生活污水脫氮除磷工藝研究

生活污水脫氮除磷工藝研究

低c/n比生活污水的原料處理工藝分析新的污水處理標(biāo)準(zhǔn)要求控制氮、磷等養(yǎng)分。在污水生物處理系統(tǒng)中，如何提高低碳和氮比廢水的脫氮和除磷效率一直是一個(gè)難題。根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論,實(shí)現(xiàn)完全反硝化的理論C/N比值為2.86kgCOD·(kgN)-1,但是由于微生物的生長,實(shí)際所需值通常為4.00kgCOD·(kgN)-1以上,由于生物除磷也需要碳源,因此在實(shí)際污水中當(dāng)COD/TN<5時(shí),脫氮除磷的效率通常不會太高。隨著人們生活水平的提高和生活習(xí)慣的改變,城市污水的污染物組成及比例也有相應(yīng)的變化,如今一些低C/N比的生活污水在很多城市并不少見,如云南昆明第二污水處理廠的進(jìn)水BOD5平均為91mg·L-1,但是進(jìn)水的TN接近30mg·L-1。A2O(厭氧-缺氧-好氧)工藝作為一種最簡單的同步脫氮除磷工藝,具有構(gòu)造簡單、總水力停留時(shí)間短、設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟、控制復(fù)雜性小和不易產(chǎn)生污泥膨脹等一系列優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)活性污泥污水廠改建為具有脫氮除磷功能的污水廠的最佳選擇工藝,該工藝也是目前我國城市污水廠中應(yīng)用最廣泛的同步脫氮除磷工藝之一。然而A2O工藝也存在一系列的問題,比如硝化菌和除磷菌之間污泥齡的矛盾,基質(zhì)競爭的矛盾等,使得脫氮除磷效率的進(jìn)一步提高非常困難。而一些工藝的出現(xiàn),如反硝化除磷(DPB)可將反硝化和吸磷過程耦合,使得儲存的碳源能夠達(dá)到“一碳兩用”,從而能夠在節(jié)約碳源的基礎(chǔ)上不降低脫氮除磷的效率。因此強(qiáng)化A2O工藝中的反硝化除磷作用,特別在處理低C/N比污水時(shí),可以有效提高脫氮除磷效率。作為一種成熟的工藝,A2O工藝的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)主要針對的是普通的城市污水水質(zhì),而這些參數(shù)在針對低C/N比生活污水時(shí)是否合適,目前并未見有詳細(xì)研究的報(bào)道。本文在A2O工藝的基礎(chǔ)上,詳細(xì)研究了其在處理低C/N比生活污水時(shí)的污染物去除特性,通過強(qiáng)化缺氧區(qū)的吸磷來最大程度地抵消碳源缺乏對脫氮除磷的影響,并對低C/N比條件下的A2O工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究,為實(shí)際采用A2O工藝的污水廠在處理低C/N比生活污水時(shí)能提高脫氮除磷效率提供了理論依據(jù)。1試驗(yàn)材料和方法1.1試驗(yàn)設(shè)備及操作條件A2O試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置用有機(jī)玻璃制成,由合建式厭氧-缺氧-好氧反應(yīng)器和二沉池組成。合建式反應(yīng)器有效容積為52.5L,反應(yīng)器分為9個(gè)格室,在不改變體積比的情況下,前2個(gè)格為厭氧段,隨后的2個(gè)格為缺氧段,剩下的5個(gè)格為好氧段,厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比為1∶1∶2。厭氧區(qū)和缺氧區(qū)用攪拌槳提供充分的攪拌,好氧區(qū)通過在格室底端的曝氣頭供氧同時(shí)促進(jìn)液體混合。反應(yīng)器溫度通過加熱裝置控制在21～22℃。二沉池有效容積為26.0L。試驗(yàn)進(jìn)水、回流污泥和硝化液回流采用蠕動泵控制。試驗(yàn)運(yùn)行過程中維持不變的條件如下:進(jìn)水量為157.5L·d-1,反應(yīng)區(qū)相應(yīng)HRT為8h,SRT通過排泥控制在15d左右,反應(yīng)器中MLSS在3500～4000mg·L-1,污泥回流比為70%。當(dāng)運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí),在后面的分析過程中進(jìn)行特別的說明。試驗(yàn)所用污泥取自哈爾濱某污水處理廠,該廠采用A/O工藝運(yùn)行,種泥脫氮效果較好。1.2生活污水的水質(zhì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)本試驗(yàn)所用污水取自哈爾濱工業(yè)大學(xué)二校區(qū)教工生活區(qū),并根據(jù)試驗(yàn)的需要對原污水水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)節(jié),采用少量啤酒作為調(diào)節(jié)COD的碳源以避免采用單一成分化學(xué)藥品帶來的局限性,氮和磷分別采用NH4Cl和KH2PO4。調(diào)節(jié)前的水質(zhì)指標(biāo)平均為:COD372.8mg·L-1;NH+4-N41.30mg·L-1;PO3-4-P3.86mg·L-1,調(diào)節(jié)至低C/N比生活污水的水質(zhì)指標(biāo)平均為:COD241.0mg·L-1;NH+4-N47.40mg·L-1;PO3-4-P7.76mg·L-1。試驗(yàn)測定的常規(guī)指標(biāo)有:MLSS、MLVSS、COD、NH+4-N、TN、NO-2-N、NO-3-N、PO3?443--P和SOP等。這些指標(biāo)采用國家環(huán)?？偩诸C布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定。試驗(yàn)結(jié)果均采用重現(xiàn)性較好的數(shù)據(jù)。確定聚磷菌(PAOs)中反硝化除磷菌(DPAOs)的比例的方法按照Wachtmeister等推薦的方法進(jìn)行。本研究取適量好氧末端污泥,加入4L的SBR反應(yīng)器,先采用乙酸鈉為碳源(COD=300.0mg·L-1)的污水進(jìn)行2h的厭氧反應(yīng),然后污泥平均分成兩份并用含微量元素的水進(jìn)行洗脫兩遍,然后一份足量曝氣好氧運(yùn)行3h,另一份加入50.00mg·L-1的NO-3-N缺氧運(yùn)行3h,缺氧最大吸磷速率和好氧最大吸磷速率的比值Kanox/Kaer反映了系統(tǒng)中DPAOs占PAOs的比例。1.3caqn+cp-n的計(jì)算根據(jù)物料平衡計(jì)算系統(tǒng)中的缺氧吸磷量(mg·L-1),計(jì)算公式為Pan=QRco+(Qin+Qr)caQin+QR+Qr?canΡan=QRco+(Qin+Qr)caQin+QR+Qr-can式中Qin為進(jìn)水流量,L·h-1;QR為硝化液回流量,L·h-1;Qr為污泥回流量,L·h-1;ca為厭氧區(qū)末端PO3-4-P濃度,mg·L-1;can為缺氧區(qū)末端PO3-4-P濃度,mg·L-1;co為好氧區(qū)末端PO3-4-P濃度,mg·L-1。1.4不同階段進(jìn)行試驗(yàn)在經(jīng)過大約50d的馴化后,污泥的性能較為穩(wěn)定,然后試驗(yàn)分以下3個(gè)階段進(jìn)行。階段Ⅰ:處理不經(jīng)水質(zhì)調(diào)節(jié)的原生活污水的試驗(yàn);階段Ⅱ:在運(yùn)行參數(shù)不變的情況下處理低C/N比生活污水;階段Ⅲ:改變運(yùn)行參數(shù),探討對處理低C/N比生活污水的影響。2是否存在明顯無創(chuàng)之處，是否實(shí)生學(xué)家的“身份證號”很多研究表明在連續(xù)流前置反硝化的工藝中可能存在反硝化除磷現(xiàn)象,但也可能沒有。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,作者對反硝化除磷對系統(tǒng)脫氮和除磷的貢獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究,通過物料平衡計(jì)算表明系統(tǒng)中的確存在缺氧吸磷現(xiàn)象,然后通過序批試驗(yàn)對系統(tǒng)中DPAOs占PAOs的比例進(jìn)行了定量研究。2.1生活污水中cod/tn的脫氮除磷效果在污泥馴化之后,A2O系統(tǒng)的脫氮除磷性能較為穩(wěn)定,系統(tǒng)的內(nèi)回流比為300%,污泥回流比為70%。圖2給出的是隨后46d約3個(gè)SRT時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理不經(jīng)過C/N比調(diào)節(jié)的生活污水的污染物去除情況。從圖中可以看出,在處理COD/TN比平均為7.89的生活污水時(shí),系統(tǒng)的脫氮除磷效率很高:平均進(jìn)水TN濃度為47.20mg·L-1,出水TN濃度為6.90mg·L-1,去除率85.4%,高于前置反硝化理論脫氮值,這可能是由于生物同化作用或者系統(tǒng)中存在同時(shí)硝化反硝化脫氮作用的緣故;平均進(jìn)水SOP濃度為8.42mg·L-1,出水SOP濃度為0.56mg·L-1,去除率93.3%。物料平衡的計(jì)算表明,階段Ⅰ存在缺氧吸磷現(xiàn)象,缺氧吸磷占總吸磷量的25.3%左右,同時(shí)序批試驗(yàn)證明DPAOs占PAOs的比例在15%～20%之間。說明A2O系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中存在反硝化吸磷現(xiàn)象。2.2氮污染時(shí)污水中tn的去除效果在階段Ⅰ的試驗(yàn)結(jié)束之后,對原生活污水進(jìn)行水質(zhì)調(diào)節(jié):維持進(jìn)水的TN和SOP濃度基本不變,對COD進(jìn)行稀釋,使得進(jìn)水平均COD/TN在4.20左右。試驗(yàn)運(yùn)行共36d,約兩個(gè)多SRT。圖3給出的是這36d中系統(tǒng)的脫氮除磷變化。從圖中可以看出,當(dāng)污水的C/N比降低時(shí),系統(tǒng)除磷性能受到的影響較小,進(jìn)水SOP濃度平均為7.36mg·L-1,出水SOP濃度平均為0.25mg·L-1,去除率96.6%,甚至比階段Ⅰ的除磷效率還要高。但是脫氮卻受到很大影響,后期平均出水TN濃度已經(jīng)超過20mg·L-1,平均去除率降低至62.2%。但從圖上也可以看出,在進(jìn)水變?yōu)榈虲/N比污水的前幾天,TN去除率較后期要高,分析是剛改變進(jìn)水時(shí)雖然水質(zhì)發(fā)生了變化,但是反硝化微生物的數(shù)量不能馬上隨之變少,TN去除率降低不明顯,但長期低C/N比污水培養(yǎng)會引起微生物數(shù)量發(fā)生變化,TN去除率也相應(yīng)降低。對COD進(jìn)行的測定數(shù)據(jù)表明,從厭氧末端到出水COD幾乎無明顯變化,說明有機(jī)物在厭氧段就已經(jīng)大部分被利用:一部分用于回流污泥中NO-3-N的異養(yǎng)反硝化,另一部分被PAOs存儲于胞內(nèi)形成PHAs同時(shí)放磷。于是在缺氧段能用來進(jìn)行異養(yǎng)反硝化的外碳源比較少,反硝化主要靠的是內(nèi)碳源(PHAs)反硝化——反硝化除磷,由于內(nèi)源反硝化的效率較低,速率較慢,因此在缺氧段不足2h的停留時(shí)間里,脫氮效率不可能很高。但是在這種運(yùn)行條件下,反硝化除磷也相應(yīng)得到強(qiáng)化,經(jīng)物料平衡計(jì)算,缺氧區(qū)吸磷量占總吸磷量的45.4%左右,比階段Ⅰ25.3%有了很大提高。序批試驗(yàn)表明此時(shí)DPAOs占PAOs的比例提高到31%～40%之間。最大程度地利用缺氧區(qū)的反硝化除磷,能夠部分抵消由于碳源不足對系統(tǒng)脫氮除磷的影響。2.3缺氧系統(tǒng)處理前后的體積比、物料平衡分析和吸磷量在2.2節(jié)的分析中提到,缺氧區(qū)的水力停留時(shí)間太短,這樣導(dǎo)致缺氧區(qū)反硝化除磷進(jìn)行得不是十分充分。為了提高缺氧吸磷反應(yīng)時(shí)間,可以從兩個(gè)方面來考慮:一是增加缺氧區(qū)體積,即調(diào)整缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比;二是調(diào)整硝化液回流比。維持厭氧區(qū)容積不變,增加缺氧區(qū)容積,將缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比從原來的1/2提高到5/8,即減少一格好氧變?yōu)槿毖?。圖4是調(diào)整前后系統(tǒng)脫氮除磷的變化。從圖中可以看出,當(dāng)缺氧區(qū)容積變大后,SOP去除仍然維持在96.0%以上,而TN去除率有所提高,從原來的62.2%提高到70.7%,出水TN平均為15.60mg·L-1,較調(diào)整前的高于20mg·L-1有所降低。對調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行物料平衡分析,得出缺氧區(qū)吸磷量能占到總吸磷量的55.2%左右,DPAOs占PAOs的比例也提高到51.5%左右。圖5給出的是序批試驗(yàn)的結(jié)果。因此增加缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比,能夠提高反硝化除磷的作用,最大程度地利用厭氧區(qū)儲存的內(nèi)碳源同時(shí)用于脫氮和除磷,減小碳源缺乏對脫氮除磷的影響。傳統(tǒng)A2O工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)中厭氧/缺氧/好氧的容積比為1/1/(3～4),這在處理低C/N比污水時(shí)顯然是不合理的。從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在處理低C/N比污水時(shí),應(yīng)凸顯出缺氧區(qū)的作用,增大其容積。2.4硝化液回流比的影響硝化液回流比(R)對系統(tǒng)脫氮除磷和反硝化除磷的影響可以從以下幾個(gè)方面理解:①硝化液回流提供了缺氧區(qū)的硝酸鹽,缺氧區(qū)的硝酸鹽負(fù)荷超過普通異養(yǎng)反硝化負(fù)荷時(shí),才能刺激反硝化除磷,從這個(gè)角度來講,回流比越大,對反硝化除磷越有利;②從局部角度來看較大的回流比必將會導(dǎo)致缺氧區(qū)的水力停留時(shí)間變短,而較短的反應(yīng)時(shí)間對反硝化除磷是不利的;③回流比越大,從好氧區(qū)末端帶入缺氧區(qū)的DO越多,對缺氧區(qū)缺氧環(huán)境的破壞也越大,對反硝化及吸磷均不利。維持反應(yīng)器缺氧區(qū)和好氧區(qū)容積比為5/8,其他條件不變,調(diào)整硝化液回流比為200%、250%和300%進(jìn)行試驗(yàn)。圖6是不同R和TN、SOP平均去除率之間的關(guān)系。從圖中可以看出,SOP去除受R的影響較小,R對TN去除率的影響較大,在R=2.5時(shí)系統(tǒng)的平均脫氮效率最高,為77.3%,出水TN平均濃度為11.34mg·L-1,這與上面的分析一致。在對SOP進(jìn)行物料平衡分析時(shí),缺氧區(qū)的吸磷量在R=2.5時(shí)能達(dá)到60.4%左右,反硝化除磷在A2O中得到最大強(qiáng)化,使得系統(tǒng)在處理較低C/N比污水時(shí)脫氮除磷的效率仍然很高。3不同運(yùn)行條件下的除磷效率比較(1)52.5L的A2O工藝處理實(shí)際生活污水,在HRT為8h,污泥回流比為70%,硝化液回流比為300%的情況下,系統(tǒng)的TN和SOP的去除率分別為85.4%和93.3%。系統(tǒng)缺氧區(qū)存在反硝化除磷現(xiàn)象,反硝化除磷對總除磷量的貢獻(xiàn)為25.3%。(2)在運(yùn)行條件不變的情況下,處理C/N為4.20的生活污水,除磷效率受到的影響較小,平均SOP去除率仍能維持在96.6%,但是TN去除率下降到62.2%,出水TN已經(jīng)超過20mg·L-1。(3)在其他運(yùn)行條件不變的情況下增加缺氧區(qū)和好氧區(qū)的體積比,能夠強(qiáng)化缺氧吸磷,物料平衡結(jié)果表明缺氧吸磷占到總吸磷量的55.