随着我国水环境的破坏和公众环保意识的提高,铁路站段需要加强对排放污水的管理,做到达标排放。小型火车站污水具有水量小、排放量不稳定、点多线长和污染源分散等特点,且由于铁路分布形式的特殊性, 铁路污水尤其是中小站的生活污水很难并入当地市政污水处理系统, 绝大多数情况下只有采用自行处理的方式。所以,开发适合铁路站区特点的,能够节能且有效使火车站污水达标排放的处理技术就成为了研究热点。
小型火车站污水的主要处理工艺有SBR 工艺、厌氧生物处理技术、人工湿地等,同时在某些火车站(客运站)采用了MBR 等其他相关工艺及其组合。由于SBR 工艺更适用于水量较大的情况,而湿地则有占地面积大等问题,所以厌氧生物处理技术成为了处理小型火车站生活污水的优选。
生物接触氧化法是以附着在载体(俗称填料)上的生物膜为主,以悬浮微生物为辅,净化废水的一种高效水处理工艺。具有活性污泥法特点的生物膜法,兼有活性污泥法和生物膜法的优点。厌氧接触氧化技术是利用附着在填料或载体上生长、繁殖的细菌、原生动物和后生动物等微生物形成的厌氧生物膜和悬浮微生物处理废水的技术。与传统的活性污泥法相比 ,以生物膜为主的厌氧接触氧化反应器有更高的生物质密度和生化反应速率,对有毒有害物质具有较强的耐受性,在较大的剪切力、水利冲击等不利条件下仍运行稳定。李晓艳等采用分散式小区污水处理装置并结合厌氧优势菌,处理天津市某小区的生活污水。整个装置埋于地下,不占地表面积,运行管理简单。经厌氧生物膜处理单元,COD 去除率约60% 左右,氨氮去除率约为45% ,浊度由进水的34 ~ 87 NTU 降到10 NTU 以下,去除效果明显。
对于生物反应器,进水方式会影响反应过程中的反应速度和最终的处理效果,进水方式不同还直接影响污泥的沉降性能。采用脉冲布水方式,能够提高进水流速,在一定程度上冲刷填料上的老化生物膜,促进填料间相互摩擦,从而保持生物膜的活性 ;并且脉冲进水方式能够强化传质作用,加速有机物从污水中向微生物细胞的传递,处理效果稳定。苏玉民等研究表明上流式厌氧污泥床反应器的间歇式脉冲配水系统较传统的连续式配水系统优越。脉冲配水迅速,均匀,没有死区,并能提供柔和的水力搅拌,促进生物体与基质之间的有效接触,提高了反应器的有机负荷,缩短了污泥颗粒化过程。
实验以生活污水为处理对象,采用厌氧接触氧化反应器进行实验,重点研究进水方式对厌氧工艺处理小型火车站污水的影响,为实际工程应用打下基础。
1 材料和方法
1. 1 实验装置
厌氧反应器是由有机玻璃制成,上部为圆柱形,敞口,底部为锥斗形。总高为500 mm,其中圆柱体高为400 mm,锥斗形高100 mm。圆柱体总直径为400 mm,内部分为3 个反应区,三级反应区等高,均为400 mm。其中,一级反应区为直径200 mm 的圆柱形桶,体积为12. 6 L。其下部连接一级排泥斗,底部直径为50 mm,连接排泥管。一级反应区中心设置管径为DN20 的进水管,底部设有布水装置,使脉冲进水均匀分布于反应区内。内部以40% 填充率设置块状海绵填料,用于厌氧挂膜。二级反应区为空心圆柱体,内径为200 mm,外径为300 mm,体积为15. 7 L。为充分利用反应器空间,提高装置处理效果,二级反应区内也设置相同填料。三级反应区位于装置的最外层,内径为300 mm,外径为400 mm,体积为22. 0L。出水口设置在厌氧反应器三级反应区顶部。单个装置的处理水量为45 L·d - 1 。
整个反应装置采用中心进水的方式,污水通过进水管由一级反应区底部进入,依次经过一级反应区上向流,二级反应区下向流和三级反应区上向流,最终由出水口排出。装置底部排泥斗用于储泥和定期排泥。厌氧反应器通过厌氧生物膜的生化降解作用,处理生活污水,结构如图1 所示。
1. 2 进水水质
实验采用的生活污水取自天津某大学学生公寓楼下化粪池出水,其水质特性为:COD 为140 ~550 mg·L - 1 ,氨氮为40 ~ 90 mg·L - 1 ,TN 为50 ~ 100 mg·L - 1 ,TP 为2. 5 ~ 6. 5 mg·L - 1 ,SS 为80 ~220 mg·L - 1 ,pH 为7 ~ 8. 3。学生宿舍区的生活污水,受放假等因素影响,水质波动大,为了研究结果的可比性(避免原水差异的影响),分别以葡萄糖补充碳源,硫酸铵补充氮源,磷酸二氢钾补充磷源,碳酸氢钠补充碱度,使得反应器进水水质保持为COD 约为500 mg·L - 1 ,TN 约为40 mg·L - 1 。
1. 3 实验方法
反应器启动挂膜成功后,实验采用2 组平行实验设备,布水方式分别为脉冲进水和连续进水,基于前期脉冲实验条件优化结果,在室温条件下,控制反应器HRT 为24 h,脉冲强度为1. 380 L·(m2 ·min) - 1 ,脉冲频次为24 次·d - 1 ,保持进水及其他运行条件均相同,每隔3 d,在反应器出水口处取瞬时水样进行测试,观察厌氧反应器处理效果随时间的变化;在实验结束时,随机取等数量(10 块)的块状海绵填料,清洗附着的生物膜,对生物量进行测试。
1. 4 指标测试方法
实验的水质监测指标有COD 和总氮,依照国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》(第4版)分别采用重铬酸钾法(A) 和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(A) 测定;生物量采用重量法测定。
2 结果与讨论
两反应器在稳定运行的情况下,pH 约为7,DO 浓度约为0. 15 mg·L - 1 ,对各指标进行测试,分析测试结果并对厌氧反应器处理生活污水的动力学模型进行研究,结果如图2 ~ 图7 所示。
2. 1 进水方式对出水COD 的影响
由图2 可知,在进水COD 浓度保持在500 mg·L - 1 左右时,随着时间的增加,出水COD 浓度在不断地降低,脉冲进水反应器最后稳定在90 mg·L - 1 左右,COD 去除率达到81. 5% 左右;连续进水反应器则稳定在110 mg·L - 1 左右,COD 去除率只有77. 5%左右。
在整个时间进程中,脉冲进水反应器的处理效果一直都优于连续进水反应器。在反应过程中,脉冲进水方式可以冲刷老化的生物膜,增加生物膜的活性;强化传质作用,加速微生物吸收污水中有机质的速率,以达到较高的COD 去除效果。
2. 2 进水方式对出水TN 的影响
由图3 可知,在进水TN 浓度保持在40 mg·L - 1左右时,随着时间的增加,出水TN 浓度基本保持在一个较稳定的状态,脉冲进水反应器最后稳定在34 mg·L - 1 左右,TN 去除率最后达到14. 0% 左右;连续进水反应器则稳定在36 mg·L - 1 左右,TN 去除率则只有10. 3% 左右。
厌氧反应器对于氮元素的去除主要用于微生物的细胞合成,所以TN 去除率基本保持在一个恒定的水平。但是在整个时间进程中,脉冲进水反应器的总氮去除效果仍一直优于连续进水反应器。
2. 3 进水方式对反应器生物量的影响
生物量的大小在一定程度上表征了反应器的处理能力。反应器的有效处理单元为一级反应区和二级反应区的生物膜及悬浮生物量。从反应器的运行效果可得脉冲进水反应器优于连续进水反应器,为了验证脉冲进水反应器的厌氧生物膜更新生长较连续进水生物膜快,即生物量大,本实验采用重量法测得脉冲进水反应器和连续进水反应器的厌氧生物膜生物量及悬浮生物量,如图4 所示(1 级附着膜代表一级反应区生物膜生物量,1 级悬浮膜代表一级反应区悬浮生物量,2 级附着膜和2 级悬浮膜同上)。
由图4 可知,无论是生物膜生物量还是悬浮生物量,脉冲进水反应器均高于连续进水反应器。就MLVSS 来看,脉冲进水反应器的一级反应区生物膜生物量较连续进水反应器高0. 32 g·L - 1 ,一级反应区悬浮生物量、二级反应区生物膜生物量和二级反应区悬浮生物量依次高0. 55、0. 43 和0. 06 g·L - 1 。
结合之前的脉冲进水较连续进水方式可以得到活性更高的厌氧生物膜的结论,可以更好的验证脉冲进水方式反应器的处理效果优于连续进水反应器的实验结果。
2. 4 厌氧反应器处理生活污水的动力学模型探究
2. 4. 1 动力学模型的建立
在以厌氧反应器处理生物污水的过程中,建立动力学模型的目的是研究底物浓度、微生物质量浓度和底物降解速率等因素之间的关系,为实际应用提供理论依据。Monod 模型是用来描述细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系,选用该模型拟合污水处理中复杂有机基质的微生物生长动力学是较合理的。
实验中用Monod 模型来描述有机物的降解情况。
Monod 动力学模型为
式中:μ 为比有机物降解速率,g·(g·h) - 1 ;μmax 为最大比有机物降解速率常数,g·(g·h) - 1 ;Ks 为饱和常数,mg·L - 1 ;S 为反应器内有机底物质量浓度(出水质量浓度),mg·L - 1 。
有机物比降解速度为
式中:X 为反应器中微生物质量浓度,mg·L - 1 ;dS / dt 为有机物降解速率,mg·(L·d) - 1 。
式中:S0 为反应器进水有机物质量浓度,mg·L - 1 ;t 为水力停留时间,h。
由式(1)、(2)和(3)转换变形可得
依据上述公式,将实验中测得的数据代入计算并绘制2 个反应器中COD 的降解动力学模型回归曲线,如图5 所示。
由图5 可知,脉冲进水反应器的COD 去除动力学模型方程为:
Ks = 27. 466 mg·L - 1 ,μmax = 0. 003 g·(g·h) - 1 ,相关性系数R = 0. 972 9;连续进水反应器的COD 去除动力学模型方程为:
Ks = 26. 851 mg·L - 1 ,μmax = 0. 005 g·(g·h) - 1 ,相关性系数R = 0. 987。
2 个反应器的COD 去除动力学模型方程的相关性系数均大于0. 95,表明该方程具有较好的线性关系,可以认为实验中厌氧生物膜反应器中的微生物对有机物的降解基本符合Monod 模型。
2. 4. 2 动力学模型检验
在前期实验得出的最佳运行条件下,保持反应器稳定运行23 d,每隔3 ~ 4 d 对反应器的出水COD值进行监测。实验进水与前期实验的水质保持一致,将模型计算所得结果与测定结果相比较,以验证所得模型与实际的吻合程度与准确性。如图6所示。
根据图6 对COD 的模拟结果分析:脉冲进水反应器COD 的误差平均值为3. 30% ,最大值7. 91% ,最小值为0. 76% ,中位数为3. 21% 。连续进水反应器COD 的误差平均值为3. 32% ,最大值为6. 30% ,最小值为2. 12% ,中位数2. 84% 。以上分析结果表明,在实际操作条件与假设条件存在不同的情况下,通过Monod 模型对厌氧生物膜反应器中COD 的降解行为进行模拟得到的模型方程仍与实际值有较高的吻合程度,具有较高的准确性。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
通过对两类反应器的厌氧生物膜生物量的测定,可以得到脉冲进水方式的厌氧生物膜生物量较连续进水方式高1. 36 g·L - 1 ,且脉冲进水方式的厌氧生物膜反应器在COD 和TN 的去除效果上均优于连续进水方式的厌氧生物膜反应器,COD 去除率与TN 去除率分别提升4% 和3. 7% 。
通过对系统底物降解动力学的初步研究,得出了脉冲进水反应器的COD 去除动力学模型方程为:
Ks 为27. 466 mg·L - 1 ,μmax 为0. 003 g·(g·h) - 1 ;连续进水反应器的COD去除动力学模型方程为:
Ks 为26. 851 mg·L - 1 ,μmax 为0. 005 g·(g·h) - 1 。
经验证,2 个反应器的模拟值与实验值的最大误差均小于8% ,说明以上2 个动力学模型方程均取得了较好的拟合效果。所以,Monod 模型可以较准确地描述该厌氧生物反应器内有机物降解的动力学行为,为小型火车站公建污水的处理提供了相对高效、科学的方法。
