厌氧-需氧废水处理程序的应用及策略

傅 刚

(沈阳大学,辽宁 沈阳 110044)

厌氧-需氧废水处理程序的应用及策略

傅 刚

(沈阳大学,辽宁 沈阳 110044)

介绍了厌氧-需氧废水处理程序的优越性及其在低温地区的应用,指出厌氧-需氧废水处理程序的调控策略和光电子工业废水的厌氧-需氧废水处理方法·

废水处理;生化需氧量;总氮;去除率

以牺牲环境为代价的经济增长,在提高了人民生活水平的同时,也给人民的日常生活带来了危害,还令其后的环境治理付出更加高昂的代价·从1998年到2007年,光投入治理太湖的资金就超过百亿元,但却未见明显成效[1]·治理云南的滇池,从2008年至今已投入120亿元,但其水质仍未达到要求·据滇池管理局透露,还需投入上千亿元并经不间断的治理,到2020年方可到达3级标准(符合饮用的标准)[1]·而安徽巢湖的治理,预计投入500亿元才能见效·

要解决水体污染问题最好的方法是从源头抓起,就是不让废水流入水体中,但这是很难做到的·因为随着经济的发展,人口的增长,工农业生产及日常生活中排放的废水在不断上升·那么,唯一能够降低水体污染的办法就是保证废水在排放到水体之前达到环保标准·这一环保措施在一些发达国家已经得到严格执行并取得良好效果·但在发展中国家,因认识上、经济上及技术上存在的问题,使得环境保护方面的成效并不显著·

1 厌氧-需氧废水处理程序的优越性

废水处理是一个非常重要且非常复杂的问题,不仅在处理级别上有区分,在处理方法上也千差万别·因此,对源于不同产业的废水要采用不同的处理方法,即使是同一产业来源的废水,也因其所含成分及浓度的不同,在处理方法及操作程序上都要有所不同,这样才能达到预期效果·

废水处理中较多采用的微生物学处理方法是通过微生物的活动将废水中有机物转化为稳定的、无害的物质的过程·根据起作用微生物的不同,可分为需氧微生物处理和厌氧微生物处理两种类型·需氧微生物处理的特点是反应速度较快,所需反应时间短,处理系统的建筑容积小,处理过程中散发的臭气较少,是一种较传统且广泛应用的处理方法·一般生化需氧量(BOD5)质量浓度小于500 mg/L的中低浓度有机废水,多采用此种方法·而厌氧微生物处理的特点是在处理过程中无需另加氧源,故运行费用较低·它还具有剩余污泥量小、可回收能量(CH4)等优点·但相对于需氧微生物处理来说,其缺点是反应速度慢、时间长,处理系统的建筑容积较大·对于有机污泥和质量浓度高的有机废水ρ(BOD5＞2 000 mg/L),则采用厌氧微生物处理法效果更好些·

不过,单纯的需氧处理和厌氧处理虽各有优点,但也各有缺点·为突出两种程序的优点和弥补两者的不足,近年来在废水生物学处理领域将两者综合起来运用,开发了一种新技术,即厌氧预处理和需氧后处理技术·该处理技术的特点是:①高效率地去除有机物和营养物;②较低的能源需求;③相对较短的水力停留时间;④较多的生物气体生成;⑤污泥生成量相对较少[2]·

2 厌氧-需氧废水处理程序在低温地区的应用

E.Gasparikova等人针对斯洛伐克年平均气温较低,人口居住分散的特点,采用厌氧-需氧相结合的处理方法取得了较理想的效果·在斯洛伐克,对于分散居住居民的废水处理,普遍采用小规模废水处理器,其中较广泛使用的是Johkasous处理器(带有恒定流量控制体系的厌氧反应床和接续的有氧生物膜反应器)·对该处理器运行效果的调查统计表明其去除BOD5的效果良好,有70%经处理的出水中ρ(BOD5)＜20 mg/L·同时还发现,BOD5和总氮(T-N)去除率随处理水循环次数的增加而提高·在循环率为3Q～10Q(Q为入水流量)时,出水中 T-N可控制在15 mg/L·但该设施在处理饭店和旅馆废水时,会因入水中油脂含量高而影响BOD5的去除效果·当入水中油脂含量超过30 mg/L时,经该设施处理的出水则达不到排放标准[3]·

调查还发现,Johkasous设备的厌氧-需氧生物膜反应过程中,除氮的硝化过程呈现在一个有限阶段中,不同流量和不同循环率对硝化菌的活动都会产生不同的影响·当温度为10℃时,经循环可使硝化作用提高65%·在厌氧处理时发现出水中挥发性脂肪酸(VFA)浓度升高·特别是在无循环的情况下,有氧生物膜反应器中发现亚硝酸盐氧化抑制及亚硝酸盐的富集·因此,在小型厌氧-需氧生物膜处理过程中,为促使VFA的硝化和反硝化作用及生物降解活动,必须对处理中的废水进行循环处理[4]·

在此基础上,E.Gasparikova等在斯洛伐克南部城市Bratislava进行了一次大规模试验,包括两个试验型处理器(AN-I和AN-Ⅱ)和7个现场应用的中小规模民用废水处理设施·试验用废水处理器包括1个初级沉淀池、1个厌氧屏蔽系统、1个有氧区和1个二级沉淀池·在为期两年的试验中发现,尽管冬季气候条件不利,但所有的监控参数(COD,BOD5,SS,NH4-N,NO3-N,NO2-N)的物质去除率均很高·COD和BOD5的出水值和去除率均达到了低负荷有氧处理系统的标准·冬季第一个月份两个试验处理器的硝化作用均极为明显·之后,随气温降至低限,硝化作用明显减弱·但从全年的处理效果看,这一低温阶段的影响并不大·这一试验结果很令人鼓舞,它证明了不仅在热带气候国家可采用这种废水处理方法,而且在像斯洛伐克这样低温地带的国家,同样可在自然条件下进行这一方式的废水处理·

接下来他们又对投入市场应用的、按上述原理建造的AS-ANA型废水处理设备的运行进行调查监测·调查结果显示,这一设备对于去除有机物和悬浮固体非常有效·在温度适宜的情况下,去除营养物的效果也很好,且能源消耗要比小型有氧废水处理器低25%～40%·同时,该处理设备能降低淤泥的生成,最高可达40%·

对AS-ANA型废水处理设备运行中产生的问题进行分析发现,若废水中含油脂过高或入水量超过设计负荷,都会影响处理效果·废水流量的波动也是一个干扰因素·另一个问题是操作技术问题,如送风机不能保证向有氧区输送氧气等·

3 厌氧-需氧废水处理程序的调控策略

常规的技术操作可保证废水处理达到基本标准,而巧妙的技术操作则可获得意外的效应·L.Steven等采用水力加载策略,通过现场废水流量的内部间歇性控制,获得了除氮最大化的效果·该试验是在美国俄亥俄州蒙哥马利县进行的,历时380 d·所获结果是:在各种运行条件下,BOD5和TSS去除效果均很好,出水中两者的质量浓度可保持在10 mg/L以下·若保证废水即时流量较低,即使日负荷量很高,出水中 T-N质量浓度也可维持在10 mg/L以下[5]·

这一水力负荷调控策略的原理是:在传统的废水处理(主要是去除废水中BOD5和 TSS)基础上,将有机氮和氨(总凯氏氮)硝化为硝酸盐,并进一步将硝酸盐反硝化为氮气,从而使废水中BOD5和 TKN(总凯氏氮)浓度低于微生物生长繁殖所需的水平·而这一过程要求有多种微生物的存在和相应的环境:①将BOD5氧化为二氧化碳和水需要异养菌和有氧条件;②将有机氮和氨硝化为硝酸盐需要自养菌和有氧条件,在实质的硝化过程发生之前,BOD5必须基本消耗殆尽;③将硝酸盐反硝化为氮气要求异养菌和厌氧条件,而脱氮微生物需要易降解的碳源·

为获得多重细菌和氧化-还原反应环境,人们通常使用多重反应池·若采用连续性反应池,在进行硝化和反硝化时必须添加碳源,因为废水进入硝化池时,BOD5已大部被消耗掉·在序批式处理系统中,每一处理阶段的反应环境也均不相同,包括填料,反应,沉淀,清池等程序·无论是哪一种处理程序,都设有多个环境区,这一固有特性可被巧妙地应用于废水加载策略上·特别是对于现场产生的废水来说,其流量必然是变化无常的·为控制废水处理达到排放标准,则必须控制废水的加载量·不过这并不难办,只是增加一个等量的储备池和一个加载装置即可·该试验所采用的是现有的废水处理系统,所不同的是采用了30个由聚酯纤维制成的毡面过滤网袋,总面积约12.5 m2,用于固体和液体的分离·网袋表面有利于生物层的形成,从而有助于反硝化反应·

试验用入水来自蒙哥马利县废水处理厂的一个日流经量约2 273L的废水循环池(主要为民用废水,工业废水仅占10%左右)·向入水池内注水根据需要而定,由一个电平开关控制,当水位下降至约占池中容积的15%左右时启动·入水池内有一潜水泵,每隔20 min排空454.609 L废水,以便于水的混合及减少表面浮垢的形成·

该试验是分4个阶段进行的,目的是获得除氮最大化的条件·在试验的各阶段对一个或一系列变量(包括加载量、加载时间、间歇时间,即时流量、日总流量等)加以改变,直到获得可预计的效果为止·表1示出该试验所获BOD5等4个参数的试验结果·

表1 Steven等废水除氮最大化的试验结果 mg·L-1

4 光电子工业废水的厌氧-需氧处理

不仅是民用废水,工业废水也可采用厌氧-需氧程序进行处理·T.K.Chen等在台湾采用这一程序对光电子学工业废水处理进行研究,探索对高浓度有机氮工业废水处理时,为达到最大去除率的运行条件和注意事项·他们认为:用生物学方法处理高浓度有机氮工业废水时,pH值的控制是至关重要的·此外,水力停留时间(HRT)和混合液体的循环率(MLR)对有机氮的去除率均有很大影响[6]·

由于光电子工业在加工过程中大量使用有机溶剂(如显影剂、清除剂、洗涤剂等),致使废水中含有大量的有机氮,如乙醇胺(MEA)和四甲基氢氧化铵(TMAH)·对于这类废水的处理最有效的方法就是采用生物学除氮程序(包括硝化和反硝化作用)·

硝化过程分两步将铵转化为硝酸盐:第一步由亚硝化单胞菌将铵转化为亚硝酸盐;第二步由硝化细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐·而这两种硝化菌对运行条件(如pH值、温度、溶解氧)都很敏感[7]·为获得最大硝化率,所有这些参数都应保持在特定的范围内·例如:温度应保持在28～33℃之间,硝化过程的pH值最佳范围是7～8,而硝化微生物对低于1 mg/L的氧质量浓度则很敏感·反硝化是通过脱氮微生物将硝酸盐转化为氮气的厌氧异养过程,脱氮微生物则需要外来碳源进行生物合成和产生能源·

因此,生物学除氮过程的效果取决于硝化微生物和脱氮微生物的活力·与民用废水不同,光电子工业废水中含有高浓度的氮及特殊有机化合物,他们可能影响到微生物活性,从而影响到生物学除氮效果·

鉴于这一基本情况,T.K.Chen等对一家TFT-TCD(薄膜晶体管液晶显示屏)制造厂的工业废水,在不经稀释的情况下进行生物学处理的研究·在近一年的时间里,总共进行了13轮试验·其中8轮试验意在检验HRT的影响,另5轮试验则为探索MLR的影响·各轮试验中所用废水的COD质量浓度在500～2 500 mg/L之间,T-N质量浓度在95～295 mg/L之间,pH值在10～11之间·

因为已知废水中 T-N浓度很高,为避免硝化和反硝化活动受到抑制,每个水池的pH值都自动控制在7～8,用水浴进行恒温调节维持温度在30℃·用蠕动泵以不同的速度将初始废水注入pH值调节池与循环水进行混合,之后泵入厌氧池·在厌氧池中用搅拌机以100 r/min进行混合·需氧池底部通过有孔透气石进行充气,以保持内容物的充分混合及维持溶解氧浓度在2 mg/L以上·混合液通过蠕动泵由厌氧池注入需氧池·

试验结果表明,在适合的 HRT(＞1.7 d)和MLR(＜4Q)的条件下,该处理程序可去除92%～98%的碳源和80%的 TKN,70%的 T-N·

5 结 论

(1)在对工业废水进行生物学除氮处理之前,很重要的一项工作是鉴别有哪些成分会对硝化微生物和脱氮微生物产生抑制作用·该试验中的光电子工业废水中具有抑制作用的因素包括有机氮复合物(TMAH,MEA)和高pH值·

(2)作为处理未经稀释的光电子工业废水的一种方法,厌氧-需氧预处理程序具有很大的发展空间·在适合的 HRT(＞1.7 d)和MLR(＜4Q)条件下,出水中铵、硝酸盐和COD可分别降至20 mg/L、30 mg/L 和80 mg/L·

(3)低比例输入COD/T-N(＜10)的条件下,提高MLR至5Q可以改变碳与硝酸盐的比例,这对于完全反硝化是非常必要的·此外,需氧池中碳/氮比值高会导致不完全反硝化,而有氧池中氨的积累会抑制硝化作用并降低总氮去除率·

(4)一般来说,MLR有一个最佳值,它可促使完全反硝化并使出水中氮浓度降至最低·该试验中MLR最佳值为4Q·将MLR提高至5Q或6Q,可致氨的积累并造成硝化抑制·

[1] Hu Yinan,Li Jing,Wang Shanshan.Growing Costs[N].China Daily,2010-01-22(6).

[2] Gasparikova E,Kapusta S,Bodik I,et al.Evaluation of anaerobic-aerobic wastewater treatment plant operations[J].Polish Journal of Environmental Studies,2005,14(1):29-34.

[3] Nakajima J,Fujimora Y,Inamoei Y,et al.Performance evaluation of onsite treatment facilities for wastewater from households,hotels and restaurants[J].Water Science and Technology,1999,39(8):85-92.

[4] Takai T,Hirata A,Yanauchi K,et al.Effects of temperature and volatile fatty acids on nitrification-denitrification activity in small-scale anaerobic-aerobic recirculation biofilm process[J].Water Science and Technoloty,1997,35(6):101-108.

[5] Steven L,Marianna L,Robert A,et al.Maximizing total nitrogen removal from onsite-generated wastewater[J].Journal of Environmental Health,2006,68(6):25-32.

[6] Chen T K,Ni C H,Chen JN,et al.Nitrificationdenitrification of opto-electronic industrialwastewaterby anoxic/aerobic process[J].Journal of Environmental Science and Health,2003,38(10):2157-2167.

[7] Wiesmann U.Biological nitrogen removal from wastewater[M]∥Schepex.Advances in Biochemical and Engineering/Biotechnology:51.Berlin:Springer-Verlag,1994:114-154.

Application of Anaerobic-aerobic Wastewater Treatment Process and Strategies

FU Gang

(Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The advantagesof anaerobic-aerobic wastewater treatment process and the application of it in low temperature region are introduced.The control strategy of anaerobic-aerobic wastewater treatment and the anaerobic-aerobic wastewater treatment of optoelectronics industry are proposed.

wastewater treatment;biochemical oxygen demand;total nitrogen;removal rate

X 703

A

1008-9225(2010)06-0004-04

2010-07-19

傅 刚(1955-),男,辽宁西丰人,沈阳大学副教授,硕士·

【责任编辑 张耀华】