活性污泥法脱氮除磷工艺研究

活性污泥法脱氮除磷工艺研究

由于其抗冲击能力强、便于管理，该修复方法在城市污水处理中发挥主导作用，但该方法的剩余污泥产量高，剩余污泥中积累了重金属和微生物。如果处理不当，很容易导致二次污染。据统计,污泥处理费用约占整个污水厂运行费用的45%~60%。因此,污泥处理问题已经成为阻碍活性污泥工艺正常运行的重要因素之一。为此,众多学者进行了污泥减量化研究,试图降低污泥的处理费用并缓解其对环境的污染。目前提出的污泥减量化方法有:臭氧氧化、代谢解偶联、酸碱调节、超声波处理、强化微生物隐性生长、动物捕食等,它们均可实现不同程度的污泥减量,但由于费用昂贵、运行条件难以控制等原因,限制了其在工程上的广泛应用。为同时去除城市污水中的有机物、氮、磷等污染物,实现污水、污泥的同步处理,笔者提出了水解酸化/缺氧—厌氧—好氧(HAAO)工艺,并对该工艺的除污效果、污泥减量效果及其主要运行参数进行了研究,以期为污水处理厂的节能降耗、稳定运行和升级改造提供技术支持。1试验材料和方法1.1不同处理的区见表1工艺流程如图1所示。水解酸化反应器采用升流式复合厌氧污泥床反应器(由悬浮污泥区、泥水分离区、生物膜强化区组成),其有效容积为21L,HRT为3.5h;缺氧反应器的有效容积为12L,HRT为2h;厌氧反应器的有效容积为6L,HRT为1h;好氧反应器的有效容积为30L,HRT为5h。将反硝化前置既可以充分利用污水中的有机物作为反硝化反应的电子供体,又可缓解有机负荷过高对后续硝化段的负面影响。1.2原水水质以北京某大学家属区的生活污水作为试验用水,其水质见表1。1.3仪器和分析方法COD:5B-1型COD快速测定仪;NO-3-N:麝香草酚分光光度法;NH+4-N:纳氏试剂分光光度法;PO3-43−4-P:钼锑抗分光光度法;NO-2-N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;TOC、TN:MultiTOC/TN分析仪;SS、MLSS、MLVSS:重量法。1.4反应器的挂膜及接种污泥污泥驯化包括三个阶段:①水解酸化反应器和A/A/O反应器的各自启动。水解酸化反应器的接种污泥取自某UASB反应器,经淘洗后加入反应器,初始污泥浓度为5g/L;生物膜强化区的填料先在好氧SBR工艺中进行挂膜,然后加入水解酸化反应器;A/A/O反应器的接种污泥采用北京某污水处理厂(主体工艺为氧化沟)的沉淀池回流污泥,初始污泥浓度为3g/L。②水解酸化反应器和A/A/O反应器的串联启动。将水解酸化反应器和A/A/O反应器串联,采用逐渐加大系统有机负荷的方法对系统污泥进行驯化。③将部分剩余污泥回流至水解酸化反应器,采用逐步加大流量的方法,对水解酸化段污泥进行驯化。2结果与讨论2.1处理效果分析稳定运行期间(Qair=0.5m3/h,SRT=15d),系统进水COD、NH+4-N、TN、PO3-43−4-P浓度分别为(286~425)、(36~58)、(42~61)、(4~12)mg/L,属于典型的低浓度城市生活污水,且水质波动较大,但最终处理出水的COD≤50mg/L、NH+4-N≤3mg/L、TN≤13mg/L、PO3-43−4-P≤1mg/L,平均去除率分别达95%、98%、84%、87%。由此可见,该系统对有机物具有稳定而良好的去除效果,并实现了同步脱氮除磷。污染物浓度沿流程的变化如图2所示,其中Inf、Eff分别代表系统进、出水,S代表水解酸化段,A1、A2代表缺氧段,A3代表厌氧段,O1~O6代表好氧段。由图2可知,污水经水解酸化反应器处理后COD浓度降低,去除率约为30%,这主要是由于物理吸附、沉降和微生物降解所致;而TOC、NH+4-N浓度略微升高,这是因为难降解的COD经水解酸化后转化为易降解的COD,同时回流剩余污泥中的部分有机物在水解酸化菌的作用下转化为挥发性有机酸(甲酸、乙酸等),部分氨基酸水解后释放出了NH+4-N。经计算,采用水解酸化处理后BOD5/COD值由0.53升高至0.74,污水的可生化性得到提高,从而可有效提高后续缺氧反应器的反硝化速率。酸化段出水中的PO3-43−4-P浓度由原水的6.4mg/L升高至22.5mg/L,主要是由于回流剩余污泥发生了厌氧释磷所致。在A1段有机物浓度大大降低,主要是由于硝化液和污泥回流稀释所致;A2段主要用于反硝化脱氮和进一步去除COD;A3段用于释磷,经计算释磷率约为180%;在O1~O6段主要完成COD降解、好氧吸磷和硝化过程。因此,在该工艺中可实现同步脱氮除磷及污泥减量化。2.2cair对cod、tn的去除效果以及系统硝化效果在保持系统其他运行参数不变的条件下,通过调节曝气量(Qair)来改变好氧段的溶解氧浓度,考察好氧段的溶解氧浓度对系统去除污染物的影响,结果如图3所示。在试验条件下,对COD的去除率均超过70%,随着溶解氧浓度的升高则对COD的去除率逐渐增加,当Qair>0.4m3/h时,对COD的去除率>95%,并且随着溶解氧浓度的进一步升高,对COD的去除率稳定在95%左右。随着溶解氧浓度的升高则对NH+4-N的去除率逐渐增加,当Qair=0.5m3/h时,系统对NH+4-N的去除率>96%。当Qair=0.4m3/h时,系统对TN的去除率达到最大值(84%);当Qair<0.4m3/h时,系统的硝化效果较差,导致对TN的去除率也有所降低;当Qair>0.4m3/h时,回流硝化液中的溶解氧浓度较高,导致反硝化段的脱氮效率降低。因此,溶解氧浓度过高或过低均不利于系统脱氮。当Qair=0.5m3/h时,系统对PO3-43−4-P的去除率达到最大值(87%),增加或减少曝气量均会使对PO3-43−4-P的去除率降低。综上所述,通过调节好氧段的溶解氧浓度可实现对污染物的最大去除,当Qair=0.5m3/h时,系统的整体除污效果最好,对COD、PO3-43−4-P、NH+4-N、TN的去除率分别为95%、87%、97%、83%。2.3srt的影响在保持系统其他运行参数不变的条件下,通过控制系统排泥量来改变A/A/O段的SRT,不同SRT下系统对污染物的去除效果如图4所示。在试验条件下,对COD的去除率均超过80%,且随着SRT的增加则对COD的去除率升高,当SRT≥15d时对COD的去除率>95%并保持稳定。随着SRT的增加则对NH+4-N的去除率逐渐升高,当SRT>15d时,系统对NH+4-N的去除率>95%。当SRT=20d时,系统对TN的去除率达到最大值(85%),延长或减少SRT均会使对TN的去除率降低,这是因为当SRT<20d时,系统的硝化效果较差;而当SRT>20d时,尽管活性污泥的硝化性能提高,但反硝化活性却降低,因此SRT过长或过短均不利于系统脱氮。当SRT=5d时,系统对PO3-43−4-P的去除率达到最大值(91%),随着SRT的延长则对PO3-43−4-P的去除率降低,原因主要是较短的SRT有利于聚磷菌的富集生长。由此可见,通过调节系统A/A/O段的SRT可实现对污染物的最大去除,当SRT=15d时系统的整体除污效果最好,对COD、PO3-43−4-P、NH+4-N、TN的去除率分别为95%、78%、92%、83%。2.4对水质的影响保持系统其他运行参数不变,研究了不同剩余污泥回流比(Res)下系统的脱氮除磷效果,结果如图5所示。由图5可知,Res对去除COD和NH+4-N的影响较小;对TN的去除率则随Res的增加而上升,这是因为Res越大,水解酸化反应器出水中可溶性COD的含量越高,能够促进反硝化反应的进行;Res对系统除磷的影响也较大,随着Res的增加则对PO3-43−4-P的去除率降低。就总体而言,当Res为0.4%~0.6%时,系统对各种污染物的去除效果均较好,对COD、PO3-43−4-P、NH+4-N、TN的去除率分别可达95%、86%、97%、76%以上。2.5u3000污泥减量率水解酸化反应器采用新型复合式水解酸化反应装置,其水力停留时间维持在3.5h,固体停留时间维持在40d,因此回流剩余污泥可以在水解酸化反应器内得到有效降解,从而实现污泥减量。此外,水解酸化单元可去除约30%的COD,并提高了污水的可生化性,因而使后续好氧单元的污泥表观产率系数(Ke)大大降低。测定结果显示,在试验初期由于水解酸化效率较低,随着回流剩余污泥量的增加,水解酸化反应器内的污泥浓度(MLSShy)快速升高,7周时MLSShy由最初的5500mg/L增加到7310mg/L。为了防止MLSShy过高,逐渐减少了剩余污泥回流量,于是MLSShy逐渐降低,说明此时因水解而减少的污泥量大于回流的污泥量,水解酸化效率逐渐提高,至第22周回流剩余污泥量稳定在4.2g/d(Res=0.5%)左右时,MLSShy稳定在5000mg/L左右,系统趋于平衡。试验期间A/A/O段的MLSS维持在3000mg/L。水解酸化反应器的污泥减量率可按下式计算:Re=ΔΜLSS回流-ΔΜLSS取样-ΔΜLSS水解ΔΜLSS回流×100%(1)Re=ΔMLSS回流−ΔMLSS取样−ΔMLSS水解ΔMLSS回流×100%(1)式中Re——剩余污泥减量率ΔMLSS回流——回流的剩余污泥量ΔMLSS取样——污泥取样量ΔMLSS水解——水解酸化反应器增加的污泥量经计算,水解酸化反应器在稳定运行期间的污泥减量率达30%,此时如果增加回流剩余污泥量,则污泥减量率将进一步升高,但当回流剩余污泥量>6g/d时,会使水解酸化反应器出水PO3-43−4-P>25mg/L,最终导致系统出水PO3-43−4-P>1mg/L。试验过程中MLVSS/MLSS值首先升高,主要是由于水解酸化效率较低,使污泥积累所致;然后随着水解酸化效率的提高,MLVSS/MLSS值逐渐降低,这是因为剩余污泥中的可溶性成分全部转化为有机酸流出,而难降解成分则在反应器内发生了积累,所以随着运行时间的增加,水解酸化反应器内的MLVSS/MLSS值逐渐降低。系统稳定运行期间,好氧段的Ke由最初的0.32gMLSS/gCOD降至0.18gMLSS/gCOD,与传统工艺的0.30gMLSS/gCOD相比,污泥产量降低了40%。整个试验过程中系统的剩余污泥排放量逐渐减少,22周后趋于稳定,剩余污泥排放量由最初的10.8g/d减少至4.7g/d左右,因此与传统工艺相比,该组合工艺能够实现污泥减量约56.5%。3各物理性能的去除效果①水解酸化/缺氧—厌氧—好氧组合工艺具有较高的污染物去除率。在进水COD为286~425mg/L、NH+4-N为36~58mg/L、PO3-43−4-P为4~12mg/L、总水力停留时间为11.5h及无外加碳源和碱度的