生物活性炭(PACT)工艺研究

2017-03-15 05:46:46 1

  1 引言

  生物活性炭法(PACT)是指将粉末活性炭投加到好氧系统的回流污泥中,通过含炭污泥中粉末活性炭(PAC)与活性污泥中微生物的相互作用,提升对废水中污染物的去除效果.目前较多应用在印染废水、化工废水、垃圾渗滤液的处理中.研究表明,PACT工艺的促进机理主要在于系统内“吸附-降解-再生-再吸附”的协同作用,涉及到复杂的吸附与生物降解同步作用过程,因此在具体微观机理和动力学模型方面仍有研究空间.此外,对PACT工艺的宏观生物强化效果,也缺乏全方位的表征,使得PACT工艺在实际运行中缺乏相应的针对性.

  本文以印染园区实际综合废水为处理对象,主体处理工艺为水解酸化+A2/O工艺,通过平行对比A2/O与A2/O(PACT)中试运行效果,从常规处理指标(尤其是低温运行条件下)入手对比PACT工艺的强化作用,再通过毒性、重金属指标、GC-MS、紫外-可见光光谱等表征手段,重点研究PACT系统的生物强化特性,探讨PACT工艺的主要作用目标和规律.本研究对深入理解PACT工艺作用机理、提高PACT作用效率以及实现园区综合废水的有效处理,具有较大的借鉴意义.

  2 材料与方法

  2.1 实验水样及材料

  实验以苏南某印染废水为主(印染废水占85%,化工废水占10%,生活污水占5%左右)的园区集中污水处理厂水解酸化处理出水为试验对象(进水).由于进水水质不尽相同,因此其具体水质指标见相应实验结果.

  粉末活性炭为100目木质炭(溧阳东方活性炭厂),经检测(ASAP2010,Micromeritics,美国),该粉末活性炭的内部性质为:BET 比表面积532.26 m2 · g-1,微孔(<2 nm)体积0.1 cm3 · g-1,中孔(2~50 nm)体积0.449 cm3 · g-1,平均孔径3.8 nm.

  2.2 实验装置及运行条件

  本研究的实验装置如图 1所示.

  图 1 实验装置结构图

  中试实验装置含A2/O反应器以及二沉池,其中A2/O反应器有机玻璃材质,有效容积为1.0 m3. 二沉池为竖流式沉淀池,表面负荷0.63 m3 · m-2 · h-1. A2/O反应器实验装置内分5格,HRT比为2 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 1,其中前二格可以实现回流及搅拌,形成A2/O反应器.

  运行条件:废水处理量1.0 m3 · d-1,即系统HRT=24 h.污泥回流和硝化液回流比均为100%.根据之前的实验结论,PACT工艺中粉末活性炭的投加量为100 mg · L-1,分两次均匀干式投加,总投加量为100 g · d-1.启动时活性污泥投加量为1500 mg · L-1(MLSS当量),污泥MLSS超过4000 mg · L-1时适当排泥.装置运行时溶解氧控制在3.0 mg · L-1.除特殊说明外,实验条件均为常温,检测数据为1个月平均值.

  2.3 实验与分析方法

  总有机碳的检测仪器为岛津TOC-V CPH.毒性的检测使用仪器为deltaTOX,仪器可以精确检测光子数来推断发光细菌存活量,其中光损失数代表水样的毒性(详见表 1).金属离子含量的检测采用电感耦合等离子光谱(ICP-AES),型号J-A1100.

  表1 光损失数与毒性关联性

  采用GC-MS检测废水中所含有机物,仪器型号及具体检测方法参考相关文献报道.

  紫外-可见吸收光谱仪型号为岛津UV-2201.分子量测试采用凝胶渗透色谱(GPC)方法进行测试,仪器:Waters 515型凝胶色谱仪,Waters 2410示差折光检测器,标准品:聚乙二醇(PEG).柱子:Waters Ultrahydrogel 500和Ultrahydrogel 120两柱串联(7.8 mm×300 mm);流动相:0.1 mol · L-1硝酸钠水溶液;流速:0.8 mL · min-1;进样量:50 μL; 柱温:40℃.

  采用扫描电镜(S-3400N II,Hitachi,日本)对实验中相关活性污泥进行表征.

  其他实验分析指标中,包括MLSS、COD等均按照国标法进行测试.

  3 结果和讨论

  3.1 常规指标去除效果

  从反应器常规运行角度出发,比较了投加粉末活性炭前后A2/O反应器处理效果的变化,具体见表 2.

  表2 A2/O与A2/O(PACT)对常规指标的去除效果对比分析

  由表对比可知,PACT工艺对COD去除率的提升超过10%,同时在色度去除方面具有较高的强化作用,但在氨氮、总氮和总磷的强化去除方面,PACT系统的促进效果均不明显.通过计算,在实际处理浓度较低的综合印染废水水解酸化出水时,PACT的处理效果可以达到0.6~1.0 kg · kg-1活性炭.此外,活性炭的投加对生化系统污泥的形态也有促进效果,可以有效降低SVI指数,控制污泥膨胀.

  在此基础上,重点考察了低温条件下(10℃以下)A2/O反应器的长期稳定运行效果,尤其是在粉末活性炭投加前后对COD的去除效果对比,具体见图 2(横坐标为实验日期).

  图 2 不同条件下A2/O系统对COD去除情况

  表3 不同条件下的COD去除效果(平均值)

  在进入低温运行条件后,由于园区企业整体的前端预处理效果变差,导致进水COD猛增,原水的平均值达到378.34 mg · L-1,水解酸化作用也由于 受气温的影响,效率大大降低,对COD的去除率只有31%,低于常温条件下的37.4%,导致后续A2/O对COD的去除率不高,仅为43%.但对比PACT工艺,在进水和水解酸化效率相差不大的情况下,由于在A2/O中添加了粉末活性炭,强化了生化作用,其对COD的去除率达到55.8%.这也表明在低温条件下,投加粉末活性炭可以有效提高A2/O系统处理效果的稳定性,相关文献也有类似报道.

  3.2 毒性及重金属指标检测

  A2/O与A2/O(PACT)出水TOC、毒性、BOD5/COD的对比检测结果如表 4所示.

  表4 A2/O与A2/O(PACT)毒性去除效果对比分析

  对比可知,废水经过水解酸化之后具有较高的毒性,说明水解酸化环境不适合发光细菌生存.A2/O处理之后,有毒物质基本被去除殆尽,因此出水基本没有毒性,而投加活性炭的A2/O(PACT),其出水毒性更低,同时TOC和B/C也更低,从另外一个角度证明了A2/O(PACT)对生化降解的强化作用.

  A2/O与A2/O(PACT)对废水中金属离子的去除效果对比如表 5所示.

  表5 A2/O与A2/O(PACT)金属离子去除效果对比分析

  结果表明:废水中Cd、Co、Cr、Pb等重金属均未检出,表明印染废水中重金属离子含量较低.而对比A2/O(PACT)的结果表明,PACT工艺对金属离子的去除并无明显的强化作用.

  3.3 GC-MS分析

  GC-MS检测过程的总离子流图见图 4,进水中总计检出32种有机污染物,其中烷烃及氯代烷烃类7种,烯1种,醚2种,酯4种,醇4种,苯及苯胺类9种,杂环类3种,酸类2种,经过A2/O处理后,有机污染物得到有效的处理,表 5中罗列了部分检出的具可比性的关键有机污染物.

  由表 6可知,经PACT生物强化之后,A2/O(PACT)出水中有机物明显减少,尤其对苯胺、萘以及杂环类(喹啉)物质的去处效果更佳,明显优于常规A2/O工艺.这与粉末活性炭的吸附功能息息相关(Imai et al., 1995;Orshansky et al., 1997).此外,水解酸化之后废水中含胺类物质很多,说明印染废水含氮染料得到有效降解,这与印染废水性质相吻合.

  表6 A2/O与A2/O(PACT)特征有机污染物去除效果对比分析

  图 3 水样GC-MS总离子流图

  3.4 紫外-可见光光谱扫描

  对A2/O和A2/O(PACT)出水进行UV-VIS光谱扫描,检测结果如图 4所示.

  图 4 UV-VIS全波段扫描对比图

  结果表明:全波段吸光强度的基本趋势进水>> A2/O> A2/O(PACT).对比投加粉末活性炭前后的光谱可知,A2/O(PACT)在谱图上显示有明显的强化去除效果,尤其是在250~300 nm吸光段,这些均反应到显色有机物的去除上,与常规分析相吻合.

  此外,UV-VIS光谱在465 nm(E4)和665 nm(E6)处的吸光度单独列出,对比E4/E6,其值如表 7所示.

  表7 UV-VIS光谱在465 nm(E4)和665 nm(E6)处的吸光度比值

  E4/E6的值正比废水中分子量大小(Chin et al., 1994).检测结果体现为随着生物强化处理的深入,大分子量的有机物越来越少,说明大分子物质(染料类,显色物质等)存在强化降解的过程,相比之下,A2/O(PACT)对这些物质的去除效果更好.

  3.5 分子量分布检测

  GPC的测试结果表 8所示.

  表8 A2/O与A2/O(PACT)出水分子量分布对比分析

  废水在检测中均检出2峰.经过分析可知,废水中的物质分子量集中在500~1000 Da,比例超过60%,对比进水的分子量分布,A2/O处理后,由于形成一些难降解的高分子有机物如类腐殖质、胞外聚合物等,所以高分子量部分(>800 Da)略有升高,低分子量部分(<100 Da)略有降低,但幅度不大.而对比A2/O和A2/O(PACT)出水可知,800~1000 Da部分的大分子物质有所降低,说明高分子的显色有机物得到更有效的去除,这与E4/E6检测结果相吻合.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  3.6 污泥镜检及SEM检测

  通过镜检考察PACT工艺对A2/O反应器中生物相的影响.研究表明:A2/O与A2/O(PACT)中的生物相基本类似,均检测出钟虫、草履虫、轮虫等微生物.此外,在A2/O(PACT)还检出红斑顠体虫(图 5b,照片中黑点为粉末活性炭),而在A2/O中未检出,说明A2/O(PACT)的生物相更好,从侧面也反应出其对污染物的去处理效果更好.

  图 5 好氧池中的生物相(a.轮虫,b.红斑顠体虫)

  为更深入对比污泥形态,通过SEM对比A2/O中的活性污泥和A2/O(PACT)中的含炭污泥,结果如图 6所示.由图可知:

  图 6 A2/O中的活性污泥(a)和A2/O(PACT)中的含炭污泥(b)

  1)A2/O和A2/O(PACT)中的活性污泥层次明显,菌种含量较多,里面有很多丝状细菌连接,通透,呈现一种复合网状结构.

  2)相比之下,A2/O(PACT)污泥结构更为松散,菌种含量更多,面除了壳状的钟虫,还有很多丝状细菌,链状球菌.

  3)投加在活性污泥中的活性炭,在可见的条件下,表面均附有一些微生物,PACT系统中活性炭上覆盖较多的微生物,钟虫、丝状菌均可以将粉末活性炭作为载体进行固定,以此体现强化生化降解效果.

  4 结论

  1)PACT生物强化作用主要体现在COD的去除方面,对于印染废水水解酸化处理出水,COD的强化去除效率提升超过10%.此外,PACT系统在色度的去除以及对污泥沉降性能的提升方面,均有较好的强化效果.在低温条件下,投加粉末活性炭可以有效提高系统处理效果的稳定性.

  2)相比A2/O,A2/O(PACT)在特征有机物的去除方面具有更好的效果,尤其对苯胺类、萘类和杂环类物质,具体也体现到毒性的去除上,但PACT作用对金属离子的去除并无突出的强化作用.

  3)紫外-可见光光谱检测结果证实PACT工艺对色度去除的强化作用,其主要体现在大分子物质(染料类,腐殖类显色物质等,分子量分布在800~1000 Da)的去除上.

  4)A2/O(PACT)具备更好的生物相,SEM照片表明PACT污泥立体网状结构更明显,并附着大量丝状细菌和微型动物,证明PACT强化作用主要体现在粉末活性炭的生物载体作用.

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