Advances in Environmental Protection 环 境 保 护 前 沿, 2014, 4, 47-52 Published Online December 2014 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/aep http://dx.doi.org/10.12677/aep.2014.46b007 Research of Gray Water Treatment with Moving Bed Biofilm Reactor Tingting He, Jingwei Gao, Jing Li, Li Feng, Liqiu Zhang * Beijing Key Lab for Source Control Technology of Water Pollution, Beijing Forestry University, Beijing Email: * 965927179@qq.com Received: September 2014 Abstract In this paper, the performance of using moving bed biofilm reactor (MBBR) treating gray water was investigated. And the effects of hydraulic retention time (HRT), suspended filler filling ratio, volume loading on the removal rates of pollutants in MBBR were also studied. The results showed that the influent parameters of simulated gray water were as follows: COD was about 100-200 mg/l, NH 3-N was about 25 mg/l, TN was about 30 mg/l TP was 4-5 mg/l. The appropriate operational parameters were determined as HRT of 2 h, suspended filler filling ratio of 30%~40%, volume loading of 1.25-3.84 kg COD/(m 3 d). Under above conditions, the removal rates of COD, NH 3-N in stable stage reached high level more than 90%. The removal efficiencies of TN and TP were 40% and 30%~40% respectively. The effluent of MBBR can meet the water quality standard for urban miscellaneous (GB/T18920-2002). Keywords Moving Bed Biofilm Reactor, Gray Water, Suspended Filler Filling Ratio, Miscellaneous Water 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 处 理 小 区 灰 水 的 试 验 研 究 * 赫 婷 婷, 高 靖 伟, 李 晶, 封 莉, 张 立 秋 北 京 林 业 大 学, 北 京 市 水 体 污 染 源 控 制 技 术 重 点 实 验 室, 北 京 Email: * 965927179@qq.com 收 稿 日 期 :2014 年 9 月 摘 要 本 文 采 用 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 (MBBR) 处 理 住 宅 小 区 灰 水, 探 讨 了 水 力 停 留 时 间 (HRT) 悬 浮 填 料 填 充 比 * 通 讯 作 者 47
容 积 负 荷 等 运 行 参 数 对 MBBR 反 应 器 除 污 染 性 能 的 影 响 试 验 结 果 表 明, 在 模 拟 灰 水 的 进 水 条 件 下 (COD 为 100~200 mg/l NH 3-N 约 25 mg/l TN 约 30 mg/l TP 为 4~5 mg/l),mbbr 工 艺 较 适 宜 的 参 数 范 围 为 :HRT 为 2 h, 悬 浮 填 料 填 充 比 为 30%~40%, 容 积 负 荷 为 1.25~3.84 kg COD/(m 3 d) 在 最 佳 参 数 范 围 条 件 下,MBBR 反 应 器 运 行 稳 定 后,COD 和 氨 氮 去 除 率 均 达 到 90% 以 上,TN 去 除 率 达 到 40% 左 右, TP 去 除 率 在 30%~40% 之 间, 出 水 水 质 能 够 满 足 城 市 杂 用 水 水 质 标 准 (GB/T18920-2002) 关 键 词 移 动 床 生 物 膜 反 应 器, 灰 水, 悬 浮 填 料 填 充 比, 杂 用 水 1. 引 言 灰 水 是 指 住 宅 学 校 或 办 公 室 等 场 所 排 出 的 未 被 粪 尿 污 染 的 生 活 污 水, 主 要 来 源 于 浴 室 洗 衣 房 以 及 厨 房 等 场 所 家 庭 中 所 产 生 的 灰 水 量 通 常 占 总 水 量 的 50%~80%, 一 般 为 75%( 体 积 比 ) 左 右 [1] 相 对 于 一 般 的 生 活 污 水, 灰 水 污 染 程 度 较 轻, 其 中 的 污 染 物 除 表 面 活 性 剂 (LAS) 外 都 是 天 然 物 质, 是 较 易 处 理 的 一 类 废 水, 其 回 用 的 可 能 性 和 安 全 性 都 是 最 大 的, 因 而 很 多 国 家 都 优 先 选 择 灰 水 作 为 污 水 回 用 的 原 水, 处 理 后 可 回 用 作 为 冲 厕 绿 化 车 辆 冲 洗 景 观 水 等 非 饮 用 水 [2] 灰 水 中 氮 磷 含 量 较 混 合 生 活 污 水 可 分 别 减 少 85% 和 80%, 降 低 了 污 水 的 处 理 难 度 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 (moving bed biofilm reactor, 简 称 MBBR) 是 一 种 新 型 高 效 的 污 水 处 理 设 施, 它 结 合 了 活 性 污 泥 法 和 生 物 膜 法 两 种 工 艺 的 特 点, 核 心 是 将 密 度 接 近 于 水 的 悬 浮 填 料 投 加 到 反 应 器 中 作 为 微 生 物 的 载 体, 填 料 在 曝 气 和 反 应 器 中 水 流 的 提 升 作 用 下 呈 流 化 状 态, 微 生 物 与 废 水 充 分 接 触 从 而 达 到 处 理 污 水 的 效 果 [3] 与 传 统 的 好 氧 处 理 工 艺 相 比,MBBR 工 艺 具 有 很 多 优 点, 如 不 易 发 生 堵 塞, 无 需 反 冲 洗 水 头 损 失 小, 有 机 负 荷 高, 耐 冲 击 负 荷 强, 便 于 扩 充 和 升 级, 脱 氮 效 果 好, 占 地 面 积 小, 一 般 不 需 要 污 泥 回 流 等 该 工 艺 广 泛 用 于 生 活 废 水 和 食 品 化 工 纺 织 炼 油 等 工 业 废 水 的 处 理 [4]-[8] 本 研 究 利 用 实 验 室 规 模 MBBR 处 理 住 宅 小 区 灰 水, 探 讨 进 水 水 力 停 留 时 间 (HRT) 悬 浮 填 料 填 充 比 容 积 负 荷 等 工 艺 参 数 对 MBBR 除 污 染 效 能 的 影 响, 以 确 定 MBBR 工 艺 处 理 住 宅 小 区 灰 水 的 最 佳 运 行 参 数 2. 试 验 材 料 与 方 法 2.1. 试 验 装 置 试 验 装 置 如 图 1 所 示 MBBR 反 应 器 由 有 机 玻 璃 制 成, 外 形 为 圆 柱 形, 有 效 体 积 约 为 2 L 污 水 由 蠕 动 泵 泵 入 反 应 器 中 试 验 所 用 悬 浮 填 料 的 密 度 接 近 于 水, 挂 膜 之 前 漂 浮 在 水 中, 挂 膜 之 后 悬 浮 在 水 中, 通 过 气 泵 给 反 应 器 内 的 微 生 物 供 氧, 并 使 得 附 着 生 物 膜 的 填 料 在 反 应 器 中 呈 有 规 律 的 循 环 流 动 状 态 本 实 验 采 用 的 悬 浮 填 料 材 料 为 聚 乙 烯, 为 圆 柱 型, 内 有 十 字 支 架, 外 表 面 有 棱 具 有 较 大 的 孔 隙 率 和 良 好 的 过 水 和 通 气 性 能, 不 易 堵 塞, 动 力 消 耗 低 2.2. 灰 水 水 质 实 验 所 用 灰 水 为 人 工 配 制, 以 蔗 糖 淀 粉 为 碳 源, 氯 化 铵 硝 酸 钾 磷 酸 二 氢 钾 为 氮 源 和 磷 盐, 尿 素 提 供 部 分 碳 源 和 有 机 氮 源 此 外, 还 投 加 少 量 微 量 元 素, 以 便 与 实 际 的 灰 水 水 质 更 为 接 近 模 拟 灰 水 水 质 指 标 见 表 1 2.3. 水 质 分 析 方 法 COD: 重 铬 酸 钾 法 ;NH 3 -N: 纳 氏 试 剂 分 光 光 度 法 ;TN: 碱 性 过 硫 酸 钾 酸 化 - 紫 外 分 光 光 度 法 ;TP: 48
Figure 1. MBBR system diagram 图 1. MBBR 实 验 装 置 简 图 Table 1. The quality of simulated gray water 表 1. 模 拟 灰 水 水 质 ( 单 位 :mg/l) 指 标 COD NH 3-N TN TP 浓 度 100~200 20~25 30 5 过 硫 酸 钾 消 解, 抗 坏 血 酸 钼 酸 铵 分 光 光 度 法 [9] 2.4. 反 应 器 启 动 与 挂 膜 MBBR 反 应 器 的 启 动 主 要 是 悬 浮 填 料 的 挂 膜, 为 加 快 启 动 过 程, 在 反 应 器 内 接 种 污 泥, 污 泥 取 自 于 北 京 市 清 河 污 水 处 理 厂, 开 始 时 采 用 密 闭 循 环 法, 投 入 接 种 污 泥 先 闷 曝 48 h, 使 污 泥 和 填 料 充 分 接 触, 再 连 续 进 入 配 置 的 模 拟 灰 水 (COD 200 mg/l), 开 始 以 小 计 量 进 水, 水 力 停 留 时 间 控 制 为 24 h, 运 行 一 周, 待 运 行 效 果 稳 定, 有 部 分 生 物 膜 出 现 时, 再 加 大 进 水 量 2.5. 实 验 方 案 MBBR 反 应 器 在 连 续 进 水 运 行 阶 段, 考 察 了 不 同 水 力 停 留 时 间 悬 浮 填 料 填 充 比 及 容 积 负 荷 条 件 下 废 水 COD NH 3 -N 的 去 除 效 果, 以 确 定 工 艺 的 最 适 宜 运 行 参 数, 并 在 最 适 宜 条 件 下,MBBR 对 COD NH 3 -N TN TP 的 去 除 效 果 3. 结 果 与 讨 论 3.1. 水 力 停 留 时 间 (HRT) 对 污 染 物 去 除 的 影 响 控 制 进 水 水 力 停 留 时 间 分 别 为 5 h 3 h 和 2 h,mbbr 反 应 器 对 COD 和 氨 氮 的 去 除 效 果 如 图 2 和 图 3 所 示 可 以 看 出, 由 于 HRT 由 24 h 改 变 至 5 h, 对 反 应 器 的 冲 击 较 大, 去 除 率 有 明 显 的 下 降, 稳 定 运 行 后,HRT 由 5 h 改 变 至 3 h,cod 去 除 率 随 HRT 的 减 小 略 有 升 高, 后 期 有 波 动,HRT 由 3 h 改 变 至 2 h, 去 除 率 出 现 小 幅 下 降, 但 依 然 保 持 在 89% 左 右 ; 硝 化 细 菌 的 生 长 周 期 较 长 [10], 因 此 一 开 始 对 氨 氮 的 去 除 率 处 于 较 低 的 水 平, 随 后 才 逐 渐 升 高,NH 3 -N 去 除 率 在 HRT 为 3 h 和 2 h 时 都 能 维 持 在 较 高 的 水 平 (90% 左 右 ) 综 上, 从 经 济 方 面 考 虑, 认 为 HRT 为 2 h 时 是 比 较 合 适 的 49
Figure 2. Effects of HRT on COD removal efficiency 图 2. HRT 对 COD 去 除 效 率 的 影 响 Figure 3. Effects of HRT on NH 3 -N removal efficiency 图 3. HRT 对 NH 3 -N 去 除 效 率 的 影 响 3.2. 悬 浮 填 料 填 充 比 对 污 染 物 去 除 效 率 的 影 响 悬 浮 填 料 填 充 比 是 MBBR 反 应 器 的 重 要 运 行 参 数 之 一 改 变 悬 浮 填 料 填 充 比 为 20% 30% 40% 和 50%, 试 验 结 果 如 图 4 和 图 5 所 示, 悬 浮 填 料 填 充 比 为 20% 时, 反 应 器 内 部 填 料 较 少, 单 个 填 料 附 着 生 物 量 过 多, 几 乎 填 满 了 填 料 的 所 有 空 隙, 不 能 进 行 正 常 的 基 质 交 换, 影 响 去 除 效 果 悬 浮 填 料 填 充 比 为 30%~40% 时, 反 应 器 的 运 行 效 果 最 佳, 填 料 上 附 着 有 足 够 的 生 物 量, 且 还 留 有 足 够 的 空 隙 便 于 固 液 气 三 相 的 充 分 接 触 混 合 和 碰 撞, 增 大 了 传 质 面 积, 提 高 传 质 速 率 [11], 能 使 COD 和 NH 3 -N 维 持 在 较 高 的 去 除 效 率 ; 填 充 率 为 50% 时, 部 分 填 料 会 堆 积 在 反 应 器 上 部, 不 能 均 匀 的 在 反 应 内 部 循 环 流 动, 传 质 效 果 较 差, 单 个 填 料 附 着 生 物 量 也 有 所 下 降,COD 和 NH 3 -N 去 除 率 也 比 30%~40% 时 降 低 3.3. 容 积 负 荷 对 污 染 物 去 除 效 果 的 影 响 保 持 HRT 为 2 h, 悬 浮 填 料 填 充 比 30%~40% 条 件 不 变, 调 节 进 水 COD 从 100 mg/l 到 300 mg/l, 经 计 算, 对 于 有 效 容 积 为 2 L 的 MBBR, 容 积 负 荷 变 化 范 围 为 1.25~3.84 kg COD/(m 3 d)[12], 图 6 为 进 水 容 积 负 荷 对 MBBR 反 应 器 去 除 COD 和 NH 3 -N 效 率 的 影 响 结 果 表 明,COD 去 除 率 随 在 容 积 负 荷 1.25~3.84 50
Figure 4. Effects of percent of suspended fillers on COD removal efficiency 图 4. 悬 浮 填 料 填 充 比 对 COD 去 除 效 率 的 影 响 Figure 5. Effects of percent of suspended fillers on NH 3 -N removal efficiency 图 5. 悬 浮 填 料 填 充 比 对 NH 3 -N 去 除 效 率 的 影 响 Figure 6. Effects of volume loading on COD and NH 3 -N removal efficiency 图 6. 容 积 负 荷 对 COD 和 NH 3 -N 去 除 效 率 的 影 响 kg COD/(m 3 d) 的 范 围 内 变 化 不 大, 稳 定 在 90% 左 右 ;NH 3 -N 去 除 率 在 容 积 负 荷 1.25~3.84 kg COD/(m 3 d) 范 围 内, 去 除 率 达 到 较 高 水 平 (90% 以 上 ) 51
Figure7. Removal efficiency of MBBR reactor 图 7. MBBR 反 应 器 除 污 染 效 能 3.4. MBBR 反 应 器 除 污 染 效 能 控 制 HRT = 2 h, 悬 浮 填 料 填 充 比 为 30%~40% 的 情 况 下, 稳 定 运 行 MBBR 一 段 时 间, 监 测 出 水 COD NH 3 -N TN TP, 结 果 如 图 7 所 示, 出 水 水 质 稳 定, 能 够 满 足 城 市 杂 用 水 水 质 标 准 (GB/T18920-2002) 4. 结 论 1) MBBR 处 理 小 区 灰 水 有 良 好 的 效 果 当 进 水 COD 为 100~200 mg/l,nh 3 -N 约 25 mg/l TN 约 30 mg/l TP 为 5 mg/l,mbbr 工 艺 较 适 宜 的 参 数 范 围 为 HRT 为 2 h, 悬 浮 填 料 填 充 比 为 30%~40%, 容 积 负 荷 2) 在 最 佳 参 数 范 围 条 件 下,MBBR 反 应 器 运 行 稳 定,COD 和 氨 氮 去 除 率 均 达 到 90% 以 上,TN 去 除 率 达 到 40% 左 右,TP 去 除 率 在 30%~40% 之 间, 出 水 水 质 能 够 满 足 城 市 杂 用 水 水 质 标 准 (GB/T18920-2002) 基 金 项 目 国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 (2014ZX07305003) 参 考 文 献 (References) [1] 王 少 勇, 陈 洪 斌 (2007) 灰 水 处 理 与 回 用 进 展. 中 国 沼 气, 25, 5-9. [2] 于 凤 (2007) 半 集 中 式 处 理 系 统 灰 水 处 理 技 术 研 究. 硕 士 论 文, 同 济 大 学, 上 海. [3] 刘 黎 慧, 杨 应 桥, 周 朝 昕 (2009) 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 处 理 生 活 污 水 的 研 究. 市 政 技 术, 2, 161-164. [4] 张 兴 文, 杨 凤 林, 马 建 勇 (2002) MBBR 处 理 低 浓 度 污 水 的 工 程 应 用. 环 境 工 程, 5, 12-15. [5] 张 寅 丞, 梅 翔, 郭 慧 (2013) 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 处 理 奶 牛 场 废 水 的 性 能 研 究. 水 处 理 技 术, 10, 80-84. [6] 季 民, 薛 广 宁, 董 广 瑞 (2003) 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 处 理 生 活 污 水. 中 国 给 水 排 水, 2, 56-57. [7] Ghunmi, L.A. and Zeeman, G. (2011) Grey water biodergradability. Biodegradation, 22, 163-174. [8] 张 安 龙, 曹 萌 (2011) 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 处 理 生 活 污 水 的 研 究. 环 境 工 程, 1, 15-18. [9] 国 家 环 境 环 保 局 (2002) 水 和 废 水 监 测 分 析 方 法. 中 国 环 境 科 学 出 版 社, 北 京. [10] 郭 海 燕, 周 集 体, 郭 帧 (2011) 不 同 操 作 模 式 对 移 动 生 物 膜 反 应 器 脱 氮 除 磷 效 果 的 影 响. 化 工 学 报, 4, 1110-1116. [11] 郭 天 赐, 王 怡, 张 引 中 (2009) 不 同 填 充 率 对 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 的 产 泥 性 能 影 响 研 究. 环 境 工 程 学 报, 2, 249-252. [12] 高 艳 玲, 丁 曰 堂 (2007) 容 积 负 荷 对 悬 浮 载 体 生 物 流 化 床 处 理 效 果 的 影 响. 中 国 给 水 排 水, 13, 79-82. 52