嵌入式旁路污泥减量污水处理系统研究

晏 鹏 ,吉芳英 *,王 静 ,范剑平 ,颜达超 (.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045；.重庆建筑工程职业学院建筑工程系,重庆 400039)

近年来,随着城市污水的快速增长和污水处理厂排放标准的越来越严格,剩余污泥的产量也同步快速增加[1-3].大量未稳定处理的污泥已成为城市污水处理厂的沉重负担和环境的严重威胁[4].如何在污水处理过程中最大限度的减小污泥产量(污泥过程减量化技术)已成为近几年研究的重点[5-11].但目前众多的研究处于实验室小试的探索性阶段,中、大规模的污泥减量工程示范较少,其研究结论存在着一定的差异性和不确定性.另一方面,在中国大多数污水处理厂为了节约成本和保证脱氮除磷所需的碳源,通常取消了初沉池,传统沉砂池通常情况下只能有效去除大于0.2mm的无机砂颗粒,这样就使得小于0.2mm的特细无机颗粒物(砂)不能得到有效去除,直接进入生物处理系统.同时国内大部分城市排水体制混乱及排水管网雨污分流不彻底,从而导致降雨初期大量的泥沙随污水进入污水处理厂.这样就造成了细砂在污水处理系统中逐渐积累[12].而污泥减量技术的运用如延长污泥停留时间(SRT),在减少剩余污泥量方面已取得良好效果,但是在减少剩余污泥排放量的同时也减少了惰性或无机物质(砂)的排放量[13-14].这就使得淤砂在污水处理系统的积累更加严重.直接导致活性污泥的MLVSS/MLSS 比值降低,通常只有 0.3～0.5[15](远小于常规活性污泥法中的0.7这一经验参数).由于细沙在污水处理系统中长期积累,不仅影响了污水的处理效果和污水处理系统的稳定运行,而且还加大了对各种设备的磨损.

针对目前污泥过程减量技术所存在的问题以及污水处理厂无机物积累的问题,本课题组开发了一种集旁路污泥减量、污泥淤砂分离、侧流化学除磷、强化氮磷去除于一体的嵌入式旁路污泥减量污水处理系统.

1 材料与方法

1.1 试验流程与装置

图1 嵌入式旁路污泥减量污水处理系统流程示意Fig.1 Schematic diagram of the embedded side stream sludge reduction wastewater treatment system

嵌入式旁路污泥减量污水处理系统由4个子系统组成:(1)污水生物除磷脱氮系统、(2)旁路污泥强化水解酸化系统、(3)旁路污泥淤砂分离系统、(4)侧流化学除磷系统.该工艺系统通过碱解促进污泥减量及碳源化转化,碱解后的污泥作为碳源回流至生物除磷脱氮系统强化氮磷的去除.通过污泥淤砂分离保障污泥减量工艺无机淤砂的排除,防止无机颗粒在活性污泥中的积累.通过侧流化学除磷消除系统除磷效果对剩余污泥排放量的依赖,化学结晶产物农用.该工艺系统流程示意见图1.

试验装置为建在重庆市某城市污水处理厂现场的中试系统,中试规模为10m3/d.中试系统由CASS池、污泥强化水解酸化池、污泥淤砂分离器、侧流化学除磷池组成.污泥强化水解酸化池和污泥淤砂分离器嵌入在剩余污泥管线上.系统平均SRT为73d.污泥淤砂分离器是课题组根据旋流分离模型及原理开发的一种基于生物污泥与特细无机颗粒物(砂)之间的密度、粒径差异的无机物分离设备[16].其处理能力为5m3/h.

1.2 试验方法

系统每天运行 4个周期,每周期 6h,进水0.5h、曝气4h、沉淀1h、出水0.5h.每个周期的内回流污泥比为 20%其量为 0.5m3.系统 MLSS为(4600±200)mg/L.质量比为 4%(0.2m3)的活性污泥(沉淀后)从好氧区泵至污泥强化水解酸化池,污泥强化水解酸化池采用NaOH对污泥进行溶胞破解,NaOH投加量为0.09g/ g干污泥.污泥在减量池中的停留时间为 24h.经碱处理后的碳源化污泥(0.2m3)回流至生物选择区.与此同时,质量比约3%～4%的活性污泥被泵入污泥淤砂分离器,经过分离器分离后,溢流污泥回流至生物选择区而底流高含砂量污泥被排放出系统.化学除磷池接受厌氧区的富磷上清液,磷以化学结晶的方式被回收,完成泥水分离后,上清液回流至主反应系统进一步去除其他营养物质.

1.3 试验水质及分析方法

表1 试验进水水质及分析方法Table 1 Characteristics of wastewater influent

中试试验的进水来至该污水处理厂的细格栅后的渠道,进水水质见表 1.中试系统的接种污泥为污水处理厂的剩余污泥(其MLVSS/MLSS为0.33).

2 结果与讨论

2.1 系统出水水质

嵌入式旁路污泥减量污水处理系统可以通过 2种方式来强化生物系统的氮磷去除效率:第1方式就是通过污泥碱解使污泥碳源化,碳源化污泥作为内碳源回流至生物系统来强化生物系统的反硝化能力;第 2种方式就是通过排富磷上清液进行化学除磷来强化生物系统的除磷能力.如图 2所示,中试系统对各营养物具有良好的去除效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别达 到 了 (92.7±2.49)% 、 (98.2±1.34)% 、 (75.5±3.46)%和(95.3±1.65)%.在稳定运行期间,中试系统对各营养物的去除效率比较稳定,并没有出现明显的波动.

图2 系统出水NH4+-N、COD、TN、TP去除率Fig.2 The removal rate of NH4+-N、COD、TN and TP

图3 系统出水NH4+-N、COD、TN、TP浓度Fig.3 The effluent concentration of NH4+-N、COD、TN and TP

中试系统出水水质如图 3所示:出水ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和 ρ(TP)分别为(26.8±8.8),(0.5±0.3),(8.6±1.6),(0.14±0.04)mg/L,其范 围 分 别 为 11.8～39.6,0.1～2,4.5～10.4,0.1～0.2mg/L.系统出水水质不仅稳定达到一级 A标[17],各营养物出水浓度还远低于其限值.综合中试系统对营养物的去除效果和其出水水质可以看出:嵌入式旁路污泥减量污水处理系统具有良好的营养物去除能力.而这种良好的营养物去除能力正是得益于碱解污泥作为内碳源的回流和排富磷上清液进行化学磷回收.

2.2 系统MLVSS/MLSS的变化特征

图4 系统MLVSS/MLSS变化及处理单位水量的排砂量Fig.4 Variation in MLVSS/MLSS and girt removal with treatment per unit of wastewater of the pilot system

目前,中国大部分城镇污水处理厂一直受到特细砂积累的困扰,其活性污泥中MLVSS/ MLSS比值普遍较低.由于排砂量受到排泥量的限制,致使这种现象在运用了污泥过程减量技术(如长SRT)的污水处理厂更加凸显[18-19].中试系统的接种污泥是该系统所在污水处理厂的剩余污泥,由于该污水处理厂长期受到特细砂的影响所以致使其剩余污泥的MLVSS/MLSS只有0.33.从图4中可以看到:由于特细砂的积累,系统的初始MLVSS/MLSS值很低(0.33).在系统培养期,虽然系统的性能指标(如出水水质等)不稳定,但是由于污泥淤砂分离器在系统运行后就开始发挥无机物(淤砂)分离的作用,无机物不断地排出活性污泥系统,从而致使在系统培养阶段系统的 MLVSS/MLSS不断上升,其值从0.33上升到0.44.在系统稳定运行90d后,系统MLVSS/MLSS增加到0.52.因此,嵌入式旁路污泥减量污水处理系统有效地防止了惰性或无机固体在生物处理系统中积累,强化了生物系统对特细砂的去除(其处理单位水量所排砂量为 87.7g/m3,图 4).由于活性污泥通过分离器的作用使得污泥有机质与无机颗粒发生有效分离,污泥有机质(溢流污泥)返回到生物系统,高含砂量污泥(底流污泥)作为废弃污泥排放出系统.溢流污泥不断地去替换生物系统中的活性污泥,从而使得系统MLVSS/MLSS值逐渐提高.

2.3 系统的SRT和污泥减量性能

图5 系统SRT随时间的变化Fig.5 The SRT of the pilot system

SRT和污泥表观产率系数(Yobs)是衡量污泥减量性能的 2个重要参数.通常来讲,SRT越长,系统所排出的污泥量就越少.由于微生物的维持代谢和內源代谢在长 SRT条件下被强化.因此,系统将获得一个较低的污泥产率系数.在稳定状态下,其 SRT只与微生物的特定生长速率有关.图5中,系统平均SRT为73d,这个值远高于常规除磷脱氮活性污泥工艺中的 10～20d[20].因此,可以推断系统的产率系数将远小于常规活性污泥工艺中的产率系数.从图6可知:系统的产率系数为 0.103gVSS/gCOD,而常规活性污泥工艺的产率系数在0.4～0.8之间[21].中试系统处理每m3污水所排放的净污泥量(以干污泥计)为37gMLVSS/m3,而污水处理厂处理每 m3污水所排放的净污泥量(以干污泥计)为 95gMLVSS/m3.中试系统处理每m3污水所排放的净污泥量不到污水处理厂的一半.中试系统展现了良好的污泥减量性能.而这种良好的污泥减量性能是系统强化微生物的维持代谢和内源代谢(维持系统长 SRT条件)以及细胞溶解-隐性增长共同作用的结果.系统通过运行在长SRT条件下,使得系统中的活性污泥的维持代谢和內源代谢一直处于被强化的状态.而污泥碱解促使微生物细胞溶解为溶解态有机物,这些有机物被回流到生物处理系统被活性污泥降解和转化为简单的产物如二氧化碳、水和少量生物质.因此,嵌入式旁路污泥减量污水处理系统通过这两方面实现了污泥过程减量并展现了良好的污泥减量性能.

图6 系统污泥产率系数Fig.6 The observed sludge yield Yobs of the pilot system

3 结论

3.1 碱解污泥作为内碳源的回流和排富磷上清液进行化学磷回收使得中试系统对营养物具有良好的去除效果.出水水质能够稳定的达到一级A标,并远低于其限值.

3.2 由于污泥淤砂分离器的作用使得系统MLVSS/MLSS随着系统运行时间的增加而升高,其值从0.33增加到了0.52.系统依靠污泥淤砂分离器将高含砂量污泥作为外排污泥进行排放,有效地防止了无机砂颗粒在生物处理系统的积累.

3.3 在系统稳定运行过程期间,其表观产率系数Yobs为0.103gVSS/gCOD所以嵌入式旁路污泥减量污水处理系统展示了良好的污泥减量性能.

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