煤矿工业广场生活污水再生利用试验研究

Posted 2023-01-12 生活污水

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为解决煤矿工业广场生活污水再生利用的问题，采用同步生物氧化池(SBOT)工艺进行中试研究。结果表明，在HRT为3.4h的条件下，SBOT工艺进水COD和NH4+-N、SS的质量浓度平均分别为62.5mg/L和10.6、49.6mg/L，出水COD和NH4+-N、SS的质量浓度平均分别为13.1mg/L和0.18、0.98mg/L，相应的平均去除率分别为79.1%和98.3%、98.0%。该工艺流程简短，不需要二沉池和滤池，具有启动速度快、运行稳定、抗冲击负荷能力强等特点。
煤矿生活污水和生产废水未能得到有效处理是造成矿区水环境污染的主要原因，严重的水环境污染使矿区水资源短缺问题变得日益突出。我国煤矿企业多分布在北部和西北部地区，有70%的矿区缺水，40%的矿区严重缺水，矿区生产和生活用水主要以抽取地下深井水为主，过度抽取地下水带来一系列问题。矿区水资源短缺严重制约了煤炭企业的可持续发展，污水深度处理回用是一条有效的节水途径。煤矿生活污水的综合利用有着双重意义，既可以减少污染，又可以增加可利用的水资源，具有明显的社会效益和经济效益。
目前，国外的污水回用技术主要用于城市生活污水及工业废水的处理，对于煤矿生活污水回用技术的研究很少[1-3]。国内对城镇生活污水再生利用的处理技术可以分为物理化学技术和生物技术2个类型，物理化学技术主要有过滤、吸附、混凝、消毒和膜技术，生物技术主要有生物接触氧化、曝气生物滤池和膜生物反应器工艺[4-6]。生物接触氧化法一般需要设置二沉池，氨氮去除效果较差且出水水质不稳定；曝气生物滤池池体容积大，运行过程中需要反冲洗且工艺系统复杂；膜生物反应器造价高、工程投资大且能耗高，操作管理复杂，运行成本高。国内对于煤矿生活污水再生利用的研究较少，且一般采取较复杂的深度处理方法[7-8]。
针对煤矿工业广场生活污水的水量水质特点，不设二沉池和滤池，采取同步生物氧化池(SBOT)工艺，能够有效降解或去除污水中的COD、NH4+-N和SS，具有负荷率高、出水水质好、运行稳定等特点。
1.材料与方法
1.1污水水质
试验用水取自某煤矿工业广场生活污水站的预沉池出水。该污水主要包括该煤矿工业广场的浴室、食堂、办公楼和单身宿舍外排污水。具体水质：COD为55.7～69.7mg/L，NH4+-N和SS的质量浓度分别为9.25～12.3、40.7～62.3mg/L，pH为7.7～8.1。
1.2试验装置
试验工艺如图1所示。

同步生物氧化池由2个尺寸相同的池串联组成，每个池设有上部水流通道、上部拦截栅格、生物载体、下部拦截栅格和下部水流通道。下部拦截栅格和下部水流通道之间设置曝气管路，池底部设置与外界相通的排泥管。污水经潜水泵以一定的速度流入池中，在其中呈折流状流动，试验过程中利用球阀及流量计控制进水流量。试验装置的尺寸为2m×1.2m×1.75m，填料区高度为1m。T1、T2采用材料相同而孔隙率不同的载体。
试验所用填料为网型宽孔高分子立方体，表面带有-NH2、-COOH、-OH、环氧基等活性基团，可与微生物肽链氨基酸残基作用形成离子键结合或共价键结合而将微生物及生物酶固定在载体上，有效地防止了微生物的流失。试验装置中投加的高效菌种能在短时间内提高系统的处理能力，减少调试时间。采用穿孔管曝气可以使气体在池内自下而上运动，气泡在上升过程中被载体进一步切割成微小气泡，氧利用率高，动力消耗少。
1.3试验过程
污水从SBOT-T1池的进水端开始，再充满后续SBOT-T2池后停止进水，开始曝气并向各池投加一定数量的高效微生物菌种，闷曝养生7d。闷曝养生后开始小流量进水，进水体积流量为0.3m3/h，置换装置内已有的水，在污染物含量不高的情况下对已经成长的微生物进行培养和驯化，使之适应所处理污水的环境，驯化时间为3d。驯化后进入稳定运行阶段，稳定运行阶段共15d，前7d进水流量逐步上调，每天上调体积流量0.1m3/h，体积流量达到1m3/h后维持流量恒定。整个试验运行过程中没有添加任何营养物质。
1.4测试方法
试验中的主要测试项目及方法：COD，重铬酸钾法；NH4+-N含量，纳氏试剂比色法；SS含量，称量法；浊度，便携式浊度计法；pH，P33型pH/ORP分析仪。由于出水中的SS含量较少，水质清澈，称量法测试SS繁琐且存在误差，因此通过测试浊度来代替SS。
2.结果与讨论
稳定运行阶段前7d，进水体积流量由0.3m3/h逐步上调至1m3/h。第8～15天体积流量恒定为1m3/h，HRT为3.4h，气水体积比为4：1，DO的质量浓度稳定在2.5～3.2mg/L，水温为24.7～26.5℃。
2.1COD去除效果
SBOT对COD的去除效果见图2。

由图2可以看出，进水COD最大为69.7mg/L、最小为55.7mg/L，平均为62.5mg/L；T1出水COD最大为26.1mg/L、最小为18.6mg/L，平均为22.3mg/L；T2出水COD最大为17.1mg/L、最小为8.1mg/L，平均为13.1mg/L。SBOT对COD的去除率最大为86.9%、最小为74.3%，平均为79.1%。
SBOT对COD的去除主要依靠降解有机物的异养菌，而试验进水中有一定的难降解有机物。
2.2NH4+-N去除效果
SBOT对NH4+-N的去除效果见图3。

由图3可以看出，进水NH4+-N的质量浓度最大为12.3mg/L、最小为9.25mg/L，平均为10.6mg/L；T1出水NH4+-N的质量浓度最大为1.68mg/L，最小为0.72mg/L，平均为1.3mg/L；T2出水NH4+-N的质量浓度最大为0.25mg/L，最小为0.1mg/L，平均为0.18mg/L；SBOT对NH4+-N去除率最大为99.1%，最小为97.6%，平均为98.3%。
在好氧的条件下，载体由外向内形成DO含量梯度，并存在许多缺氧的微环境。好氧的亚硝化菌和硝化菌，以及厌氧的反硝化菌都能在载体上良好生存，硝化与反硝化反应能够同时进行，避免了硝酸盐及亚硝酸盐对硝化反应的抑制，从而保证了氨氮的高去除率。SBOT对NH4+-N的去除效果与曝气量密切相关，当进水中NH4+-N含量较高时需增加曝气量，当进水中NH4+-N含量较低时可适当降低曝气量。
2.3SS去除效果
出水SS含量很低，为考查SBOT对SS的去除效果，实际以T1、T2出水浊度来代替SS含量，测试结果如图4所示。

由图4可看出，进水SS的质量浓度最大为62.3mg/L、最小为40.7mg/L，平均为49.6mg/L；T1出水SS的质量浓度最大为10.3mg/L、最小为6.89mg/L，平均为8.43mg/L；T2出水SS的质量浓度最大为1.53mg/L、最小为0.73mg/L，平均为0.98mg/L。SBOT对SS去除率最大为98.6%，最小为96.9%，平均为98.0%。
T2池内载体孔隙比较小，且生长有大量的生物膜，对污水中的悬浮物和胶体物质具有较强的吸附和截留作用，使得SBOT对SS的去除效果非常明显，出水水质清澈。因此，T2池后不需要设置二沉池和滤池。
3.结论
SBOT工艺兼有接触氧化池和曝气生物滤池的优点，硝化、反硝化反应及有机物降解能够在同一池内进行，有效提高了污染物的去除率。污水在SBOT-T1池内自上而下流动，与填料充分接触，填料中生长的大量微生物在氧化有机物的同时有效地去除氨氮。
SBOT工艺处理煤矿生活污水，污水在SBOT-T2池内自下而上流动，依靠载体上生长的大量生物膜，对污水中的悬浮物和胶体具有很强的截留和吸附作用，出水水质清澈。因此，后续不需要设置二沉池和滤池。
采用SBOT中试处理煤矿生活污水，对COD、NH4+-N和SS的平均去除率分别为79.1%、98.3%和98.0%，出水能够满足污水再生利用的要求。