双级串联变异SBR反应器处理堆肥渗滤液的研究

2021-01-04 02:44陈计洋管锡珺曹宇浩陈彦昭胡文韬青岛理工大学环境与市政工程学院青岛266033
青岛理工大学学报 2021年1期
关键词:硝态容积叶轮

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.

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