孙晓杰, 李 倩, 吴燕华, 王春莲, 郭静晗

(1.桂林理工大学 a.环境科学与工程学院; b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室; c.岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心; d.广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地, 广西 桂林 541006; 2.贺州市固体废弃物与危险化学品环境管理中心, 广西 贺州 542800)

近年来, 污水处理的提质增效已成为城镇污水治理行业发展的重要需求。活性污泥法作为现今应用最广的污水处理工艺, 对污水中有机物、氨氮等污染物具有很好的去除效果[1-2]，但活性污泥系统运行过程中也存在着污泥活性低、沉降性能差和COD去除效果不稳定等问题[1]。因此, 对既有的污水处理工艺进行大力优化, 从根本上提高城镇生活污水处理效果[3-4]亟待解决。

污水排放量的显著提升引起了其副产物污泥量的增加。目前的研究主要集中在污水处理, 而对污泥处理的研究较少，使得污泥处理技术显著落后于污水处理, 造成资源的浪费。污泥的处置方式主要有填埋、焚烧、堆肥和综合利用, 到2020年底, 其占比分别为34%、25%、21%和20%。尽管污泥填埋占比最大，但由于土地缺乏并增加了污染负荷，因此逐渐受到限制[5]。虽然焚烧可以减少污泥体积、破坏有毒有机物的组成，同时可以节省能源，成为一种污泥处置的有效方法[6]，但是单独的污泥焚烧由于低热值和高含水率，处置不稳定[7]。研究表明，添加煤粉可以提高污泥热值和降低含水率[8]，从而改善污泥焚烧。

煤粉因其具有较大的比表面积和复杂的孔隙结构, 可以提供较大的微生物附着表面, 在污水处理中有利于有机物的吸附和降解，而被研究者用于污水处理：王登月[9]利用煤粉预处理芳烃石化废水显著降低了有机物浓度和色度；徐宏祥[10]采用煤粉吸附法深度处理焦化废水, 通过投加煤粉120 g/L可使COD去除率达到60%；孙浩[11]使用煤粉深度处理焦化尾水, 结果表明投加煤粉40 g/L可使COD去除率达到75.66%；康泽龙[12]投加1.5 g/L煤粉到MBR中显著降低了COD、氨氮的出水浓度。课题组前期研究了煤粉投加到活性污泥中形成煤粉活性污泥处理生活污水[13], 初步研究结果显示，煤粉活性污泥可以显著提高污水处理效果并增加污泥热值, 有利于污泥燃烧。基于上述研究, 本试验探讨煤粉粒径对SBR系统中污染物去除的影响,以期为优化煤粉活性污泥处理城镇污水的参数提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验驯化阶段的反应器(图1)直径为35 cm, 高度为60 cm, 反应液用量为20 L。污水处理阶段的小型反应器直径为15 cm, 高32 cm, 反应液用量为3 L。试验周期为6 h, 其中，曝气4 h, 沉淀1 h, 出水静置1 h。反应器采用底部鼓风的曝气方式供氧。活性污泥取自桂林市某污水处理厂的曝气池。所用的煤粉来自煤制品加工厂, 煤粉粒径小于0.5 mm。使用标准分样筛对煤粉进行分筛, 获得粒径0.280～0.180、0.180～0.154、0.154～0.125、0.125～0.106和<0.106 mm的煤粉, 在温度为105 ℃下烘干2 h后冷却, 密封储存待用。

图1 SBR反应器装置示意图

1.2 试验运行阶段

接种前对污泥进行为期1～2 d闷曝, 去除水中杂质, 之后逐渐增加有机负荷，对污泥驯化30 d。最终在进水COD约400 mg/L, 氨氮约40 mg/L 的条件下, 去除率分别达到97.81%和70%以上, 认为污泥驯化成功。反应器按照进水—曝气—沉淀—排水—闲置的工况运行，分别设5个平行装置, 投加0.4 g/L的煤粉, 煤粉粒径分别为0.280～0.180、0.180～0.154、0.154～0.125、0.125～0.106及<0.106 mm。整个试验过程中溶解氧在曝气阶段维持在2～4 mg/L, 污泥浓度(MLSS)大约为4 000 mg/L。

1.3 试验用水

1.4 监测指标及分析方法

2 结果与讨论

2.1 煤粉粒径对出水效果的影响

2.1.1 化学需氧量COD 由图2a可知, 随着煤粉粒径的减小, 煤粉活性污泥出水COD平均浓度表现为先降低后缓慢趋于稳定。当平均进水COD浓度为416.50 mg/L时, 在煤粉粒径为0.280～0.180、0.180～0.154、0.154～0.125、0.125～0.106和<0.106 mm时, COD平均出水浓度分别为38.97、34.58、29.29、28.83和27.61 mg/L, 平均COD出水浓度均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A排放标准, 平均去除率分别为90.63%、91.68%、92.96%、93.07%和93.35%。随着煤粉粒径的增大, 去除率降低, 原因可能是煤粉粒径较大时, 与活性污泥接触面积较小, 不利于与活性污泥絮体充分接触及促进微生物活性, 因此适当的煤粉粒径可以更好地与活性污泥接触并改善微生物的活性和代谢。

2.1.2 总磷TP 由图2b可知,随着煤粉粒径的减小,出水总磷平均浓度先降低后小幅度提升最后趋于稳定。当平均进水总磷浓度为7.90 mg/L,在煤粉粒径为0.280～0.180、0.180～0.154、0.154～0.125、0.125～0.106和<0.106 mm时,平均出水总磷浓度分别为0.49、0.37、0.20、0.27和0.27 g/L, 平均总磷出水浓度均可达到GB 1898—2002的一级A排放标准, 平均去除率分别为93.84%、95.27%、97.41%、96.65%和96.65%。在煤粉粒径0.154～0.125 mm的条件下, 出水总磷平均浓度最低和去除率最高。因此, 选择粒径0.154～0.125 mm的煤粉活性污泥对总磷的去除效果较好。

2.1.3 总氮TN 由图2c可知,总氮平均出水浓度随着粒径的减小而逐渐降低,当平均进水总氮浓度为42.75 mg/L,煤粉粒径为0.280～0.180、0.180～0.154、0.154～0.125、0.125～0.106和<0.106 mm时, 平均出水总氮浓度分别为13.64、13.48、12.77、12.37和12.31 mg/L, 均可达到GB 1898—2002的一级A排放标准, 平均去除率分别为68.12%、68.53%、70.13%、71.12%和71.24%。在粒径0.125～0.106 mm时平均总氮出水浓度和去除率开始逐渐平稳。

图2 不同煤粉粒径下COD(a)、总磷(b)、总氮(c)和氨氮(d)的出水浓度和去除率

2.2 污染物去除过程中煤粉的作用机理

煤粉活性污泥对污染物的去除有明显提高, 为了明确污染物随时间的变化情况, 监测了煤粉粒径为0.154～0.125 mm条件下SBR反应器单周期内污染物的转化过程。由图3可知, 进水COD、总氮、氨氮和总磷浓度分别为419.94、40.68、38.25和8.54 mg/L的情况下, 经过0.5 h曝气后, 出水COD、总氮、氨氮和总磷浓度迅速下降至128.12、19.41、18.47和5.69 mg/L。分析原因, 可能是煤粉活性污泥反应器内煤粉较大的比表面积有利于微生物附着, 使其进行有机物的吸附和分解; 煤粉的孔状结构创造了缺氧环境, 抑制了煤粉活性污泥反应器内异养好氧菌的生长繁殖及其活性, 减少了其对DO的竞争，同时煤粉促进气水接触更加充分，进而促使氨氮被迅速吸附氧化[14]。在整个曝气反应阶段, 持续曝气使得聚磷菌的活性和能量均逐渐提升, 因此对磷的吸附降解能力也逐渐提高, 这可能是由于煤粉促进了聚磷菌对储能物质的代谢及吸取。曝气2 h至反应结束, COD出水浓度基本保持不变；在曝气2.5～4 h内, 氨氮、总氮和总磷浓度变化缓慢；曝气结束后, 煤粉活性污泥的出水COD、总氮、氨氮和总磷浓度分别降至15.70、13.13、2.64和0.31 mg/L。

图3 不同曝气时间COD、总磷、总氮和氨氮的出水浓度

3 结 论

煤粉粒径对SBR系统的处理效果有重要影响。在本试验煤粉粒径范围内, 随着粒径的减小, 出水COD、氨氮、总氮和总磷浓度基本上呈下降趋势。由于煤粉粒径越小, 制造成本越高, 结合试验结果, 本研究认为选择粒径0.154～0.125 mm的煤粉投加到污水处理系统中较为合适。在此条件下, COD、氨氮、总氮和总磷的平均去除率分别是92.96%、91.71%、70.13%和97.41%, 平均出水浓度分别为29.29、3.39、12.77和0.20 mg/L, 均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准。