低温下微膨胀活性污泥法处理生活污水的研究

刘旭东,张跃瀚,王海曼,赵昊然

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

污泥微膨胀是在低溶解氧条件下处理活性污泥,使丝状菌过度繁殖,在污泥负荷与温度等条件的控制下,使SVI值保持在150 ～250 mL/g,出水水质与节能都较正常活性污泥更有优势[1-3]。微膨胀活性污泥法的启动受众多因素影响,其中温度、pH、溶解氧质量浓度均为重要因素。笔者在7～20 ℃不同低温条件下,启动微膨胀活性污泥,分析低温下微膨胀活性污泥法对污染物的去除效果。

1 实 验

1.1 实验装置

笔者采用4个容积为6L的SBR1,SBR2,SBR3,SBR4装置进行实验(见图1)。

图1 SBR装置Fig.1 Single SBR device

1.2 反应器启动

采用厌氧-好氧-缺氧运行模式,反应器的运行周期为8 h,每天运行3个周期,每个周期内进水、厌氧段、曝气段、缺氧段、沉淀段、出水、闲置的时间分别为 10、120、200、60、60、10、20 min。并在后置缺氧段投加甲醇作为反硝化碳源[4-5]。初始温度分别控制在20 ℃。

1.3 实验水质

反应器进水均采用人工模拟生活污水。配置药剂为:葡萄糖投加量为0.2～0.4 g/L;氯化铵为0.08～0.15 g/L;磷酸二氢钾为0.018～0.03 g/L;碳酸氢钠为0.4～0.6 g/L;硫酸镁为0.08 g/L;氯化钙为0.05 g/L。

1.4 实验污泥

SBR反应器中使用的污泥来自沈阳北部污水处理厂的二沉池。先用人工模拟生活污水闷爆,7 d左右活性污泥SVI值稳定在95～105 mL/g,将此状态活性污泥投入实验。

1.5 分析项目和检测方法

2 结果与分析

2.1 微膨胀活性污泥法的启动条件

2.1.1 20 ℃时的启动条件

SBR1温度保持在20 ℃。污泥负荷为0.4 kg/(kg·d),DO质量浓度控制在0.3 mg/L,运行6个周期,污泥SVI值从95～105 mL/g升至210～235 mL/g。SBR小试对丝状细菌的生长繁殖有较大的抑制作用,故将污泥负荷调低,降至0.24 kg/(kg·d),DO质量浓度不变,观察14 d,SVI值逐渐降至143～150 mL/g,在第10天稳定,成功启动微膨胀活性污泥状态。

2.1.2 15 ℃时的启动条件

SBR2反应器污泥负荷为0.4 kg/(kg·d)保持不变,DO质量浓度控制在0.3 mg/L,温度调至15 ℃,运行6个周期,污泥SVI值从95～105 mL/g升至225～265 mL/g。SBR小试对丝状细菌的生长繁殖有较大的抑制作用,故将污泥负荷调低,降至0.18 kg/(kg·d),DO质量浓度不变,观察14 d,SVI值逐渐降低,第9天降172 mL/g,在第11天趋于稳定,成功启动微膨胀活性污泥状态。

2.1.3 10 ℃时的启动条件

SBR3反应器污泥负荷为0.4 kg/(kg·d),DO质量浓度控制在0.3 mg/L,温度降至10 ℃,运行6个周期,污泥SVI值从100 mL/g左右迅速升至366 mL/g,且污泥仍继续恶化膨胀,通过改变DO浓度等方法无法改变污泥恶化膨胀状态。将恶化的活性污泥重新进行闷爆,DO质量浓度为3 mg/L,温度调至25 ℃,恶化膨胀状态逐渐得到恢复,闷爆第10天,SVI降至168 mL/g。继续闷爆36个周期,使污泥恢复至最初状态,SVI值非常稳定保持在100 mL/g左右[6]。重新测试10 ℃温度下微膨胀活性污泥法能否成功启动。分析之前污泥负荷过高导致低温条件下丝状菌过度繁殖,故将反应器温度调至10 ℃,污泥负荷降到0.08 kg/(kg·d),DO质量浓度保持不变,调整好参数后观察污泥状态。3 d后SVI值升至180 mL/g,继续反应10 d,污泥持续恶化膨胀,SVI提升至峰值288 mL/g,然后缓慢下降,最终SVI值保持在185～195 mL/g.次反应器温度降幅过大导致污泥恶化膨胀速度过快。

对SBR2中处于微膨胀状态的污泥进行闷爆,与之前闷爆条件一致,7 d后污泥SVI稳定在100～105 m L/g,将SBR2温度降低到10 ℃,污泥负荷不变化,DO质量浓度降低到0.3 mg/L,第6个周期污泥SVI值增加到288 mL/g,恶化膨胀速度明显低于由20 ℃骤降至10 ℃的过程。而且将DO质量浓度提升至3 mg/L进行闷爆后,无需改变温度也可恢复沉降性能较好的污泥状态。因此降温幅度对微膨胀状态的影响较大,降温幅度与污泥SVI值成正相关,降温幅度越大,微膨胀状态污泥SVI值越高,且活性污泥恶化情况越严重。

2.1.4 7 ℃时的启动条件

由于温度降幅影响污泥活性,过大的降幅会导致污泥恶化速率提高,且7 ℃的低温条件不适合丝状菌生长繁殖,减少温度降幅,故SBR4依旧保持20～10 ℃的降幅,当温度稳定10 ℃后降低污泥负荷至0.03 kg/(kg·d),DO质量浓度不变。3 d后SVI值升至283 mL/g,污泥结构松散,为防止活性污泥恶化,DO质量浓度提升至0.5 mg/L;3 d后SVI升至315 mL/g,提升速度明显减慢;第8天达到了峰值317 m L/g,然后开始下降,继续观察10 d后活性污泥SVI稳定在230～235 mL/g。

2.2 小幅度连续降温对污泥状态的影响

为验证连续降温和温度骤降对污泥状态的影响,使用SBR1,采用人工配置生活污水驯化的污泥进行连续降温实验,分别由20 ℃降至15 ℃,10 ℃后成功启动微膨胀活性污泥法(见图2)。

图2 连续降温污泥SVI值变化曲线Fig.2 Sludge SVI value change curve in continuous cooling test

在20 ℃条件下,污泥负荷控制在0.22 kg/(kg·d),控制DO质量浓度0.3 mg/L,反应10 d,第2天SVI增至212 mL/g,第3天达到峰值后开始下降,在第8天基本维持在148 mL/g左右;DO质量浓度保持不变,降温至15 ℃,将污泥负荷调制0.18 kg/(kg·d),SVI值不断升高,66个周期后达到了峰值192 mL/g,开始下降并在30个周期后活性污泥状态稳定,SVI稳定在161 mL/g;继续降温并调节污泥负荷值,连续降温更有利污泥达到微膨胀状态,且由于受到的温度波动幅度较小,在极低温度下可通过不采取闷爆的措施逐渐恢复微膨胀状态,但连续降温具有不可逆性,故与单独装置降温相比,单独降温更有利于对污染物去除效果的研究。污泥负荷为0.08 kg/(kg·d)时,污泥在第50天SVI稳定为187 mL/g。

2.3 微膨胀状态下温度对污染物去除率的影响

2.3.1 对COD去除率的影响

在SBR1中进行小幅连续降温试验,系统取得了较好的污染物去除效果(见表3)。COD质量浓度与去除率随时间变化如图3所示。

表3 低温条件下COD平均进水出水质量浓度Table 3 Average concentration of COD in and out water at low temperature

图3 COD质量浓度与去除率随时间变化Fig.3 COD mass concentration and removal rate changes with time under cooling conditions

在4个反应器的运行条件下,COD平均去除率分别为88%,84.3%,75%,47.8%。由此可得出结论,微膨胀状态下,SBR小试温度控制在20～10 ℃,温度越低COD出水质量浓度越高,去除率越低[7-12]。温度控制在10～7 ℃,污泥恶化膨胀,COD出水浓度升高,去除率进一步降低。

表4 低温条件下平均进水出水质量浓度Table 4 Average concentration of in and out water at low temperature

图4 降温条件下质量浓度与去除率随时间变化情况Fig.4 Changes of mass concentration and removal rate with time under cooling conditions

在4个反应器的运行条件下,氨氮平均去除率分别为82.3%,78.3%,51.9%,37.6%。由此可得出结论,微膨胀状态下,氨氮去除率受温度影响较大,温度越低,氨氮去除率越低。

表5 低温条件下平均进水出水质量浓度Table 5 Average mass concentration of in and out water at low temperature

图5 降温条件下质量浓度与去除率随时间变化情况Fig.5 Changes in the mass concentration and removal rate of over time under cooling conditions

2.3.4 对TN去除率的影响

SBR1的TN去除率为62%;SBR2,TN的去除率为59%;SBR3的TN的去除率为54%;SBR4的TN的去除率为44%。温度降低,硝化细菌生长速率变慢,硝化反应速度变慢,TN出水浓度变高,去除率降低。不同温度下各污染物去除情况如图6所示。

图6 不同温度下微膨胀状态对污染物的去除情况Fig.6 Pollutant removal rate at a slightly expanded state at different temperatures

2.4 低温微膨胀状态下提高去除率方法

保持SBR2,SBR3运行,好氧段调至240 min,12 d后分别在10 ℃和7 ℃的条件下保持微膨胀状态稳定。氨氮出水质量浓度降低,两个反应器平均去除率分别达到了73%和58%(见图7)。

图7 改善条件后单周期的质量浓度变化Fig.7 In single-cycle mass concentration changes after improving conditions

3 结 论

(1)降温幅度影响活性污泥膨胀,降幅小则膨胀速度慢,且降幅越大,活性污泥恶化越严重。

(2)污泥沉降状态受降温方式影响,连续降温比温度骤降更能降低污泥恶化膨胀状态。