曝气生物滤池滤料改进研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项()作者简介:郝添翼()女河北保定人在读硕士研究生师从段聪文副教授和张玉玲副教授主要从事水污染控制工程与水处理技术的研究 电话:.通信作者:段聪文()男硕士生导师 :.曝 气 生 物 滤 池 滤 料 改 进 研 究郝添翼曲婷王海媚武金辉张玉玲段聪文(华北电力大学 环境科学与工程系河北 保定)摘 要:以改性滤料和新型滤料为研究对象分析了组分构成和结构特征综述了不同的改进方式阐述了其脱氮除磷及去除诺氟沙星()、藻类、总有机碳()、生化需氧量()、化学需氧量()、总悬浮固体()效果和机理展望了曝气生物滤池中滤料的发展前景为现有滤料的改性、新型滤料的开发及曝气生物滤池中滤料的选择提供参考关键词:改性滤料新型滤料曝气生物滤池污染物去除中图分类号:文献标识码:文章编号:()():()()()()()().:曝气生物滤池()因具有占地面积小、处理效果好、抗冲击负荷能力强、流程简单、能耗低等优点广泛应用于废水如生物柴油废水、焦化废水、印染废水等的处理 滤料作为曝气生物滤池的核心单元其粗糙度、孔隙率等理化性质不仅直接影响污染物的去除效果还影响其附着微生物数量、种类及微生物活性进而决定着曝气生物滤池废水处理工艺的效能 传统滤料有天然沸石、商用陶粒()、活性炭天然沸石比表面积大、孔隙率高通过吸附和交换 等方式提高 去除率和硝化速率商用陶粒表面粗糙多孔化学稳定性好活性炭能吸附去除水中大部分的有机物 但随着广泛应用其缺点越发明显主要表现为孔径小微孔道易堵塞一些有毒的金属离子常黏附在表面而不利于微生物黏附且低温下受水力负荷影响氨氮去除效果相对较低 经 以上高温煅烧过程制备容易破坏主要原矿物黏土晶体结构污染物去除效率降低活性炭作为非极性吸附剂对极性物质吸附效果差为解决上述问题研究人员对沸石改性通过增大比表面积、提高孔隙率、表面官能团修饰等途径提高吸附能力、硝化性能降低有毒重金属含量在陶粒改性方面通过改善孔隙率、比表面积等途径提高脱氮除磷和去除、的能力开发多种新型单层滤料使其多孔具有缓冲能力或含钙丰富增强脱氮除磷效果将多种滤料分层铺用 提高吸附性能、硝化能第 期郝添翼等:曝气生物滤池滤料改进研究力及耐铵态氮冲击负荷能力 本文对改性滤料和新型滤料种类、结构特征、组分构成及改进方式进行分析和总结阐述了改性滤料和新型滤料在曝气生物滤池废水处理过程中的作用及作用机制展望了滤料的发展前景 传统滤料的改性.改性沸石滤料及其应用沸石通过结构调控、成分调控、结构与成分复合调控实现改性进一步提高沸石的吸附能力降低有毒重金属含量利于微生物黏附提高脱氮除磷及去除诺氟沙星()的能力.结构调控改性沸石滤料的结构调控主要指通过用无机酸浸泡或使用成孔材料增大比表面积、粗糙度减小体积密度和表观密度从而提高吸附能力 改性沸石()将天然沸石()用 溶液浸泡进行结构调控经改性沸石比表面积从./增大到./微生物群落丰富度(指数)为原污泥的.倍微生物对诺氟沙星()的吸附和降解能力增强水力停留时间()为 时 平均去除率 以沸石尾矿为主要材料制得的吸附功能介质()添加成孔材料进行结构调控表观密度减小到 ./体积密度减小到./成孔材料含有的气源性成分使 表面粗糙 时氨氮去除率为.成分调控改性沸石滤料的成分调控主要指通过添加含钙丰富的成分或表面官能团修饰提高沉淀效果和吸附能力沸石多孔滤料()添加成分水泥水泥中钙的氧化物含量丰富能吸附和沉淀磷酸盐进水 含量为./时启动后 平均去除率为.和改 性 沸 石()将、天然沸石()与去离子水混合进行离子交换表面官能团含量发生变化对 的化学吸附能力提高 为 时 平均去除率.结构与成分复合调控改性沸石滤料的结构与成分复合调控主要指通过离子交换和超声波处理改善比表面积、孔隙率同时修饰表面阳离子从而提高硝化能力和吸附性能降低有毒重金属含量用氯化钠浸泡和超声波处理的沸石在结构调控方面与天然沸石相比具有更高的孔隙率和更大的比表面积有利于附着硝化细菌在成分调控方面与表面阳离子交换 目、目、目的沸石铵态氮吸附能力分别从./提高到./此外一些有毒重金属如、被 取代.改性陶粒滤料及其应用陶粒经结构调控实现改性 陶粒的结构调控主要指通过使用成孔材料木屑、脱水污泥()、粉煤灰()或易于形成陶粒骨架的高硅基体提高孔隙率增大比表面积减小体积密度和颗粒密度形成多孔结构从而提高脱氮除磷和去除、的能力坡缕石多孔陶粒()添加木屑进行结构调控木屑是良好的成孔材料烧结过程中煅烧木屑使颗粒内部形成大孔总孔隙率可达 为 时 平均去除率可达.平均去除率可达.磁性多孔陶粒()添加木屑进行结构调控孔隙率可达 氧化铁基多孔陶粒()添加木屑进行结构调控孔隙率可提高到(.)当气水比(/)为 时对总氮的去除率为.多孔陶粒将高硅铁尾矿用作基体进行结构调控高硅铁尾矿中 含量高易于形成陶粒骨架多孔陶粒孔隙率为.比表面积为./对有机废水中、总磷()去除率分别为 污泥 介 质 陶 瓷 滤 料()添 加 脱 水 污 泥()进行结构调控在 范围内增大脱水污泥添加比可产生更多的气体并增强膨胀力因膨胀力增强 内部孔径增大使得体积密度和颗粒密度减小因内部产生的气体陶粒表面熔融状态下的壳体膨胀使得陶粒产生多孔结构 添加比约为.(质量分数)时 的体积密度为./颗粒密度为./当滤料层高度为.为.气液比(/)为 时和 去除率分别为.和.轻质陶粒()添加粉煤灰()进行结构调控在高温烧结过程中 中的未燃碳()氧化使 具有多孔结构以 为滤料的曝气生物滤池在启动 后对、和 的去除率分别为 新型滤料及其应用新型滤料分为单层滤料、双层滤料、多层滤料.单层滤料及其应用与传统滤料相比新型单层滤料经结构调控、成应用化工第 卷分调控、结构与成分复合调控孔结构和粗糙度改善硝化能力、化学沉淀性能和吸附能力加强脱氮除磷及去除、效果提高.结构调控单层滤料的结构调控主要指通过使用膨胀材料铝粉或用 氧化的煤焦油沥青作为碳前驱体多孔孔结构呈珊瑚状从而提高去除、和脱氮效果蒸压加气混凝土颗粒()中添加的铝粉能发生化学反应使混合物体积膨胀到约原来的 倍产生多孔结构 为 时 对、总氮()平均去除率分别为.优于 以煤焦油沥青为碳前驱体制得的碳泡沫因对煤焦油沥青的氧化孔壁表面形成许多大孔和中孔有利于附着微生物和吸附有机污染物珊瑚状的孔结构使形成的生物膜难以脱离孔壁碳泡沫对、去除率分别为 优于陶瓷颗粒.成分调控单层滤料的成分调控主要指通过使用具有缓冲能力的材料提高硝化能力或使用含钙丰富的材料提高化学沉淀效果从而提高脱氮除磷能力新型谷物渣颗粒滤料能缓冲 值去除硝化过程中产生的 当 时 去除率为.平均去除率为.优于陶粒型生物滤料是以水渣为主要原料制备的能溶出 为硝化反应提供碱度避免 值较低而抑制硝化作用 去除率最高可达.优于陶粒型生物滤料曝气生物滤池因滤料富含钙主要通过生物诱导化学沉淀的方式除磷在好氧条件下水体因微生物有氧呼吸和降解有机物而呈微酸性滤料中的 成分易溶出生成 与水中的磷酸根离子生成沉淀反应方程式如式()式()所示水温为 、负荷为./()、氨氮负荷为./()、为 时对磷去除率为.高于陶粒 ()()()()()()().结构与成分复合调控单层滤料的结构与成分复合调控主要指通过使用水淬渣材料或覆盖金属氧化物同时改变结构特征和组分构成提高硝化能力、吸附效果或化学沉淀性能进而提高脱氮除磷效果水淬渣颗粒滤料()在结构调控方面因使用水淬渣()体积密度和表观密度分别为 ./和 ./表面粗糙适合硝化细菌生长在成分调控方面 具有缓冲能力能溶出 去除硝化过程中反应器内产生的 当 为 时 平均去除率为.优于陶粒 新型水渣滤料是以高炉水淬渣为主要原料制得的在结构调控方面高炉水淬渣表面积大、多孔可通过物理吸附去除氨氮在成分调控方面高炉水淬渣含有能与水中的某些胶体粒子凝聚的化学成分如、具有化学吸附能力并且水渣滤料可溶出碱性物质缓冲 值利于硝化细菌的生长与繁殖运行 周后新型水渣滤料对氨氮的去除率可达以上优于陶粒改性水渣滤料通过在烧结水渣滤料上覆盖金属氧化物改性 在结构调控方面 比表面积增 至./对氨氮去除率为.优于陶粒表面结构改变还增强了对磷的吸附和截留效果在成分调控方面改性水渣滤料表面的铁离子可与磷酸盐发生化学反应 去除率为.高于陶粒.双层或多层滤料及其应用双层滤料或多层滤料通过将两种或两种以上滤料分层铺用的方式优势互补具有更强的耐铵态氮冲击负荷能力更优的自养反硝化性能吸附性能提高曝气生物滤池堵塞风险降低脱氮除磷及去除藻类、能力提高 等以沸石和陶瓷为滤料底层的沸石在低温下受水力负荷影响氨氮去除率相对较低而顶层的陶瓷易于形成生物膜耐低温两者结合在正常负荷条件下进水氨氮浓度为./出水氨氮浓度为./氨氮去除率为 具有更强的耐铵态氮冲击负荷能力在铵态氮冲击负荷 后出水氨氮浓度维持在 /左右 等以硫和黄铁矿为滤料因上层的硫生物利用度较高硫自养反硝化()速率高于黄铁矿自养反硝化()速率但 不能去除 在 过程中产生的 加速了 的去除两者结合当溶解氧()浓度为./时、分别低于./等以硫和煅烧黄铁矿为滤料下层的煅烧黄铁矿的比表面积为./孔径为.自养反硝化性能优于黄铁矿且煅烧黄铁矿自养反硝化第 期郝添翼等:曝气生物滤池滤料改进研究()与硫自养反硝化()联合进一步提高了自养反硝化性能在整个运行期间 浓度稳定在./过程中产生的 能去除 当 浓度./时 浓度./郑广宁等以活性炭和沸石为滤料上层的活性炭作为非极性吸附剂能吸附水中大部分的有机物但是对极性物质吸附效果差而下层的沸石能去除水中的极性物质沸石还具有离子交换和硝化作用较强的耐有机负荷和氨氮负荷冲击的能力两者结合 为 气水比为 时对低、中、重度污染模拟景观水中 的去除率分别为.出水浓度稳定均低于 /氨氮的去除率分别为.出水浓度均稳定低于./等以沸石、粒状活性炭()、悬浮生物载体()为滤料用作曝气生物滤池预处理含藻类的原水上层的悬浮生物载体拦截藻类细胞减少进入沸石和粒状活性炭的藻类数量降低曝气生物滤池堵塞的风险有利于去除藻类中间层的沸石主要用于吸附 和 底层的粒状活性炭主要用于硝化作用和有机物的生物降解在藻类细胞浓度高达./情况下经长期处理多层滤料对藻类细胞、和 的平均去除率为.等以聚苯乙烯()和二氧化硅颗粒为滤料聚苯乙烯颗粒密度为 /比表面积为 /直径为.有利于形成生物膜和过滤悬浮颗粒底部的二氧化硅颗粒用于提高去除悬浮固体()的效率两者结合对、去除率分别为 结论与展望通过分析曝气生物滤池滤料的结构特征和成分组成以及滤料对污染物去除效果和去除机制主要结论如下()改性沸石滤料通过结构调控、成分调控、结构与成分复合调控提高硝化、吸附和沉淀性能改性陶粒滤料通过结构调控提高脱氮除磷和去除、效果新型单层滤料通过使用结构调控、成分调控、结构与成分复合调控三种方式实现脱氮除磷和去除、能力的提高新型双层或多层滤料将两种或两种以上的传统滤料或新型单层滤料分层铺用优势互补脱氮除磷及去除藻类、能力提高()曝气生物滤池中滤料对氨氮的去除主要是通过滤料的吸附、微生物的吸附和硝化反硝化作用实现的曝气生物滤池中依然以化学除磷为主生物除磷尚难实现滤料是曝气生物滤池的重要组成部分如何通过对滤料改性或开发新型滤料的方式最大限度发挥其作用制备具有吸附、沉淀、硝化等作用的多功能滤料同步脱氮除磷高效率脱氮除磷是值得深入研究的课题从节约资源、保护环境的角度出发废弃资源循环利用制备价廉、高效、绿色滤料是未来曝气生物滤池滤料发展的一大趋势探究曝气生物滤池中滤料去除污染物的微观机制针对性分析滤料对不同类型污染物的去除方式对滤料的改性、新型滤料的开发及滤料的实际应用具有重要的指导意义参考文献:桑军强王占生.在微污染源水生物预处理中的应用.中国给水排水():.王印陶梦妮左思敏等.城镇污水厂尾水处理技术应用研究.应用化工():.李俊李芬芬何彩彩等.生物处理技术去除难降解有机物的研究进展.应用化工():.王宇航刘雪梅陈嘉玮等.一体化 深度处理生物柴油废水.应用化工():.杨文杨云龙杨学.投加优势菌深度降解焦化废水的试验研究.工业用水与废水():.吴火焰汪永辉.曝气生物滤池处理印染废水挂膜启动研究.工业用水与废水():.熊顺华管凛荆肇乾等.粉煤灰基质滤料生物过滤处理生活污水研究.环境科学与技术():.()/.():.().(/):.().(/):.薛侨黄雷王郑等.轻质滤料在水处理中的应用研究进展.应用化工():.应用化工第 卷 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