污水處理廠尾水深度處理研究

為了遏制水環境惡化的趨勢，國家和各級政府正在增加對水處理設施的投資。從2011年底開始，中國已經建成了1533家污水處理廠，污水處理能力達到1563.d。然而，中國水資源不足，水環境惡化。城鎮污水處理廠出水水質雖然達到了相應的標準,但是仍含有一定量的有機物、氮、磷等污染物,直接排放進入水體后,不僅會對本已脆弱的水體環境造成更大的負擔,也是對水資源的變相浪費。因此,對城鎮污水處理廠尾水的深度處理顯得尤為重要。傳統的物化、生化深度處理方法存在建造、運行和維護成本高昂的問題,而生物塘是利用天然凈化能力對污水進行生物處理,能有效去除污水中的COD、SS、總氮、總磷等污染物,具有低投入、低能耗、運行維護簡便等優勢,并且具有抗沖擊負荷強和美化環境的特點,近年來生物塘等生態修復技術成為深度處理的研究熱點[3~5]。前人的研究結果表明,生物塘對污水廠尾水和受污染地表水的凈化作用良好,但受制于傳統生物塘的整體好氧條件,僅通過植物作用,對總氮與總磷的去除率仍然不高。針對污水處理廠尾水COD和氨氮濃度較低、而總氮和總磷濃度距離地表水標準相差較大的特點,筆者通過構建以脫氮除磷功能為主的缺氧/好氧生物塘中試系統,引入黑藻、苦草、睡蓮、空心菜等植物,進行污水處理廠尾水深度凈化的嘗試。1試驗材料和方法1.1生物塘內接枝式自然恢復工程中試利用深圳市牛成水質凈化廠現有調節池的一部分,將其改造為缺氧/好氧生物塘。生物塘平均水深為1.5m,池底坡度為0.02,尺寸為40m×8.5m,總有效體積為410m3,其被平均分隔成3個廊道,每個廊道寬為2.6m。試驗在第1個廊道中段筑起一道攔水壩,在攔水壩一側通過水泵將該水質凈化廠的尾水泵入生物塘,水流在廊道中單向折返流動。在生物塘前1/3部分通過在水面鋪設泡沫塑料板構建缺氧區,在塑料板表層種植空心菜,定期進行收割,在缺氧區水面以下設置軟性纖維填料,增加微生物數量;隨著水流方向,除缺氧區外,依次構建黑藻種植區、荷花和黑藻混種區、睡蓮和苦草混種區、苦草種植區,黑藻與苦草的種植密度為38~45株/m2,睡蓮與荷花的種植密度為1~2株/m2。試驗期間連續進水,進水量約為500m3/d,在生物塘內的水力停留時間約為20h,其中缺氧區和好氧區的停留時間分別為8和12h。在4個月的中試期間,生物塘中所有的植物和動物生長良好,間隔2周左右對植物進行一次收割,收割量(鮮質量)為2~5kg/m2,間隔1個月對魚類進行一次集中捕撈。生物塘的結構與實景見圖1和圖2。1.2污水廠進水水質牛成水質凈化廠位于寶安區,2005年建成并投入使用,處理量為3000m3/d,出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級A標準。中試進水即為該凈化廠排放的尾水。尾水水質見表1,由于該凈化廠處理工藝的硝化能力較好,尾水的氨氮濃度較低、而硝酸鹽氮濃度較高,故中試將著重分析對硝酸鹽氮的的去除情況,對氨氮指標不做具體討論。1.3水樣的制備分別采集生物塘進水、缺氧區出水和生物塘出水水樣。每天8點、10點、12點、14點共取樣4次,對4次水樣進行均勻混合,每周取樣2~3天,中試采樣時間約3個月。水溫與DO濃度采用哈希HQ-30型便攜式分析儀進行現場檢測,COD采用重鉻酸鉀法測定,氨氮采用納氏試劑分光光度法測定,硝酸鹽氮采用酚二磺酸光度法測定,TP采用過硫酸鉀消解法測定。2結果與分析2.1生物塘好氧段生物塘進水即水質凈化廠尾水的DO濃度較高,平均值為2.18mg/L;流經缺氧區后,出水DO濃度明顯下降,平均值為0.65mg/L;再經過生物塘好氧段后,出水DO濃度顯著升高,平均為3.67mg/L,可達到《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)中的Ⅲ類標準。在缺氧區,水體被泡沫板遮蓋,水中植物和藻類無法進行光合作用,同時水中的微生物在代謝過程會消耗一定的溶解氧,從而導致缺氧區出水的DO濃度明顯降低;水體進入好氧區后,繁密的植物通過光合作用提供了一定的溶解氧,較淺的塘深也為自然復氧提供了有利條件,最終導致好氧區出水的DO濃度明顯上升。2.2生物塘對cod的去除效果缺氧/好氧生物塘對COD的去除效果見圖3。由圖3可知,缺氧區出水COD在12.0~38.9mg/L之間,均值為22.8mg/L;最終出水COD在8.5~22.1mg/L之間,均值為15.1mg/L,大部分可以達到地表Ⅲ類水質標準。生物塘對COD的總去除率在42.79%~71.03%之間,平均值為58.25%,其中缺氧區對COD的去除作用較顯著,平均去除率為37.19%,而好氧區對COD的平均去除率為21.06%。在缺氧區,硝酸鹽氮在反硝化過程中會消耗一定量的有機物,另外,微生物會直接降解一部分有機物。在好氧區,由于停留時間較長且生物量較大,對有機物也有一定的去除能力。2.3不同機組對硝酸鹽廢水的總去除率缺氧/好氧生物塘對硝酸鹽氮的去除效果如圖4所示。由圖4可知,缺氧區出水的硝酸鹽氮濃度在7.12~12.62mg/L之間,均值為9.79mg/L;生物塘總出水的硝酸鹽氮濃度在6.46~10.92mg/L之間,均值為8.51mg/L,基本可達到地表Ⅲ類水質標準。生物塘對硝酸鹽氮的總去除率在23.97%~51.97%之間,平均為37.74%,其中對硝酸鹽氮的去除過程主要發生在缺氧區,平均去除率為28.30%,而好氧區對硝酸鹽氮的平均去除率僅為9.44%。由于缺氧區形成了較好的缺氧環境,底泥與水體中的異養反硝化菌利用水體中的硝酸鹽氮作為電子受體,在消耗有機物進行自身增殖的過程中將硝酸鹽氮轉化為N2,完成了反硝化脫氮過程。在好氧區,DO濃度重新升高,反硝化菌得不到兼氧或缺氧的條件,反硝化作用較弱,僅有植物自身生長代謝過程中對硝酸鹽氮的攝取作用,所以對硝酸鹽氮的去除率相對較低。2.4地表類水質標準缺氧/好氧生物塘對總磷的去除效果見圖5?？芍?缺氧區出水的總磷濃度在0.33~0.56mg/L之間,均值為0.44mg/L;生物塘總出水的總磷濃度在0.23~0.36mg/L之間,均值為0.30mg/L,可達到地表Ⅴ類水質標準。生物塘對TP的總去除率在26.67%~50.79%之間,平均為35.66%,其中發揮主要除磷功能的是好氧區。以傳統的生物除磷理論分析,在缺氧區由于污水中存在一定量的碳源,聚磷菌通過吸收有機物釋放聚合磷酸鹽,在好氧區聚磷菌吸收磷,從而使水中的總磷得到了去除;然而,生物塘與傳統的活性污泥體系不同,沒有良好的水力條件與大量的活性污泥,聚磷菌吸收磷后往往沉積在底泥中,對磷的去除通常只有在被水生植物與浮游生物攝取后,通過生物鏈轉移才能實現,所以好氧區對總磷的去除是微生物與生物鏈體系綜合作用的結果。3cod、硝酸鹽氮、do對總磷的去除貢獻缺氧/好氧生物塘對水質凈化廠尾水的深度處理效果良好。生物塘對污染物的去除是微生物降解與生物鏈攝取協同作用的結果,其中,缺氧區對COD和硝酸鹽氮的去除貢獻較大,好氧區對DO濃度的提升較多、對總磷的去除貢獻較大。系統對COD和硝酸鹽氮的平均去除率分別達到了58.25%和37.74%,出水COD、硝酸鹽氮和DO濃度可達到地表Ⅲ類水質標準;而系統對總磷的平均去除率為