双级串联变异SBR反应器处理堆肥渗滤液的研究

陈计洋，管锡珺，曹宇浩，宋 洁，陈彦昭，胡文韬(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

随着我国社会经济的快速发展，人民生活水平的迅速提高，人们产生的生活垃圾种类和数量也是日渐增多[1]，生活垃圾不仅占用土地资源，还会污染环境，直接影响人类健康，使得如何合理处理生活垃圾的这一问题引起了社会的高度重视[2].目前生活垃圾的主要处理方式有卫生填埋、焚烧、堆肥3种，由于堆肥处理工艺简单，投资和运营费用适中，且适合于处理易腐有机物较多的垃圾，所以好氧堆肥是生活垃圾的有效处理方式.然而大部分生活垃圾为厨余垃圾，含水量高，其携带的水分成为垃圾渗滤液的主要来源之一；除此因素外，在露天收集生活垃圾的过程中降水是不可避免的，这也增加了垃圾的含水量；还有垃圾中含有大量微生物，其降解有机物和无机物产生的有机成分也会渗出，最终形成了一种高浓度有机废水——堆肥渗滤液[3].这种液体有机物浓度高，重金属含量高，一旦外泄流入地表水，会产生一系列的物理、化学和生物作用，所以堆肥渗滤液急需一套专门的处理工艺.本实验采用自行设计组装的双级串联变异SBR反应器，以间歇进水，间歇曝气[4]的方式运行，将COD容积负荷控制在1.5 kg/(m3·d)的运性条件下，通过分析除碳脱氮效果，寻求最佳的运行参数，然后在该条件下，通过对比两个不同厚度的叶轮对堆肥渗滤液的处理效果，得出此反应器的最佳运行工况.

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

本实验装置为自控进水双级串联变异SBR反应器，该反应器总容积为230 L，两个反应器的容积分别为150 L(长×宽×高=0.45 m×0.45 m×0.75 m)和80 L(长×宽×高=0.35 m×0.35 m×0.65 m)，有效容积分别为120和60 L.为了便于观察污泥颗粒形态、曝气变化、泥水分离状况以及出水情况，实验装置材质选用透明有机玻璃，可以实时查看反应器的运行状况[5]，以便在处理效果不佳时及时调整方案.实验装置如图1所示.

图1 实验装置及工艺流程1—电机；2—联轴器；3—轴承；4—固定支架；5—进气筒；6—曝气叶轮；7—溶解氧仪；8—沉淀区；9—曝气区；10—时间控制器；11—恒流泵；12—排泥口；13—导流管；14—出水口；15—最终出水口；16—导流管

实验用水储存于600 L的水箱中，为避免由于沉淀导致水箱上下部分水质差异过大，水箱中设有搅拌装置，可以实现充分混合[6].两个变异SBR反应器除容积不同外，基本构成完全相同.本实验装置可以实现同步进出水[7]，首先污水通过恒流泵进入一级反应器，待恒流泵停止工作，一级反应器即可曝气，曝气结束后沉淀片刻，然后污水通过水流通道自下向上进入二级反应器，水流通道设置的目的是防止未处理的水直接进入下一个反应器，待进水结束后，二级反应器即可曝气，曝气结束依然需要沉淀后，才可通过水流通道出水，二级反应器的部分活性污泥回流至一级反应器，且污泥回流比大约控制在40%[8].实验过程中，恒流泵和曝气装置的启动均由时间控制器来控制.

1.2 实验水质

本试验用水采用青岛市即墨区温泉镇生活垃圾处理厂堆肥渗滤液，定期运送到青岛理工大学实验楼，用600 L的水箱储存，其水质特征见表1.

1.3 接种污泥

本实验所用接种污泥为青岛海泊河污水处理厂二沉池回流系统污泥[9]，呈黄褐色，活性比较好，浓度约为5500 mg/L，SVI值约为65 mL/g.其中一级反应器接种量为80 L，二级反应器接种量为45 L[10].

1.4 检测项目及测试方法

主要检测进出水的COD、氨氮、总氮、亚硝氮和硝氮浓度，分别用重铬酸钾滴定法、纳氏试剂分光光度法、过硫酸钾氧化法、紫外分光光度计法和N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法来测定；还需要测定两级反应器的溶解氧和pH值，分别用溶解氧仪和玻璃电极法测定.

1.5 污泥驯化

由于渗滤液的水质较为复杂，前8天用自来水对渗滤液进行稀释[11]，自来水所占比例为15%～30%.经过多次调整，驯化阶段反应器的稳定运行参数为:周期为3 h，其中进水30 min,曝气2 h，沉淀30 min.此阶段水温为15～20 ℃，pH为7.5～8.2，污泥回流比为30%左右[12].历时36 d后，反应器的COD总去除率能稳定达到93%以上，氨氮总去除率可达到90%以上,反应器已具备一定的抗负荷冲击能力.

2 优化实验及讨论

2.1 探求反应器在COD容积负荷为1.5 kg/(m3·d)条件下的最佳运行工况

通过对污泥驯化阶段的反复调整，结合本实验反应器的特点，制定了3种运行工况，见表2，反应周期都是6 h[13]，每个周期进水时间为30 min，每次进水量根据当日COD浓度而定，确保COD容积负荷约为1.5 kg/(m3·d)，然后依次在两级反应器内进行循环曝气，最后沉淀30 min后出水.该阶段为第42天到第68天，水温18～24 ℃，pH为7.3～8.1，污泥回流比为40%.通过检测3种工况下的出水COD浓度和氨氮浓度，对比COD总去除率和氨氮总去除率，进而探求COD容积负荷为1.5 kg/(m3·d)的最佳工况.

表2 COD容积负荷为1.5 kg/(m3·d)条件下的3种运行工况 h

2.1.1 COD去除效果对比分析

3种运行工况下COD的去除效果如图2所示.从图2可以看出，工况1的COD总去除率最低，处理效果最差.第52—56天，随着进水浓度提高，一级反应器COD去除率略有降低，但是总去除率波动不明显；第62天，进水水质发生明显变化，一级反应器COD去除率和总去除率都有小幅度下降，但在第64天很快恢复，这都说明了反应器可以适应水质变化的要求.工况2和工况3的COD总去除率相当，但是考虑到经济方面，工况3曝气量大，费用会有所增加，综合考虑，工况2为最佳选择.

2.1.2 脱氮效果对比分析

3种运行工况下氨氮的去除效果如图3所示.从图3可以看出，进水的氨氮浓度在300～450 mg/L，但是碳氮比基本维持在5左右[14]，所以保证了反应器的出水水质稳定.工况1的进水氨氮浓度仅在300～320 mg/L，但是出水氨氮浓度在32～40 mg/L，氨氮总去除率为88%左右，而工况2进水氨氮浓度约450 mg/L，出水氨氮浓度在29～38 mg/L，氨氮总去除率在90%～93%，依然可以保持稳定的出水水质，且在第54天进水氨氮浓度急剧上升，虽然对一级反应器造成了较大冲击，致使一级反应器的氨氮去除率下降，但是氨氮总去除率并没有受到影响，是因为二级反应器保证了出水的稳定性，表明本实验装置具有较强的耐冲击负荷能力.工况1的氨氮总去除率低，分析原因是曝气时间不足，溶解氧略低，好氧菌生长受到抑制，导致在COD容积负荷为1.5 kg/(m3·d)条件下硝化反应不彻底，所以工况2效果更好.

2.2 不同曝气叶轮的对比实验

本实验装置为双级串联变异SBR反应器，归根到底属于活性污泥法处理工艺，所以溶解氧的浓度是重要控制条件，而本实验使用的曝气装置是本课题组自主研发的自吸搅拌式曝气器，可以通过调节曝气时间、叶轮大小以及转速来控制溶解氧的浓度，以下实验是通过选用不同厚度的叶轮，进而改变曝气孔的大小，然后检测出水的COD浓度、氨氮浓度、总氮浓度、硝态氮和亚硝态氮，对比污水处理的效果.本实验选用了2种不同厚度的曝气叶轮(具体构造如图4所示)，外径和内径分别为100和30 mm，厚度(d)分别为2.5和5.0 mm，材质均为硬质PVC，具有质量轻、强度高、价格低、耐腐蚀的优点.两个叶轮除了厚度不同，其余方面几乎无差异，排除其他因素对实验结果的干扰，更有利于实验结果的对比分析.

图4 叶轮构造1—轮毂; 2—前盖板; 3—后盖板; 4—叶片

该阶段在COD容积负荷约为1.5 kg/(m3·d)的条件下进行，根据以上实验分析，得知工况2处理效果更好，故此阶段采用工况2的实验参数，稳定运行18 d.

2.2.1 COD去除效果对比分析

不同叶轮反应器COD的去除效果如图5和图6所示.从图5可以看出，反应器进水的COD浓度很高，虽然出水浓度在500～900 mg/L，但是COD总去除率依然稳定在97%以上，其中一级反应器的COD去除率就高达96%，与总去除率差距不大，主要是因为进水水质的可生化性能好，而且一级反应器有效容积大，接种污泥多，去除能力强，故大多数可降解的有机污染物可以由一级反应器去除，二级反应器只能去除一级反应器出水剩余的少量有机物.从图6可以看出，第86天COD容积负荷变化幅度较大，导致COD去除率也出现小幅度下降，但是后边COD容积负荷继续提升，COD去除率并没有继续下降，说明第86天是反应器的适应期[15].从COD总去除率来看，两个叶轮的处理效果差距不大，叶轮2(d= 5 mm)略好一些，但是在实验过程中，叶轮1(d=2.5 mm)一级反应器和二级反应器的转速分别为1220和850 r/min; 叶轮2一级反应器和二级反应器的转速分别为1100和600 r/min，所以处理效果相当，而叶轮2更加经济，故从除碳效果来看，叶轮2为最佳选择.

2.2.2脱氮效果对比分析

不同叶轮反应器的脱氮效果如图7—10所示.由图7得知，两种叶轮的氨氮总去除率稳定在98%左右，处理效果都较好，而图8中，无论是一级反应器出水还是二级反应器出水，叶轮2运行时反应器的总氮去除率都高于叶轮1运行时反应器的总氮去除率.

图9中叶轮1运行时的一级反应器出水硝态氮浓度高于进水硝态氮浓度，经过二级反应器处理后出水硝态氮浓度又有所下降，并且低于一级反应器进水硝态氮浓度，而叶轮2运行时的两级反应器的出水硝态氮浓度都低于进水硝态氮浓度，可能是因为叶轮2厚度大，则出水孔大，减少对污泥絮凝体的剪切作用，更有利于带有气泡的泥水混合物通过[16]，且叶轮2转速低于叶轮1，进一步减小剪切力，有利于反应器缺氧区的形成，更好地进行反硝化反应，所以叶轮2运行时的反应器硝态氮浓度更低.

从图10中可以看出，叶轮2运行中的两级反应器的亚硝态氮浓度都高于叶轮1运行时的，经查阅有关资料得知，这是因为叶轮2运行时虽然反应器出水硝态氮的浓度低，但是出水孔大，溶解氧浓度高，使得好氧区可以去除污水中大部分有机物，所以缺氧区的碳源并不充足，反硝化反应轻微受到限制，导致叶轮2运行时的反应器出水亚硝态氮略高于叶轮1运行时的，但是从图中曲线走势上看，并没有造成亚硝态氮的积累，所以叶轮2依然是较好的选择.

3 结论

从COD、总氮的去除效果方面考虑，COD容积负荷为1.5 kg/(m3·d)运行条件下的3种运行工况中，工况2为最佳；两种厚度的曝气叶轮运行中，叶轮2(d=5.0 mm)运行效果较好.即最佳工况为：反应周期为6 h，进水30 min，一级反应器以曝气4 h停曝1 h的方式进行循环曝气，二级反应器以曝气2 h停曝1 h的方式进行循环曝气，然后沉淀30 min后出水.该工况下COD总去除率为98.15%，氨氮总去除率为98.54%，总氮总去除率为97.30%.

本实验用水为堆肥渗滤液，在实验运行中，水质不稳定，负荷波动较大，出水COD以及NH3-N浓度虽然浓度较高，但是去除率均呈现相对稳定的状态，因此本反应器有较高的抗冲击负荷能力，可以有效地处理高有机浓度的堆肥渗滤液，并且本工艺运行灵活，构造简单，造价低廉，对工程建设有实际应用价值.