船舶生活污水主要指船舶厕所的粪便冲洗水,具有水质浓度高,水质水量波动性大等特点,这要求船舶生活污水处理系统具有高效的处理能力、抗冲击负荷的能力,对船舶运动的动力效应及恶劣的机舱环境,具有较好的适应性[1]。目前主流的船舶生活污水处理装置采用生物处理法,又以生物接触氧化法为典型。在技术研究上,陈志莉等[2]采用生物接触氧化法处理模拟船舶生活污水中试,在进水平均水质COD=560~650 mg/L,NH3-N=25~40 mg/L,HRT=3.5 h,出水水质符合我国及MEPC.107(49)排放标准;在装置上,WCMBR装置采用序批式生物接触氧化法+膜组件,出水水质符合IMO.MEPC 159(55)排放要求[3]。
生物接触氧化法利用附着生物膜或悬浮污泥将污水COD,BOD,TSS等污染物有效去除,生物接触氧化装置中含有一定量的悬浮污泥,一方面易于引起后继膜组件膜污染,频繁反冲洗或清洗,影响膜的使用寿命;另一方面污泥的回流和排放系统,增加了维护管理及污泥的处理压力大。相对于生物接触氧化法,曝气生物滤池有以下优势:1)通过滤料的截留作用,出水含泥量少,缓解后继泥水分离和污泥处理压力;2)结构简单,不需要污泥的回流,减轻维护管理工作量;3)选用强吸附性滤料,有利于强化有机物和氮去除性能。能否用曝气生物滤池替换WCMBR中生物接触氧化柜,基于该问题,本文提出用曝气生物滤池处理处理模拟船舶生活污水。
1 材料与方法 1.1 实验装置实验装置采用实验室构建的多层曝气生物滤池,如图1直径50 cmm,高300 mm,有效容积0.4 L;填料为沸石,分3层布置以利于生物沸石、污水、氧充分接触;顶部进水,底部曝气;管1#作为反冲洗进水管、排水管、取样管、放空管,管2#作为反冲洗出水管;间歇运行。
进水采用由NH4Cl,K2HPO4,NaH2PO4,MgSO4等试剂按比例溶于自来水配制而成,NH3-N=40~60 mg/L并用葡萄糖调节COD=150~2 100 mg/L,模拟废水的pH约8.5。
1.3 滤料滤料采用经盐酸、硫酸、NaCl改性处理的40目沸石。沸石具有特殊的晶体结构,孔隙率高、比表面大、离子交换能力强、吸附能力大,是微生物附着生长的良好载体,沸石生物膜已被广泛应用于生活污水、工业废水处理及污水脱氮除磷中[4 – 9],但用于处理船舶生活污水的报道并不多。
1.4 分析方法COD:采用密封消解分光光度法;NH3-N:纳氏试剂分光光度法。
1.5 曝气生物滤池的挂膜培养接种污泥来源于镇江市某城市污水处理厂曝气池污泥。在反应器中加入活性污泥,COD=1 500 mg/L、NH3-N=42 mg/L的模拟船舶生活污水,曝气,每24 h沉淀后排出上清液,重新补充COD=1 500 mg/L的模拟船舶生活污水。3 d后,排出污泥,低COD进水,并逐渐提高进水COD(150~400 mg/L),维持NH3-N=42 mg/L,HRT=6 h,过量曝气,T=30 ℃,pH=8.5左右,间歇运行10个周期后,沸石表面颜色加深,反应器内壁肉眼可见大量絮状体附着,当进水COD=376.57 mg/L,NH3-N=42 mg/L,出水COD=55.53 mg/L,NH3-N=5.53 mg/L,两者去除率分别为85.28%和86.83%,至此挂膜培养完成。继续运行数个周期,开展实验。
2 结果与讨论 2.1 HRT的确定进水COD=390.86 mg/L,NH3-N=56.74 mg/L,过量曝气,T=30 ℃,pH=8.5,间歇取样分析。由图2可见,反应初期,由于较高的底物浓度和沸石高效的吸附性能,COD和NH3-N去除速率较快;随着反应的进行,底物浓度的降低,两者的去除速率逐渐降低(COD尤为明显);反应180 min,两者去除率达94.56%和87.63%。以COD为主要去除对象,结合NH3-N的处理效果,初步确定反应体系HRT=1.5 h。由于硝化细菌为自养细菌,世代周期长,在ZBAF生态系统中,硝化细菌不占优势,尤其在低HRT(1.5 h)的情况下去除效果欠佳(69.01%)。
进水COD=379.42 mg/L,NH3-N=62.20 mg/L,过量曝气,pH=8.5,HRT=1.5 h,T=20~50 ℃。由图3可见,沸石曝气生物滤池对温度具有较好的适应性,即能适应船舶机舱温度的波动。在20 ℃~50 ℃,COD和NH3-N去除率先增大后降低,最佳运行温度为分别为40 ℃左右(COD去除率94.81%)和30 ℃左右(NH3-N去除率71.99%)。考虑实船运行能耗问题,船舶污水温度,结合COD和NH3-N去除效果,后继运行T=30 ℃。
进水COD=382.29 mg/L,NH3-N=58.94 mg/L,过量曝气,HRT=1.5 h,T=30 ℃,控制pH=5~10。由图4可见,沸石曝气生物滤池对pH适应范围较广,pH=5~10,COD和NH3-N去除率分别维持在91%和61%以上(pH=7~9,NH3-N去除率>68%),两者都有先上升后下降的趋势,最佳pH为8左右,去除率分别为95.96%和71.68%。考虑碱性环境对船舶设备的腐蚀性,结合COD和NH3-N去除效果,后继运行pH=7。
进水COD=379.42 mg/L,NH3-N=58.94 mg/L,pH=7,HRT=1.5 h,T=30 ℃,Q=0.08~0.6 L/min。由图5可见,Q=0.08~0.6 L/min,随曝气量的变化,COD和NH3-N去除率先增大后降低,COD和NH3-N的最佳曝气量为0.16 L/min和0.4 L/min,去除率分别为95.77%和72.23%。根据双膜理论[10],有限地提高曝气量,有利于提高生物膜内溶解氧浓度,相应提高好氧微生物的活性及生物降解速率;曝气量过大,受氧的平衡溶解度限制,溶解氧不再增加,过强的湍流反而造成溶解氧的解析与生物膜的脱落,导致出水水质降低。从经济性出发,结合COD和NH3-N去除效果,本实验最佳曝气量Q=0.16 L/min。
COD是船舶生活污水重要的有机指标之一,其进水底物浓度也是影响COD去除的重要因素,T=30 ℃,pH=7,HRT=1.5 h,Q=0.16 L/min,维持进水NH3-N=51.24 mg/L,调节进水COD浓度,探讨进水底物浓度对COD去除的影响。由图6可见,反应器对底物COD浓度具有较好的抗冲击负荷的能力,COD=364.57~2 068.57 mg/L,去除率维持在90%以上,随着底进物浓度(S0)的增加,出水COD(Se)增加,且S0与Se近乎呈线性关系(R2=0.982 3)。
根据IMO.MEPC227(64)决议,船舶生活污水排放标准COD≤125 mg/L,以Se=125 mg/L计,则S0=1 560.86 mg/L,即当进水COD≤1 561 mg/L,能保证出水COD≤125 mg/L。
关于生物膜反应器中进出水底物的相关性,刘雨提出S0-Se模型[11]:
${S_e} = K{S_0}/({S_{oc}} - {S_0}) + {S_{en}}\text{,}$
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(1) |
式中:Soc为临界进水底物浓度,即理论最大进水底物浓度(mg/L);Sen为生活污水中非生物降解的底物浓度(mg/L),污水由葡萄糖配制,故Sen=0;K为浓度系数。对式(1)两边取倒数,得
$1/{S_e} = {S_{oc}}/K{S_0} - 1/K\text{,}$
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(2) |
用该模型拟合1/S0–1/Se关系如图7,其中K=28.90,Soc=1 573.80 mg/L。
当进水底物负荷大于底物去除率,增加单位进水底物浓度就会引起相应的出水水质的变化,该生物膜反应器被定义“被底物击穿”,故方程(1)的稳定性满足边界条件:dSe/dS0=1,此时的进水底物浓度S0被称为实际临界进水底物浓度
$S_{oc}^p = {S_{oc}} - {\left( {K{S_o}_c} \right)^{1/2}}\text{。}$
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(3) |
将所得的K=28.90,Soc=1 573.80 mg/L代入式(3),该反应器实际所能承受的最大进水底物浓度
从排放标准和S0-Se模型综合考虑,该反应器的最大进水COD浓度设置为1 361 mg/L。当进水COD高于此值时,可通过增加停留时间,以保证出水COD达标排放。
2.6 反冲洗对COD、NH3-N去除的影响进水COD=798.86 mg/L,NH3-N=56.45 mg/L,T=30 ℃,pH=7,HRT=1.5 h,曝气量Q=0.16 L/min,研究反冲洗对出水水质的影响。由图8可见,反冲洗后出水水质有较大改善,COD,NH3-N去除率分别由冲洗前(0周期)的94.49%和60.28%上升至98.78%和78.48%,且随着运行周期的增加(1~4周期),去除率逐渐降低。由此可见,当出水水质恶化时,反冲洗是改善水质的又一有效途径。
在当进水COD=720 mg/L,NH3-N=52 mg/L,T=30 ℃,pH=7,Q=0.16 L/min,间歇取样检测反应系统中COD,NH3-N值,研究反应动力学。滤池中COD的去除可表示为[12, 13]:
$\frac{{{\rm{d}}C}}{{{\rm{d}}t}} = - k{C^\alpha }C_x^\beta \text{,}$
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(4) |
式中:C为COD或NH3-N的浓度(mg/L);k为反应速率常数;Cx为微生物的浓度(mg/L);α为COD或NH3-N的反应级数;β为微生物的反应级数。
滤池中的微生物主要以生物膜的形式存在,可认为微生物过量,即
$\frac{{{\rm{d}}C}}{{{\rm{d}}t}} = - kC\text{,}$
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(5) |
得:
$C = {C_0}{e^{ - kt}}\text{。}$
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由图9可见,滤池的反应动力学方程为:CCOD=720e–0.314 1t,CNH3-N=52e–0.013 1t,两者均符合一级反应动力学方程。
进水COD=798.86 mg/L,NH3-N=56.45 mg/L,T=30 ℃,pH=7,HRT=1.5 h,Q=0.16 L/min,反冲洗后,研究船舶在倾斜(30°)、摆动(随机)对出水COD的影响。由图10可见,在倾斜和摇摆情况下,COD和NH3-N去除率略有下降(摇摆略好于倾斜),仍维持在96%,68%以上,可见ZBAF对船舶环境具有较好的适应性,能在任何平面上倾斜22.5°仍能运行的要求。系统处于平稳状态时,滤池内部气流分布较为均匀,气、液相及填料内生物膜的氧的传质较为稳定;当系统发生倾斜时,由于气流的上升作用,气流偏于一侧,导致局部位置供氧不足,出水水质降低;当系统处于剧烈的摇摆状态时,一方面气水湍流促进了氧的溶解和均匀分布,另一方面较强的湍流加剧了氧的解析和生物膜的脱落,出水水质略有降低。
用间歇运行的沸石曝气生物滤池处理船舶生活污水的研究表明:
1)ZBAF对COD和NH3-N有较好的去除能力,在HRT=1.5 h,T=30 ℃,pH=7,Q=0.18 L/min,进水COD=798.86 mg/L,NH3-N=56.45 mg/L,出水水质COD=48.41 mg/L,NH3-N=14.78 mg/L,两者去除率分别为93.94%和73.82%,且反冲洗能有效的改善水质。
2)从排放标准和S0-Se模型综合考虑,装置进水最大COD浓度约为1 361 mg/L;装置中COD,NH3-N的去除反应符合一级动力学方程。
3)对船舶环境具有较好的适应性,船舶发生倾斜、摇晃,出水水质略有下降,且摇摆略好于倾斜。
4)与陈志莉等[2]运行的生物接触氧化法处理模拟船舶生活污水的数据对比表明,沸石曝气生物滤池(HRT=1.5 h)对COD的去除效果远优于生物接触氧化装置(HRT=3.5 h),且抗冲击负荷强;但由于HRT短(1.5 h),滤池对NH3-N的处理受到影响(最高去除率为78%),研究也发现适当增加HRT可明显改善NH3-N去除效果。综上所述,在WCBMBR装置中将沸石曝气生物滤池取代生物接触氧化柜具有可行性。
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