活性污泥法脫氮除磷工藝研究

由于其抗沖擊能力強(qiáng)、便于管理，該修復(fù)方法在城市污水處理中發(fā)揮主導(dǎo)作用，但該方法的剩余污泥產(chǎn)量高，剩余污泥中積累了重金屬和微生物。如果處理不當(dāng)，很容易導(dǎo)致二次污染。據(jù)統(tǒng)計(jì),污泥處理費(fèi)用約占整個(gè)污水廠運(yùn)行費(fèi)用的45%~60%。因此,污泥處理問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙活性污泥工藝正常運(yùn)行的重要因素之一。為此,眾多學(xué)者進(jìn)行了污泥減量化研究,試圖降低污泥的處理費(fèi)用并緩解其對(duì)環(huán)境的污染。目前提出的污泥減量化方法有:臭氧氧化、代謝解偶聯(lián)、酸堿調(diào)節(jié)、超聲波處理、強(qiáng)化微生物隱性生長(zhǎng)、動(dòng)物捕食等,它們均可實(shí)現(xiàn)不同程度的污泥減量,但由于費(fèi)用昂貴、運(yùn)行條件難以控制等原因,限制了其在工程上的廣泛應(yīng)用。為同時(shí)去除城市污水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物,實(shí)現(xiàn)污水、污泥的同步處理,筆者提出了水解酸化/缺氧—厭氧—好氧(HAAO)工藝,并對(duì)該工藝的除污效果、污泥減量效果及其主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了研究,以期為污水處理廠的節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行和升級(jí)改造提供技術(shù)支持。1試驗(yàn)材料和方法1.1不同處理的區(qū)見(jiàn)表1工藝流程如圖1所示。水解酸化反應(yīng)器采用升流式復(fù)合厭氧污泥床反應(yīng)器(由懸浮污泥區(qū)、泥水分離區(qū)、生物膜強(qiáng)化區(qū)組成),其有效容積為21L,HRT為3.5h;缺氧反應(yīng)器的有效容積為12L,HRT為2h;厭氧反應(yīng)器的有效容積為6L,HRT為1h;好氧反應(yīng)器的有效容積為30L,HRT為5h。將反硝化前置既可以充分利用污水中的有機(jī)物作為反硝化反應(yīng)的電子供體,又可緩解有機(jī)負(fù)荷過(guò)高對(duì)后續(xù)硝化段的負(fù)面影響。1.2原水水質(zhì)以北京某大學(xué)家屬區(qū)的生活污水作為試驗(yàn)用水,其水質(zhì)見(jiàn)表1。1.3儀器和分析方法COD:5B-1型COD快速測(cè)定儀;NO-3-N:麝香草酚分光光度法;NH+4-N:納氏試劑分光光度法;PO3-43?4-P:鉬銻抗分光光度法;NO-2-N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;TOC、TN:MultiTOC/TN分析儀;SS、MLSS、MLVSS:重量法。1.4反應(yīng)器的掛膜及接種污泥污泥馴化包括三個(gè)階段:①水解酸化反應(yīng)器和A/A/O反應(yīng)器的各自啟動(dòng)。水解酸化反應(yīng)器的接種污泥取自某UASB反應(yīng)器,經(jīng)淘洗后加入反應(yīng)器,初始污泥濃度為5g/L;生物膜強(qiáng)化區(qū)的填料先在好氧SBR工藝中進(jìn)行掛膜,然后加入水解酸化反應(yīng)器;A/A/O反應(yīng)器的接種污泥采用北京某污水處理廠(主體工藝為氧化溝)的沉淀池回流污泥,初始污泥濃度為3g/L。②水解酸化反應(yīng)器和A/A/O反應(yīng)器的串聯(lián)啟動(dòng)。將水解酸化反應(yīng)器和A/A/O反應(yīng)器串聯(lián),采用逐漸加大系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷的方法對(duì)系統(tǒng)污泥進(jìn)行馴化。③將部分剩余污泥回流至水解酸化反應(yīng)器,采用逐步加大流量的方法,對(duì)水解酸化段污泥進(jìn)行馴化。2結(jié)果與討論2.1處理效果分析穩(wěn)定運(yùn)行期間(Qair=0.5m3/h,SRT=15d),系統(tǒng)進(jìn)水COD、NH+4-N、TN、PO3-43?4-P濃度分別為(286~425)、(36~58)、(42~61)、(4~12)mg/L,屬于典型的低濃度城市生活污水,且水質(zhì)波動(dòng)較大,但最終處理出水的COD≤50mg/L、NH+4-N≤3mg/L、TN≤13mg/L、PO3-43?4-P≤1mg/L,平均去除率分別達(dá)95%、98%、84%、87%。由此可見(jiàn),該系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物具有穩(wěn)定而良好的去除效果,并實(shí)現(xiàn)了同步脫氮除磷。污染物濃度沿流程的變化如圖2所示,其中Inf、Eff分別代表系統(tǒng)進(jìn)、出水,S代表水解酸化段,A1、A2代表缺氧段,A3代表厭氧段,O1~O6代表好氧段。由圖2可知,污水經(jīng)水解酸化反應(yīng)器處理后COD濃度降低,去除率約為30%,這主要是由于物理吸附、沉降和微生物降解所致;而TOC、NH+4-N濃度略微升高,這是因?yàn)殡y降解的COD經(jīng)水解酸化后轉(zhuǎn)化為易降解的COD,同時(shí)回流剩余污泥中的部分有機(jī)物在水解酸化菌的作用下轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)酸(甲酸、乙酸等),部分氨基酸水解后釋放出了NH+4-N。經(jīng)計(jì)算,采用水解酸化處理后BOD5/COD值由0.53升高至0.74,污水的可生化性得到提高,從而可有效提高后續(xù)缺氧反應(yīng)器的反硝化速率。酸化段出水中的PO3-43?4-P濃度由原水的6.4mg/L升高至22.5mg/L,主要是由于回流剩余污泥發(fā)生了厭氧釋磷所致。在A1段有機(jī)物濃度大大降低,主要是由于硝化液和污泥回流稀釋所致;A2段主要用于反硝化脫氮和進(jìn)一步去除COD;A3段用于釋磷,經(jīng)計(jì)算釋磷率約為180%;在O1~O6段主要完成COD降解、好氧吸磷和硝化過(guò)程。因此,在該工藝中可實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷及污泥減量化。2.2cair對(duì)cod、tn的去除效果以及系統(tǒng)硝化效果在保持系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)不變的條件下,通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量(Qair)來(lái)改變好氧段的溶解氧濃度,考察好氧段的溶解氧濃度對(duì)系統(tǒng)去除污染物的影響,結(jié)果如圖3所示。在試驗(yàn)條件下,對(duì)COD的去除率均超過(guò)70%,隨著溶解氧濃度的升高則對(duì)COD的去除率逐漸增加,當(dāng)Qair>0.4m3/h時(shí),對(duì)COD的去除率>95%,并且隨著溶解氧濃度的進(jìn)一步升高,對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在95%左右。隨著溶解氧濃度的升高則對(duì)NH+4-N的去除率逐漸增加,當(dāng)Qair=0.5m3/h時(shí),系統(tǒng)對(duì)NH+4-N的去除率>96%。當(dāng)Qair=0.4m3/h時(shí),系統(tǒng)對(duì)TN的去除率達(dá)到最大值(84%);當(dāng)Qair<0.4m3/h時(shí),系統(tǒng)的硝化效果較差,導(dǎo)致對(duì)TN的去除率也有所降低;當(dāng)Qair>0.4m3/h時(shí),回流硝化液中的溶解氧濃度較高,導(dǎo)致反硝化段的脫氮效率降低。因此,溶解氧濃度過(guò)高或過(guò)低均不利于系統(tǒng)脫氮。當(dāng)Qair=0.5m3/h時(shí),系統(tǒng)對(duì)PO3-43?4-P的去除率達(dá)到最大值(87%),增加或減少曝氣量均會(huì)使對(duì)PO3-43?4-P的去除率降低。綜上所述,通過(guò)調(diào)節(jié)好氧段的溶解氧濃度可實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的最大去除,當(dāng)Qair=0.5m3/h時(shí),系統(tǒng)的整體除污效果最好,對(duì)COD、PO3-43?4-P、NH+4-N、TN的去除率分別為95%、87%、97%、83%。2.3srt的影響在保持系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)不變的條件下,通過(guò)控制系統(tǒng)排泥量來(lái)改變A/A/O段的SRT,不同SRT下系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果如圖4所示。在試驗(yàn)條件下,對(duì)COD的去除率均超過(guò)80%,且隨著SRT的增加則對(duì)COD的去除率升高,當(dāng)SRT≥15d時(shí)對(duì)COD的去除率>95%并保持穩(wěn)定。隨著SRT的增加則對(duì)NH+4-N的去除率逐漸升高,當(dāng)SRT>15d時(shí),系統(tǒng)對(duì)NH+4-N的去除率>95%。當(dāng)SRT=20d時(shí),系統(tǒng)對(duì)TN的去除率達(dá)到最大值(85%),延長(zhǎng)或減少SRT均會(huì)使對(duì)TN的去除率降低,這是因?yàn)楫?dāng)SRT<20d時(shí),系統(tǒng)的硝化效果較差;而當(dāng)SRT>20d時(shí),盡管活性污泥的硝化性能提高,但反硝化活性卻降低,因此SRT過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短均不利于系統(tǒng)脫氮。當(dāng)SRT=5d時(shí),系統(tǒng)對(duì)PO3-43?4-P的去除率達(dá)到最大值(91%),隨著SRT的延長(zhǎng)則對(duì)PO3-43?4-P的去除率降低,原因主要是較短的SRT有利于聚磷菌的富集生長(zhǎng)。由此可見(jiàn),通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)A/A/O段的SRT可實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的最大去除,當(dāng)SRT=15d時(shí)系統(tǒng)的整體除污效果最好,對(duì)COD、PO3-43?4-P、NH+4-N、TN的去除率分別為95%、78%、92%、83%。2.4對(duì)水質(zhì)的影響保持系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)不變,研究了不同剩余污泥回流比(Res)下系統(tǒng)的脫氮除磷效果,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,Res對(duì)去除COD和NH+4-N的影響較小;對(duì)TN的去除率則隨Res的增加而上升,這是因?yàn)镽es越大,水解酸化反應(yīng)器出水中可溶性COD的含量越高,能夠促進(jìn)反硝化反應(yīng)的進(jìn)行;Res對(duì)系統(tǒng)除磷的影響也較大,隨著Res的增加則對(duì)PO3-43?4-P的去除率降低。就總體而言,當(dāng)Res為0.4%~0.6%時(shí),系統(tǒng)對(duì)各種污染物的去除效果均較好,對(duì)COD、PO3-43?4-P、NH+4-N、TN的去除率分別可達(dá)95%、86%、97%、76%以上。2.5u3000污泥減量率水解酸化反應(yīng)器采用新型復(fù)合式水解酸化反應(yīng)裝置,其水力停留時(shí)間維持在3.5h,固體停留時(shí)間維持在40d,因此回流剩余污泥可以在水解酸化反應(yīng)器內(nèi)得到有效降解,從而實(shí)現(xiàn)污泥減量。此外,水解酸化單元可去除約30%的COD,并提高了污水的可生化性,因而使后續(xù)好氧單元的污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)(Ke)大大降低。測(cè)定結(jié)果顯示,在試驗(yàn)初期由于水解酸化效率較低,隨著回流剩余污泥量的增加,水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度(MLSShy)快速升高,7周時(shí)MLSShy由最初的5500mg/L增加到7310mg/L。為了防止MLSShy過(guò)高,逐漸減少了剩余污泥回流量,于是MLSShy逐漸降低,說(shuō)明此時(shí)因水解而減少的污泥量大于回流的污泥量,水解酸化效率逐漸提高,至第22周回流剩余污泥量穩(wěn)定在4.2g/d(Res=0.5%)左右時(shí),MLSShy穩(wěn)定在5000mg/L左右,系統(tǒng)趨于平衡。試驗(yàn)期間A/A/O段的MLSS維持在3000mg/L。水解酸化反應(yīng)器的污泥減量率可按下式計(jì)算:Re=ΔΜLSS回流-ΔΜLSS取樣-ΔΜLSS水解ΔΜLSS回流×100%(1)Re=ΔMLSS回流?ΔMLSS取樣?ΔMLSS水解ΔMLSS回流×100%(1)式中Re——剩余污泥減量率ΔMLSS回流——回流的剩余污泥量ΔMLSS取樣——污泥取樣量ΔMLSS水解——水解酸化反應(yīng)器增加的污泥量經(jīng)計(jì)算,水解酸化反應(yīng)器在穩(wěn)定運(yùn)行期間的污泥減量率達(dá)30%,此時(shí)如果增加回流剩余污泥量,則污泥減量率將進(jìn)一步升高,但當(dāng)回流剩余污泥量>6g/d時(shí),會(huì)使水解酸化反應(yīng)器出水PO3-43?4-P>25mg/L,最終導(dǎo)致系統(tǒng)出水PO3-43?4-P>1mg/L。試驗(yàn)過(guò)程中MLVSS/MLSS值首先升高,主要是由于水解酸化效率較低,使污泥積累所致;然后隨著水解酸化效率的提高,MLVSS/MLSS值逐漸降低,這是因?yàn)槭Ｓ辔勰嘀械目扇苄猿煞秩哭D(zhuǎn)化為有機(jī)酸流出,而難降解成分則在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了積累,所以隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的MLVSS/MLSS值逐漸降低。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間,好氧段的Ke由最初的0.32gMLSS/gCOD降至0.18gMLSS/gCOD,與傳統(tǒng)工藝的0.30gMLSS/gCOD相比,污泥產(chǎn)量降低了40%。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的剩余污泥排放量逐漸減少,22周后趨于穩(wěn)定,剩余污泥排放量由最初的10.8g/d減少至4.7g/d左右,因此與傳統(tǒng)工藝相比,該組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量約56.5%。3各物理性能的去除效果①水解酸化/缺氧—厭氧—好氧組合工藝具有較高的污染物去除率。在進(jìn)水COD為286~425mg/L、NH+4-N為36~58mg/L、PO3-43?4-P為4~12mg/L、總水力停留時(shí)間為11.5h及無(wú)外加碳源和堿度的