改性粉煤灰强化A2/O-DMBR处理农村生活污水

在新农村建设及城市化进程中，农村生活污水处理是一个热点问题。农村生活污水来源于厨房污水、个人卫生和家庭清洁污水及人畜粪便污水3个方面，基本不含重金属和有毒有害物质，有机物及氮、磷含量较高(COD一般为800～1200mg/L，TP、TN、NH4+-N的质量浓度分别为4～6、20～40、10mg/L)，可生化性强。农村生活污水大多通过雨污合流明渠排放，部分经济发达或新建移民新村，农户居住集中，人口密集，具有较完善的污水收集管网，适于生活污水集中式处理。

农村生活污水

A2/O工艺可以实现同步脱氮除磷且工艺简单得到迅速发展;动态膜生物反应器(DMBR)作为一种新型城镇污水深度处理技术，具备传统膜生物反应器(MBR)出水水质好、占地面积小、产泥率低等优点，同时过滤通量大、反冲洗较方便，使其成为一种能克服MBR不足的潜在技术。粉煤灰是电厂产生的工业固体废物，其在污水处理中有实际应用。

目前针对A2/O-DMBR组合工艺及粉煤灰处理污水的研究报道较多，但联合应用研究没有报道。本研究针对农村生活污水水质特性，采用A2/O-DMBR组合工艺研究投加改性粉煤灰对脱氮除磷效能的影响及相关性分析，以期为农村生活污水处理的工程实践提供实验依据。

1实验部分

1.1装置及运行

2套平行小试装置：反应器A未投加改性粉煤灰，反应器B投加改性粉煤灰。装置由厌氧池、缺氧池、好氧池(膜池)组成，反应器有效容积为42L，其中厌、缺、好氧池的容积分别为10、10、22L。所有流体的控制均采用蠕动泵控制。如图1所示。


实验共运行35d，第1-5天为污泥培养和驯化阶段，第6-35天为改性粉煤灰强化A2/O-DMBR处理农村生活污水效能实验阶段。装置运行参数：水温15～25℃，总HRT为12h(厌氧池3h、缺氧池3h、好氧池6h)，好氧池污泥的质量浓度5～6g/L，内循环回流体积比250%，缺氧池、好氧池DO的质量浓度分别<1.0、2.5～3.5mg/L，pH为7.2～8.0，污泥龄21d。

1.2实验材料膜材料。

尼龙布：筛孔48μm，有效面积0.2m2。

粉煤灰。取自合肥某发电厂，其主要成分SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O的质量分数分别为47.55%、31.97%、10.8%、4.06%、0.83%、0.64%、0.64%，烧失质量分数4.39%。改性的制备：将1mol/L的H2SO4溶液和2mol/L的HCl溶液按1:1的体积比制备混合酸溶液，按照灰水质量比1:1将粉煤灰与混合酸溶液充分混合(室温下搅拌)，经静置、烘干、碾磨，即得到改性粉煤灰。

实验用水为巢湖周边农村生活污水，其COD和TP、TN、NH4+-N的质量浓度分别为400～500mg/L和4～5、25～35、15～25mg/L。

1.3分析方法及仪器

COD和TP、TN、NH4+-N含量的检测均采用国家标准方法。

主要仪器有T6新世纪紫外可见分光光度计、TU1901双光束紫外可见分光光度计。

1.4统计学分析

本研究数据分析用Origin9.0进行非线性拟合，SPSS Version 19.0进行相关性分析。

2结果与讨论

2.1投加量对去除效果的影响

改性粉煤灰投加量对污染物去除效果的影响见图2。


由图2可以看出，随着改性粉煤灰投加量的增加，污染物去除率的逐渐上升。投加量为1.0g/L时COD、TP、TN和NH4+-N去除率达到峰值或接近峰值，分别为94.27%、92.43%、76.87%、95.6%;之后再增加改性粉煤灰的投加量污染物去除率的增加十分缓慢。考虑后期泥水分离等因素，粉煤灰的适宜投加量为1.0g/L。

2.2相关性分析

表1为改性粉煤灰投加量与进出水COD和TP、TN、NH4+-N含量及去除率的相关性分析。


由T检验可知，进水COD与进水TP、TN含量的相关系数有高度显著性(TP，t=5.17>t0.01，P<0.01;TN，t=3.454>t0.01，P<0.01)，表明农村生活污水主要为含氮磷的有机污水。投加改性粉煤灰与TN、NH4+-N去除率的相关系数有显著性(TN，t=2.602 >t0.05，P< 0.05;NH4+-N，t=3.218>t0.05，P<0.05)，与COD、TP去除率的相关系数有高度显著性(COD，t=10.172>t0.01，P<0.01;TP，t=16.36> t0.01，P<0.01)，表明改性粉煤灰对污染物去除有强化影响，其中对COD、TP的去除影响较大。

2.3强化去除污染物效果对比

改性粉煤灰强化去除污染物效果见图3～图6。


由图3可看出，反应器进水负荷有波动，反应器A、B均能达到较高的COD去除率，分别为86.78%、95.32%，且反应器B出水COD一直稳定在50mg/L以下，达到GB 18918-2002的一级A标准。伍昌年等研究结果表明，改性后的粉煤灰表面变得粗糙、孔隙率增加、比表面积增大，具有较强的吸附性能[9]。这种特殊的结构为微生物提供了更适宜生长的附着场所，改善了生长环境，促进污泥繁殖。另一方面，反应器A运行到第21天时跨膜压力急剧上升，COD去除率呈下降趋势，而反应器B仍运行稳定，说明改性粉煤灰能够通过延缓膜污染来提高出水指标。

由图4可以看出，在反应器运行期间，反应器A出水TP含量始终高于反应器B，出水平均质量浓度分别为1.3、0.302mg/L，平均去除率分别为71.16%和93.26%。改性粉煤灰表面带有大量正电荷离子，在静电引力的作用下使磷酸根离子与之吸附结合。Yan等等研究发现，粉煤灰对磷酸盐具有很好的滞留能力，且这个过程是不可逆过程;经改性后的粉煤灰能够起到混凝吸附架桥作用，为聚磷菌提供了良好的生长环境，污泥含量上升，水中TP含量进一步降低。


由图5可以看出，反应器A、B在运行过程中保持较稳定的NH4+-N去除率，反应器B去除NH4+-N效果更优，比反应器A提高4.87个百分点。NH4+-N含量降低，一是微生物的同化作用，二是NH4+-N经过好氧段的硝化作用转化为NO3--N。在好氧段改性粉煤灰使有机物含量降低，异养菌对硝化细菌的抑制作用有所缓和，硝化细菌大量繁殖，NH4+-N去除率随之升高;赵统刚等研究发现，粉煤灰对NH4+-N还具有阳离子交换作用，其机理是NH4+将粉煤灰中Ca2+、Mg2+置换出来，从而将NH4+-N去除。


由图6可以看出，反应器A、B出水TN的质量浓度分别为7.89、6.52mg/L，相应平均去除率分别为73.34%、77.98%。从反应器出水可以看出，以反硝化菌为基础，小试装置很好的实现了反硝化脱氮过程。改性粉煤灰表面呈蜂窝状，在吸附絮凝作用下，反硝化菌以此为载体进行繁殖、再生的同时，完成反硝化过程;再者，NO3-与改性粉煤灰中次生带正电荷的硅酸钙、硅酸铝之间形成离子交换或离子对吸附，随污泥排出系统。

3结论

投加改性粉煤灰对农村生活污水脱氮除磷有强化作用。A2/O-DMBR小试装置在COD/ρ(TN)为12～14、内循环回流体积比250%、污泥回流体积比80%时，投加改性粉煤灰可以实现COD、TP、TN和NH4+-N的同步去除，比不投加改性粉煤灰去除率分别提高8.54个、22.1个、4.64个、4.87个百分点，出水污染物含量均能达到GB 18918-2002一级A标准。