一体化An/O工艺处理市政污水的中试研究

蔡健明,操家顺,,侯晓帮,张玉涛

(1.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,江苏南京 210098;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098)

目前国内外对于活性污泥工艺脱氮的研究主要集中在脱氮新技术上,短程硝化[1-3]和同步硝化反硝化(SND)[4-6]是其中的两大热点.对于两者的结合,即亚硝酸盐型同步硝化反硝化(短程同步脱氮),由于其节能优势突出,近年来也有了大量的研究报道[7-9].但目前的研究尚存在几点问题:(a)研究主要集中在序列间歇式活性污泥法(SBR)等间歇流形式[10-11],而对连续流的研究甚少[12-13];(b)主要采用人工配水的形式[14-16],对于实际废水的研究也仅限于高碳氮比的水质条件[17-18];(c)大都停留在实验室小试阶段,大规模的试验鲜有报道;(d)主要针对脱氮进行研究,基本不考虑除磷的要求,这对同步脱氮除磷的现实需求帮助不大.

An/O模式是活性污泥法最基本的形式,一般认为主要以除磷为主,由于没有缺氧功能区,对脱氮的能力有限.一体化An/O工艺是集厌氧/好氧(低氧)生物反应器和沉淀池为一体的活性污泥工艺,是传统A2O工艺的改良和变形(将缺氧和好氧功能区合并成为一个低氧曝气区).本文以无锡市芦村污水处理厂初沉池出水作为研究对象,采用最基本的厌氧/好氧活性污泥模式处理实际市政污水,在好氧(低氧)区发生了同步硝化反硝化脱氮.通过维持低溶解氧,实现了对亚硝酸盐的逐步累积,并最终实现了高效的短程同步脱氮及磷和有机物的协同去除.

1 试验材料与方法

1.1 中试装置

试验的中试装置为一污水处理的活性污泥系统,采用一体化设计,将斜板沉淀与生物反应池连成一体.装置由集装箱改造而成,外形尺寸为:12.03m×2.35m×2.39m(长×宽×高),有效水深为2.19m,生物池有效容积约为58m3(图1).试验采用潜水泵进水,由空气提升器(风量仅占总鼓风量的5%～15%)代替传统的循环泵实现混合液内回流(内回流比r=3～4)和污泥回流(污泥回流比R=0.5).曝气区底部采用布满整区的长条曝气软管,并在末端设置在线溶氧仪.通过设定DO浓度范围,从而调节变频鼓风机风量.进水流量控制在5m3/h,水力停留时间(HRT)为11h左右.

1.2 试验用水

试验采用无锡市芦村污水处理厂三期初沉池出水作为中试装置进水.试验期间进水水质指标见表1.

图1 中试装置平面示意图Fig.1 Plane of pilot reactor

表1 中试进水水质Table 1 Characteristics of wastewater for pilot studies

1.3 分析项目与方法

COD,TP,TN,NH3-N,NO-3-N和NO-2-N等测定均采用国家规定的标准方法[19].水温采用水银温度计测定,DO采用S-14(ZULLIG)溶氧仪在线监测.

2 试验结果与分析

试验共分为3个阶段,阶段Ⅰ为亚硝酸盐累积期(1～70d),阶段Ⅱ为短程同步脱氮稳定期(71～123d),阶段Ⅲ(124～158d)为同步脱氮除磷调试期.

2.1 氮的去除效果

从反应器形式上而言,系统没有缺氧功能区,不可能有很好的反硝化效果,而研究结果却与之相反,这用传统脱氮理论是无法解释的.研究中,系统的曝气区始终处于低溶解氧状态(ρ(DO)＜0.45mg/L).在微环境上,曝气区处于有氧状态,有利于硝化菌群的生存;而如此低的溶解氧对大环境而言是缺氧的,有利于反硝化细菌生长.正是这种微环境好氧、宏观环境上缺氧的生境条件,使得曝气区能同时实现硝化和反硝化反应[20].也就是说,系统在曝气区中,发生了同步硝化反硝化的现象,从而达到了脱氮的目的.

图2 系统对TN和NH3-N的去除效果Fig.2 Removal efficiency of TN and NH3-N by pilot plant

系统在冬季(1月下旬)启动,受低温影响,脱氮效果一直不太理想.试验前70d(图2),出水ρ(TN)维持在13.1～31.8mg/L之间,平均23.4mg/L.ρ(NH3-N)维持在0.72～19.8mg/L之间,平均7.0mg/L.从图2可以看出,出水浓度的波动很大程度上受进水浓度的影响.对硝态氮进行不定期监测,硝酸盐质量浓度一直维持在10mg/L左右,亚硝酸盐质量浓度维持在0.5mg/L左右,最高为3.4mg/L.阶段Ⅰ脱氮主要以硝酸盐型同步硝化反硝化为主.系统在59～60d停电事故后重新启动,经历10d的调整,至71d,在对硝态氮的监测过程中,发现了52.90%的亚硝酸盐累积率(亚硝酸盐与硝态氮之比).系统从75d进入了亚硝酸盐的稳定累积期,出水亚硝酸盐平均累积率达82.52%(图3).Laanbroek等[21]研究发现,低溶解氧条件下,亚硝酸盐的积累是由于氨氧化菌AOB对DO的亲和力较亚硝酸盐氧化菌NOB强.AOB氧饱和常数一般为0.2～0.4mg/L,而NOB为1.2～1.5mg/L.Hanaki等[22]认为,当ρ(DO)＜0.5mg/L时,两类硝化细菌因基质受限而影响增殖速率,但AOB增殖速率约为正常时的60%,而NOB则不超过正常值的30%.这表明AOB对有限溶解氧的竞争力强于NOB,使AOB增殖和氧化速率比NOB高,在低溶解氧下,AOB的活性远大于NOC.本文的试验正是长期维持低溶解氧环境,逐渐淘洗NOB,从而获得持久稳定的亚硝酸盐累积.82d起,系统进入了短程同步脱氮稳定期,在稳定期系统取得了良好的TN去除率,出水平均ρ(TN)=10.8mg/L,TN满足一级达标率A(≤15.0 mg/L),达标率为95.2%.阶段Ⅱ系统脱氮主要以亚硝酸盐型同步硝化反硝化为主.

试验阶段Ⅲ从124～158 d,在兼顾脱氮的同时考察最优除磷效果.系统最大的变化是加大了排泥量,使得泥龄缩短为15 d,ρ(DO)升高至0.30 mg/L.由于ρ(DO)提高,影响了亚硝酸盐的生存环境,短程硝化受到影响.124 d起,亚硝酸盐平均累积率虽然尚有31.21%,但显然已遭到破坏.出水 ρ(TN)也随之升高,但能保持在20mg/L以内.随着试验的进行,系统脱氮逐渐转向全程脱氮.出水氨氮则由于ρ(DO)的升高得到了很好的保证,出水平均质量浓度为1.12mg/L.

图3 TP,TN去除率和亚硝酸盐累积率与ρ(DO)avc的变化Fig.3 Relationship between TP and TN removal rates and variation of nitrite accumulation rate with ρ(DO)ave

2.2 COD的去除效果

虽然曝气区ρ(DO)较低,但试验期间系统始终保持了相当高的COD去除率.运行稳定期出水ρ(COD)在39.2～67.9mg/L之间,平均53.6mg/L(图4).系统对COD的去除率为68.3%～94.9%,平均去除率达到85.8%.

对进水碳组分分析[23]发现,进水中惰性颗粒性有机物XI占到总进水(初沉池出水)COD的34%.这部分COD的去除很大程度上取决于二沉池的沉降效果,而中试装置受高度所限,沉淀区高仅2.1m,在很大程度上不能充分发挥沉淀效果,从而影响了COD的去除效果.对出水采用0.45μ m膜滤后得到的可溶性COD与出水COD比较,ρ(COD)降低了7.26%～46.0%,平均去除率19.7%.说明在生产应用中妥善处理好沉淀问题,COD的去除效率还有很大的提升空间.

2.3 磷的去除效果

为了考察系统的脱氮形式,试验前2个阶段调试始终以TN为目的,无论是对HRT还是 ρ(DO)的调整,都取决于TN的去除效果.尽管如此,TP的去除还是取得了较好的效果,去除率维持在80%以上(图5).出水ρ(TP)(滤后)为1.34mg/L.阶段Ⅲ在兼顾TN的同时考察TP的最佳去除效果.ρ(DO)的升高和泥龄的缩短在一定程度上改善了出水TP.出水ρ(TP)(滤后)在0.59～1.66mg/L之间,平均为1.03mg/L.试验TP去除效果不佳的原因主要有:(a)为了强化脱氮,中试装置污泥未全部回流至厌氧区(部分回流至曝气区首端),从而部分影响了厌氧释磷的效果;(b)沉淀高度受装置高度限制(水面标高2.19m,出水孔标高2.10m),底部受空间所累采用平板设计,未设置V形集泥槽,从而不能充分发挥沉淀效果;(c)进水ρ(TP)偏高(平均12.1mg/L),冲击负荷大.考虑到排放要求,建议后续添加化学辅助除磷措施,从而确保TP的达标排放.

图4 COD的去除效果Fig.4 Removal efficiency of COD by pilot plant

图5 TP的去除效果Fig.5 Removal efficiency of TP by pilot plant

2.4 最佳ρ(DO)范围

要实现亚硝酸型同步硝化反硝化,关键在于将NH3-N氧化过程控制在阶段,阻止阶段,阻止进一步氧化,然后直接进行反硝化.但是,在开放、动态的反应系统中,往往很难持久稳定地维持较高亚硝酸盐的积累并实现同步硝化反硝化.目前对该现象的理论解释还不充分.但通过维持较低ρ(DO)以获得亚硝酸盐的积累已得到了大部分学者的认可[24-26].大多生产性试验[27-28]的结果认为,ρ(DO)应控制在0.5～2.5mg/L之间.

试验采用S-14(ZULLIG)在线溶氧仪,控制精度为0.05mg/L.系统对ρ(DO)的控制范围设定为(X±0.10)mg/L.比较试验稳定同步脱氮期间,不同ρ(DO)条件下TP,TN去除率和亚硝酸盐累积率变化情况(图3),发现TP去除率与 ρ(DO)成正比,ρ(DO)越高则TP去除率越大.而亚硝酸盐累积率则相反,与 ρ(DO)成反比,但在短时间(2～4个HRT)内,能维持短程硝化现象稳定存在.116d起,由于 ρ(DO)始终维持在0.30mg/L左右(不超过0.45mg/L),短程硝化现象才逐渐被破坏.TN的去除率变化表现出短时间内随ρ(DO)升高而升高,但从长时间段(大于4个HRT)表现看来,最终与亚硝酸盐累积率降低同步变化.

通过分析发现,ρ(DO)=0.30mg/L是该试验稳定维持短程同步脱氮状态的上限.为了取得维持短程同步脱氮前提下的最佳TP去除,研究认为,在该试验水质条件下,最佳 ρ(DO)=0.25mg/L,即最佳ρ(DO)范围为0.15～0.35mg/L.

该试验得到的最佳ρ(DO)范围和大量文献报道的0.5～2.5mg/L相比,达到了一个更低的水平.分析原因主要有:(a)系统采用DO在线监测曝气区末端最高ρ(DO),这使得曝气区前段的DO始终处于被完全利用的状态,从而有效地降低了需氧量;(b)曝气区采用软管曝气,曝气孔小,空气气泡相对于目前应用广泛的盘式、管式曝气而言更小,从而使得气泡的上升速度小,在水中的停留时间更长,即氧利用率高;(c)好氧微环境的存在,使得系统的ρ(DO)满足了硝化菌群所需氧量.

3 结 论

a.在常温(8～20℃)条件,维持低 ρ(DO)条件,活性污泥经过一段时间的驯化,系统进入稳定期,表现出良好的短程同步脱氮现象.出水 ρ(TN)在6.1～16.0 mg/L之间,平均10.8mg/L,亚硝酸盐平均累积率达82.52%.同时,COD和TP也有良好的去除效率,出水ρ(COD)保持在39.2～67.9mg/L之间,平均53.6mg/L,出水ρ(TP)在0.57～2.12mg/L之间,平均1.34mg/L.但受到中试沉淀高度限制和进水污染物浓度偏高等影响,生物除磷需与化学辅助除磷相结合.

b.提高 ρ(DO)能提高TP和氨氮的去除效果,但却影响了亚硝化现象稳定存在的生境条件,从而最终影响了短程同步脱氮的效率.研究表明,ρ(DO)=0.30mg/L是该试验稳定维持短程同步脱氮状态的上限.在该试验条件下,最佳 ρ(DO)为0.25mg/L,即最佳 ρ(DO)范围为(0.25±0.10)mg/L.

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