压力变化对活性污泥脱氮除磷效能的影响

赫俊国，冯靖涵，王越飞，辛晓东，赵　聪，时　贤

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨150090)



压力变化对活性污泥脱氮除磷效能的影响

赫俊国，冯靖涵，王越飞，辛晓东，赵聪，时贤

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨150090)

曝气压力对活性污泥工艺的运行效能具有较大影响，通过改变曝气压力，考察了活性污泥系统中硝化反硝化、生物除磷等过程的性能变化，论述了曝气压力变化对活性污泥脱氮除磷的强化效果.试验结果表明，恒定高压力曝气和高压变压力曝气均可强化活性污泥对水中污染物的高效快速降解效能.恒定曝气压力下，在0.5～0.7 MPa左右时，污染物的去除效果最优，COD在3 h内降解至100 mg/L以下，去除率大于80%，出水氨氮在15 mg/L以下，去除率在60%以上，出水TP在0.5 mg/L以下，去除率约为95%.高压变曝气压力下，当压力变化间隔为20 min，即总运行时长为140 min时，污染物下降趋势最明显，出水COD约为100 mg/L左右，去除率大于60%，出水氨氮约20 mg/L左右，去除率约为50%，TP低于0.5mg/L，去除率高于95%.

高压曝气；活性污泥；脱氮除磷；去除效能

曝气压力是污水生物处理过程中控制脱氮除磷效能的一项重要参数，同时也是城市污水处理厂主要的耗能贡献者.一些学者针对曝气量对脱氮除磷效能影响开展了大量研究[1-7]，当前研究的关注点集中于降低能耗的低曝气量下实现污染水体中营养物的高效去除，但是，从另一角度考虑，通过高压曝气强化活性污泥的脱氮除磷效能，实现污水营养物的短时高效快速去除研究仍处于较低水平.本研究采用可以承受高压力的反应釜替代传统的SBR工艺，考察高压曝气下活性污泥对污水污染物的短时高效去除效能，为通过高曝气强化污染物快速高效去除的应用推广奠定理论和实践基础.

1　材料与方法

1.1试验装置

该试验装置为高压曝气反应装置(图1)，根据试验目标定制而成，材质为不锈钢.该装置由高压强化曝气池体、电机、压力表、磁力耦合器、排气阀、锚式搅拌桨、出水口以及进气口组成.

图1　高压强化曝气池结构图

装置全容积为12 L，有效容积10 L，设计压力为1.0 MPa，工作压力为0.7 MPa，电机功率355 W，转速0～350 r/min，高压强化曝气池内与反应污水接触的材质为S30408.配有空压机为高压强化曝气池供氧，由高压强化曝气池底进气口进气供氧，空压机型号为EC51，进气量为9 L/min，额定排气压力0.8 MPa.排气阀排出的气体进入气样室，再经过减压阀控制流速流入便携式氧气检测仪(型号MG01)监测排出气体中氧气的含量.

1.2试验污泥与进水水质

试验进水来源于哈尔滨工业大学二校区家属区实际生活污水，具体水质指标: COD 为250～365 mg/L，氨氮(NH4+—N)为32～57 mg/L，总氮(TN)为38～62 mg/L，总磷(TP)为3.5～5.9 mg/L，SS为44～82 mg/L，pH为值7.2～7.8.

1.3运行操作

本实验针对高压曝气反应装置进行两部分运行操作：一是恒定曝气压力下考察活性污泥对实际生活污水的营养物去除效能.具体操作为：取一定量的稳定运行的脱氮除磷工艺中的好氧反应池中的污泥与适量污水倒入高压强化曝气池进行混合，污泥质量浓度(MLSS)为3.5 g/L.空压机为高压强化曝气池供氧，通过调整排气阀开启程度，可以控制高压强化曝气池在0～0.7 MPa之间的任一压力条件下运行.进气量一定，用转子流量计监测不同压力条件下排气阀的出气量，用便携式氧气检测仪监测排气阀出的气体中氧气的含量.首先控制压力表示数为0 MPa，即在标准大气压条件下用空压机曝气运行，每天早晚各运行1次，每次3.0 h，监测进出水处理效果，当处理效果稳定后，每隔0.5 h取样，监测COD、NH4+—N、NO3-—N、TP，连续监测若干天，直至达到稳定去除效果，即标志污泥驯化成功.当处理效果稳定后，每隔0.5h取样，监测处理效果.如此试验，分别考察曝气压力为0.2、0.4、0.6 MPa时.

二是变曝气压力下考察活性污泥对实际生活污水的脱氮除磷效能.具体操作步骤：取一定量的稳定运行的脱氮除磷工艺中的好氧反应池中的污泥与适量污水倒入高压强化曝气池进行混合，污泥质量浓度(MLSS)为4.0 g/L.空压机为高压强化曝气池供氧，通过调整排气阀开启程度，以0.1个MPa为变化单位，控制高压强化曝气池在0.1～0.7 MPa梯度压力条件下运行，每个压力状态运行10 min后泄压，并将污泥取出待下次试验继续使用，每天进行两次梯度压力试验，试验监测进出水COD、NH4+—N、NO3-—N、TP指标，达到稳定后即说明污泥驯化成功.进而调节曝气压力变化间隔时间分别为15 min和20 min，考察不同时间间隔下活性污泥的脱氮除磷效能.

1.4检测方法

采用国家标准方法对水样中COD、NH4+—N、NO3-—N、TP指标进行检测，pH、温度、DO等指标等利用WTW(pH/oxi340i)手提式多参数测定仪测定[8].

2　结果与讨论

2.1恒定曝气压力下污水营养物去除效能

2.1.1COD去除效果

见图2.

图2　不同压力条件下COD去除效果

在0.1～0.7 MPa的压力范围内，随着压力的增大，COD的去除效果明显提高.可能由于试验中的一些难以避免的误差，在压力增加或时间延长的情况下，有时COD降解效果并未显著增加，但总体来看，COD随压力与时间变化降解规律明显，因此并不影响试验效果.在0.0 MPa条件下运行时，COD由进水的234 mg/L降解到93 mg/L，污泥负荷为0.24 kg COD/kg MLSS·d.加压至0.7 MPa运行时，COD由245 mg/L降解至33 mg/L，此时污泥负荷增加至0.56 kg COD/kg MLSS·d.

2.1.2氨氮去除效果

见图3.

图3　不同压力条件下氨氮去除效果

在所有压力条件下，随着压力的增加，NH4+—N的去除效果有了明显的提高.可能由于试验中的一些难以避免的误差，在压力增加或时间延长的情况下，有时氨氮降解效果并未显著增加，但总体来看，氨氮随压力与时间变化降解规律明显，因此并不影响试验效果.即随着压力的增加，NH4+—N的整体降解效果变好.但改善效果并没有COD随压力变化那么明显.分析其原因，主要因为该试验中污水没有经过厌氧段、缺氧段来降解COD，导致试验中COD值偏高，而硝化细菌属于自养型，在系统内竞争不过异养菌，因此影响了硝化作用.即便如此，随着压力的增加，仍可以达到很理想的硝化效果.当压力为0.7 MPa时，污泥质量浓度约为2.87 g MLSS/L条件下，经过3.0 h的曝气，氨氮质量浓度可以从36.21 mg/L降解到11.82 mg/L.

2.1.3NO3-—N转化情况

见图4.

图4　不同压力条件下NO3-—N转化情况

随着压力的逐渐增加，NO3-—N的转化率有明显地提高，可能由于试验中的一些难以避免的误差，在压力增加或时间延长的情况下，有时NO3-—N的转化效果并未增加，但总体来看，随压力与时间变化试验规律明显，因此并不影响试验效果.特别是压力比较大运行时间比较长时，COD已经被大部分降解后，自养型的硝化细菌开始活跃起来.NH4+—N的硝化效果更明显，在图中体现为此时折线的斜率更陡.结合3的数据得到NH4+—N的降解量远大于NO3-—N的产生量，分析原因为大部分氮源被微生物利用，部分氨氮转化为了NO2-—N.

2.1.4TP 去除效果

见图5.

图5　不同压力条件下TP的去除情况

在0.1～0.7 MPa的压力范围内，随着压力的逐渐增加，TP的去除情况有明显地提高，在该实验条件下，压力变化对TP的去除影响较NH4+—N更明显.可能由于试验中的一些难以避免的误差，在压力增加或时间延长的情况下，有时TP降解效果并未增加，但总体来看，TP质量浓度随压力与时间变化降解规律明显，因此并不影响试验效果.当压力为0.7 MPa时，在1.5 h内，TP质量浓度就可以从8.2 mg/L降解到0.3 mg/L.可见该试压达到的压力不会对除磷菌产生影响，除磷效果良好.

2.2变曝气压力运行对污水营养物去除效能

2.2.1COD去除效果

见图6.

图6　变压力运行时COD去除情况

COD的降解效果随着曝气压力的升高呈现显著下降趋势，压力梯度间隔为10 min的批次试验中，在第70 min时，COD质量浓度已从320 mg/L下降到约250 mg/L以下.压力梯度间隔为15 min的批次试验中，在第105 min时，COD质量浓度已下降至225 mg/L左右.在压力梯度间隔为20 min试验中，经过140 min的变压力运行，COD质量浓度已下降至100 mg/L左右.上述结果说明曝气压力的升高显著增强了活性污泥对有机物的降解效能.

2.1.2氨氮去除效果

见图7.

图7　变压力运行时氨氮变化情况

氨氮质量浓度随着曝气压力的升高呈现显著下降趋势，可以看出在曝气压力梯度间隔为10 min时，氨氮质量浓度在70 min内从约45 mg/L降至33 mg/L.在曝气压力梯度间隔为15 min时，氨氮质量浓度在105 min内从约48 mg/L降至30 mg/L左右.在曝气压力梯度间隔为20 min时，氨氮质量浓度在140 min内从约45 mg/L降至22 mg/L.曝气压力的升高极大促进了氨氮的氧化效率，此过程主要氨氧化细菌(AOB)为主要的功能微生物，进行氨氮的生物氧化过程.

2.1.3NO3-—N转化效果

见图8.

图8　变压力运行时硝态氮变化情况

相对应的，硝态氮含量随着曝气压力的升高呈现显著升高趋势，可以看出在曝气压力梯度间隔为10 min时，硝态氮质量浓度在70 min内从约0 mg/L上升至12mg/L.在曝气压力梯度间隔为15min时，硝态氮质量浓度在105 min内从约0 mg/L增加至16 mg/L左右.在曝气压力梯度间隔为20 min时，硝态氮质量浓度在140 min内从约0 mg/L升高至21 mg/L.曝气压力的升高极大促进了硝态氮的氧化效率，形成硝酸盐的积累.

2.1.4TP去除效果

见图9.

图9　变压力运行时TP变化情况

TP质量浓度随着曝气压力的升高呈现显著下降趋势，可以看出在曝气压力梯度间隔为10 min时，TP质量浓度在70 min内从约7 mg/L降至2 mg/L.在曝气压力梯度间隔为15 min时，TP质量浓度在105 min内从约8 mg/L降至0 mg/L左右.在曝气压力梯度间隔为20 min时，TP质量浓度在140 min内从约6.4 mg/L降至约0.01 mg/L.曝气压力的升高极大促进了TP的转化效率，此过程主要聚磷菌为主要的功能微生物，在好氧条件下对水体中P素进行吸收代谢，曝气压力的升高显著促进了聚磷菌的好氧吸磷速率.

3　结　论

1) 恒定高压力曝气可显著强化活性污泥对污水污染物的高效快速降解效能，曝气压力在0.5～0.7 MPa左右时，活性污泥对污水污染物的去除效果达到最优，COD质量浓度在3 h内降解至100 mg/L以下, 氨氮质量浓度在15 mg/L以下，TP质量浓度在0.5 mg/L以下.

2) 高压变曝气压力亦可强化活性污泥对污染物的降解效能，当压力变化间隔为20 min，即总运行时长为140 min时，污染物下降趋势更为明显，出水COD质量浓度约为100 mg/L左右，氨氮质量浓度约20 mg/L左右，TP质量浓度低于0.5 mg/L.

3) 通过提高曝气压力强度可以强化水体污染物的生物去除代谢过程，进而缩短污染物降解时间，这可为今后受污染水体中特殊污染物的快速去除提供了一个新思路.

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High pressure aeration enhancing nitrogen and phosphorus removal efficiency of activated sludge system for treating domestic wastewater

HE Jun-guo, FENG Jing-han, WANG Yue-fei, XIN Xiao-dong, ZHAO Cong, SHI Xian

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Aeration pressure has a positive impact on the performance of activated sludge process. This paper investigated the performance of nitrification, denitrification and biological phosphorus removal process in an activated sludge system for treating domestic wastewater under different aeration pressures. The enhancing effect on nutrients removal efficiency was illustrated under high aeration pressure. Results showed that an optimal performance was achieved when the aeration pressure ranged from 0.5 to 0.7 MPa under the constant aeration pressure operation with the operational time of 3 h. Effluent COD was below 100 mg/L (removal efficiency exceeded 80%). Ammonium nitrogen was less than 15mg/L in effluent (removal efficiency maintained at 60%). Effluent TP was kept at 0.5 mg/L with the removal efficiency of 95%. When the internal time of aeration pressure change was 20 min (total operation time was about 140 min), an obvious nutrients removal trend emerged under the varying aeration pressure operation. Effluent COD was kept at 100 mg/L (removal efficiency exceeded 60%). Ammonium nitrogen was less than 20 mg/L in effluent (removal efficiency was about 50%). Effluent TP was less than 0.5 mg/L with the removal efficiency of 95%.

high pressure aeration; activated sludge system; nitrogen and phosphorus removal; removal performance

2015-09-29.

国家科技重大专项(2013ZX07201007-002-01)

赫俊国(1970-)，男，博士，教授，研究方向：污水生物处理.

X703

A

1672-0946(2016)04-0435-05