联,可同时独立运行)、曝气装置、软性填料、调节水箱、空气泵、流量计等构成(图1)。电极SBBR试验装置在SBBR试验装置的基础上增加了阴阳极板、直流稳压电源(图2)。
  1.2试验方法
  1.2.1污泥的挂膜与驯化。
  污泥取自污水处理厂脱水污泥,呈黑褐色固体状,未形成菌胶团,因此认为活性污泥的性能不理想,需先对活性污泥进行启动恢复其活性。按照脱水活性污泥占8%体积的比例加入到自来水中,由于脱水污泥里含磷量较高,先空曝24 h再搁置12 h,弃去上清液,然后再空曝12 h,搁置12 h,弃去上清液,如此多次反复从而使污泥中磷含量降低,以此作为活性污泥注入反应器内。加入按照微生物生长对营养元素的需求,即BOD∶N∶P=100∶5∶1配制的废水,继续连续曝气,据此启动活性污泥,当微生物大量繁殖呈现黄褐色后说明启动成功。   由于沼液浓度过高,沼液的可生化性差,因此驯化时采用的是按一定比例稀释的沼液。在驯化初始阶段要添加适量的人工配水,开始时添加的人工配水与沼液的比例为5∶1,然后是5∶2,依次类推。SBBR反应器的挂膜采用的是软性填料挂膜法,与污泥驯化同步进行。当填料上的生物膜厚度达到1~2 mm,呈黄褐色,镜检结果显示其中的原生动物大部分为钟虫和轮虫,污泥沉降比SV30为25%左右,表明污泥性能较好,活性较高,并且挂膜成功,可以进行稳定的运行,至此驯化阶段结束。
  电极的挂膜:在培养驯化过程中,为了使石墨极板更易于挂膜,对极板进行糙化处理,将经过糙化处理的阴极板放入SBBR反应器中,在挂膜及驯化的同时通电,以加强微生物对电极的耐受能力。
  1.2.2两种工艺对沼液去除的最佳运行工况研究。
  SBBR及电极SBBR 工艺按照表1和表2设计的工况条件运行,采用瞬时进水的方式,从搅拌均匀后开始计时。每个周期进水24 L,反应器内余留的泥水混合液为11 L,每种工况完成之
  后,将反应器内的废水排尽,保留活性污泥和生物膜,注入自来水后曝气8 h,静置等待进入到下1个周期。SBBR系统试验分AA、AB两组,电极SBBR系统试验分为BA、BB两组。两种系统第1组是没有曝气前的厌氧阶段,设定4个工况;第2组为相同的曝气前厌氧时间段,而改变各单元水力停留时间。两组试验均固定进水COD浓度、TN浓度、NH+4N浓度、NO-xN浓度,运行若干周期,分别测定出水指标(COD、TN、NH+4N浓度、NO-xN浓度)。
  进水条件:废水为稀释后沼液,SS为1 908~3 168 mg/L,SV30为 15.3%~28.9%,pH为 7.47~8.05,室温(20~24 ℃),DO为 6~7 mg/L(曝气稳定时),极电压10 V,填料密度为 30%,COD、NH+4N、TP 和NO-xN的质量浓度分别为 873.60~928.20、216.10~219.82、24.27~28.45和1.32~1.47 mg/L,优化运行工况。
  2结果与分析
  2.1污泥驯化与挂膜试验结果
  污泥取自污水处理厂脱水污泥,污泥的体积为反应器体积50%左右,SBBR反应器和电极SBBR反应器同时启动及驯化,历时21周,温度在18~30 ℃之间。SBBR和电极SBBR反应器挂膜与驯化完成后,填料上的生物膜厚度达到1.2~1.6 mm,呈黄褐色,污泥沉降比SV30在25%左右,膜水间的界面非常清晰,吸附性较好,镜检结果显示其中的原生动物大部分为轮虫和累枝虫(图3和图4),并且形成了密实的菌胶团,表明挂膜与驯化成功。
  (1)AB组的各项指标的去除效果明显好于AA组,曝气前增加1.0 h的厌氧时间,有利于微生物对废水中的COD和NH+4N的吸附和储存[7],提高对COD和NH+4N的去除率;微生物对磷的作用包括两个阶段,第1个阶段是厌氧释磷,第2个阶段是好氧吸磷。TP的去除与聚磷菌的好氧吸磷能
  力相关,而厌氧阶段的释磷直接影响到好氧阶段磷的吸收,厌氧阶段释放的磷越多,释磷菌储存的能量就越多,那么好氧阶段吸磷的能力也就越强,磷的去除效果也就越好[8]。
  (2)比较AA1与AA2、AA3与AA4、AB1与AB2、AB3与AB4,可知延长曝气后的缺氧/厌氧阶段的时间,能够提高COD、NH+4N的去除效果,但提高的幅度均只在1%~2%左右。对TP来说,曝气后的缺氧/厌氧阶段的时间的增加不但不能提高其去除率,反而使出水的TP浓度增加了2%左右。
  (3)比较AA1与AA3、AA2与AA4、AB1与AB3、AB2与
  AB4,可知曝气时间的延长,增强了系统对COD和NH+4N的去除效果,TP的去除率也有明显的提高,TP的去除率最多提高了11.5%,但同时也增加了出水NO-xN的浓度。
  表5是电极SBBR工艺处理沼液各工况的运行结果:
  (1)增加了前厌氧时间段的BB组试验效果明显优于未增加前厌氧时间段的BA组。
  (2)对比BA3与BA4、BB1与BB2的试验结果,表明增加曝气后缺氧/厌氧段时间可提高COD的去除效果,但提高的幅度并不大,其去除率分别提高了2.24%和4.00%;降低了出水的NO-xN浓度,然而对NH+4N的去除效果影响不大,同时也增加了出水TP浓度。
  (3)对比BA1和BA2、BB3和BB4的试验结果,可知曝气后缺氧/厌氧段继续通电,COD的去除率分别提高了6.60%和7.84%,显著增强了COD的去除效果,TP 的去除率稍有下降,分别为1.95%和3.51%;而对NH+4N的影响变化不大,但出水NO-xN的浓度变化较为明显,反硝化率显著提高,表明在缺氧/厌氧阶段,电化学作用对NH+4N的影响不大,主要是为NO-xN的反硝化作用提供电子。
  (4)对比BA1与BA3、BB1与BB4的试验结果,表明延长曝气时间能提高系统的处理能力,增强对沼液中各项污染物的去除效果。
  2.3SBBR与电极SBBR工艺的比较
  (1)在相同工况条件下处理沼液,电极SBBR工艺对沼液中COD、NH+4N、磷的去除率比SBBR工艺分别提高了4%~7%、1%~2%和4%~9%,电极SBBR工艺各工况的运行效果明显优于SBBR工艺。因为在电极的作用下,可使一些难于生物降解的有机物直接氧化去除或者转化为可生物降解的物质,并且在微电流的刺激作用下,提高了系统内微生物对COD、NH+4N和TP的吸附和降解能力,从而增强了处理效果。
  (2)电极SBBR工艺出水的NO-xN浓度明显低于SBBR工艺,对NO-xN的去除率提高了34%以上,反硝化率高于SBBR工艺。电极SBBR工艺在电化学的作用下,可以将生物难以利用降解的有机物转化为易生物降解的有机物,增加了可用的碳源,并且在缺氧/厌氧反硝化阶段,电解作用生成CO2和H2,为NO-xN的反硝化作用提供了碳源和电子,促进反硝化作用。   通过上述对SBBR及电极SBBR工艺各工况处理效果的比较研究,根据各污染指标的去除效果,SBBR工艺推荐AB4工况,电极SBBR工艺推荐BB4作为处理沼液的最佳试验工况。
  3结论
  笔者研究了挂膜与驯化阶段各指标参数的变化情况,进行了SBBR和电极SBBR工艺各工况的对比研究,并确定了两种工艺运行的最佳试验工况,其结果如下:
  (1)相同工况条件下,电极SBBR工艺对沼液中COD、NH+4N、磷的去除率比SBBR工艺分别提高了4%~7%、1%~2%和4%~9%。相较于SBBR工艺,电极SBBR工艺能够增强活性污泥的活性,显著增强系统对各污染物的去除能力,降低出水COD、NH+4N和TP的浓度,并提高系统的反硝化效率。
  (2)推荐AB4工况作为SBBR工艺处理沼液的运行工况,COD、NH+4N和TP的去除率分别为68.63%、90.71%和56.74%,运行周期为8.0 h,其运行工况:进水→厌氧(1.0 h)→曝气(4.0 h)→缺氧/厌氧(3.0 h)→出水→闲置;推荐BB4工况作为电极SBBR处理沼液的运行工况,COD、NH+4N和TP的去除率分别为80.39%、92.52%和59.36%,运行周期为7.0 h,其运行工况:进水→厌氧(1.0 h)→曝气(4.0 h、通电)→缺氧/厌氧(2.0 h、通电)→出水→闲置。
  参考文献
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