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臭氧一曝气生物滤池深度处理组合工艺研究

摘要:采用臭氧一曝气生物滤池(Biological areated filter,BAF)工艺对某城市污水处理厂二级生化处理出水进行深度处理。结果表明,在进水COD25-35mg/L、色度为15-30 ,浊度约为8NTU的条件下,当臭氧投加量为5-6mg/L , BAF 的水力停留时间为1-1.5h时,出水COD<30mg/L、色度<5、浊度<1 NTU,出水水质可满足生产工艺对回用水的水质要求。
    关键词:二级出水  深度处理  臭氧  曝气生物滤池
    北京是一个严重缺水的城市,水资源短缺已经成为制约北京经济协调发展的重要因素之一。污水再生利用是解决水资源短缺问题的有效途径,也是满足水资源可持续利用重人需求的有力保障川。开发经济有效的深度处理工艺,对再生水中的污染物进行有效的去除,并对上艺全过程进行评价,对保证人体健康安全和生态环境安全具有重要意义。

    传统的深度处理方法包括:混凝/沉淀/过滤、膜过滤、曝气生物滤池(BAF)、臭氧氧化等。混凝/沉淀/过滤法难以有效去除呈高分散系(粒径为0.05一1.5nm)的有机物;膜过滤法的投资和运行费用均较高,且一旦堵塞清洗困难;曝气生物滤池虽然高效,但无法去除难生物降解有机物;单独臭氧化的费用较高,且臭氧氧化只能将大部分大分子有机物氧化为小分子有机物,而不能将有机物彻底去除。

    城市污水中含有的PPCPs等污染物,经二级生化处理后仍有残留,简单的过滤很难将此类物质去除,故不宜采用膜过滤法作为深度处理工艺:同时考虑到水质要求,混凝/沉淀/过滤工艺无法使出水水质达到回用水的水质要求。本研究采用臭氧一曝气生物滤池组合工艺对某城市污水厂二级生化处理出水进行深度处理,利用臭氧预氧化去除色度、浊度和部分COD,并提高废水的可生化性,后续采用占地面积小、出水水质好、不会发生污泥膨胀的BAF,以期在较低的处理费用下获得合格的回用水质。
    一、实验装置和方法
    1、、试验装置
    试验装置如图1所示。
    臭氧发生器为****CF-G-2-500G型号,产气量为500g/h,出气口浓度为20-30g/m3,通过微孔曝气板进行曝气。臭氧反应塔尺寸为1000*7000,容积4.8m3,水流量为20t/h。上流式曝气生物滤池尺寸为1000mmX1800mmX4000mm,填料选用粒径为2--5mm的膨胀粘土。
    2、进水水质
    臭氧氧化一曝气生物滤池工艺进水水质如表1所示。
    3、分析方法
    在本研究中,水质分析方法参照中国国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法(第四版)》标准分析方法。臭氧反应器进气臭氧浓度由紫外臭氧检测器测定,反应器出日浓度采用碘量法,臭氧消耗量为进气浓度与尾气浓度及水中残余浓度之差。
    二、结果与讨论
    1、臭氧氧化过程对COD的去除
    臭氧对污水厂二级出水的COD的去除效果见图2,随着臭氧投加量由2mg/L增加到10mg/L时,COD的去除率逐渐上升,臭氧能将部分结构复杂有机物氧化为结构相对简单的有机物,但不能将其完全矿化,从而减少了COD检测过程中氧化剂的使用量。投量为4mg/L时,臭氧对COD的去除率为33.9%,当投加量增加到6mg/L之后,去除率稳足在40%左右,不再增加。
    2、臭氧对UV254的去除
    紫外消光度UV254是反映水中能吸收紫外光的有机物的一个综合指标。水中不少的有机物在254nm处都有一定的吸收值,如含不饱和键的有机物、含氮有机物等。一般认为UV254代表带有不饱和双键和苯环的有机物,它们对紫外光有较强的吸收。由于臭氧优先攻击不饱和键,因而臭氧对UV254具有较好的去除效果,当臭氧投加量增大时,UV254的去除率也随之增大。由于UV254表征的主要是芳香化合物或含有不饱和键类有机物,而臭氧的强氧化性较易使这类物质其具有的不饱和键断裂,故臭氧投加量对UV254去除效果有明显的影响。如图3所示,6mg/L的臭氧即可去除50%的UV254,继续增加臭氧投量,UV254去除率趋于平缓,这说明当臭氧投加量在6mg/L时水中可被氧化的芳香族化合物或含有不饱和键类有机物基本己经反应完全。但这并不意味着大分子有机物己经完全矿化。氧的氧化能力虽然比氯强,氧化程度却很难达到完全矿化,过程中对紫外光有强吸收性的大分子往往被氧化成小分子。
    3、对色度的去除
    水的色度主要比l溶解性有机物、悬浮胶体、铁锰和颗粒物引起,其中光吸收和散射引起的表色较易去除,溶解性有机物引起的真色较难一去除。致色有机物的特征结构是带双键和芳香环,代表物是腐殖酸和富里酸。
    臭氧氧化脱色效果如图4示,结果表明,臭氧对色度有显著的去除效果,2mg/L的臭氧量可去除75%的色度,并将色度降至5mg/L,继续增加臭氧的投加量,色度的降低趋缓。再继续增加臭氧投加量和延长接触反应时间对于脱色来说已经没有意义。这是由于臭氧氧化改变或破坏了致色物质发色基团和助色基甘l达到脱色的效果。
    4、对污水可生化性的影响
    在污水中,存在着各种有机物和无机物,大部分为有机物,部分为无机物,被微生物作为营养加以利用,使微生物获得需要的能量和合成新的细胞,这些被微生物利用的物质称为底物:底物降解在污水处理中具有十分重要的意义,如果污水中的底物是一可降解的,说明该污水采用生物处理法进行无害化处理是可行的。
    评价污水处理的可生化性有很多方法,蕞简单的方法是用BOD、COD之间关系简单评价。BOD与COD是污水处理中蕞基本的指标,BOD简称生化需氧量。可间接地反映能为微生物分解的有机物的总量,BOD为5天的生化需氧量:COD简称化学需氧量,它是在高温有机催化剂及强酸环境下,强氧化剂氧化有机物所消耗的氧的量,所用的氧化剂为重铬酸钾,记作COD。由于这个反应不受有机物是否能为微生物分解的影响,能够氧化微生物无法分解氧化的有机物,所以COD比BOD值高。
    臭氧氧化对水中有机物可生化性的影响如图5所示,二级处理出水经过传统生物处理后BOD值较低,为4一6mg/L,大量的研究结果表明,具有饱和结构的有机物容易升华降解,而具有非饱和构造的有机物不易生化降解。臭氧氧化优先攻击不饱和键导致水中具有紫外消光性的物质显著减少,此外臭氧将大分子氧化成结构相对简单的小分子醛类和梭酸类物质,从而提高了出水的可生化性。BOD/COD蕞初的0.12增大到0.19,在投量为10的时候达到0.24,表明可生化性得到显著提高,继续增加臭氧投加量可生化性不再发生明显变化。继续增加臭氧投加量导致BOD呈砚缓慢下降的趋势,这可能是主于臭氧氧化过程中产生的易被土物代谢的小分子有机物在过量臭氧存在的条件下被进一步的氧化矿化导致BOD出现下降。
    5、组合工艺对有机物(COD)的去除
    在BAF之前增加预臭氧工艺,以强化对有机物的去除效果。组合工艺对COD的去除如图6所示。
    臭氧氧化对COD的去除率约为25.8±6.3%,BAF对COD的去除率约为20.9±8.7%。可知,增加预臭氧工艺之后,可以显著的提高有机物的去除率。
    作为再生水水质的关键指标,联合工艺对色度具有良好的去除效果,进水色度25-40,出水色度维持在5度以下。对色的的去除主要是臭氧中臭氧单元的作用。
    三、结论
    1、臭氧氧化能有效去除水的COD.  UV254和色度,投量为6mg/L时,COD、UV254和色度去除率分别为33.9%、50%和75%。
    2、臭氧氧化能显著增加BOD/DOC比值,提高有机物的可生化性,有利于后续生物处理。6mg/L的臭氧可将二级出水的BOD由3.6mg/L提高到4.8mg/L,BOD/COD蕞初的0.12曾大到0.19在投量为10的时候达到0.24,表明可生化性得到提高,继续增加臭氧投加量可生化性不再发生明显变化。
    3、臭氧+曝气生物滤池+砂滤池组合工艺可以有效的降低出水的有机物和浊度。运行稳定时,工艺对COD的去除率为28%;对于较高氨氮浓度的二级出水,其氨氮的去除率可达90%以上;出水浊度基本稳定在3NTU以下。在臭氧氧化和生物处理组合工艺中,考虑到臭氧氧化的目标和经济运行费用,臭氧氧化蕞佳设计运行参数建议为臭氧消耗量6mg/L臭氧接触氧化时间5-10min。


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