厌氧/缺氧/好氧序批式反应器处理养殖尾水的脱氮除磷性能研究

2023-02-27 03:07杨名帆石婷宇罗国芝谭洪新刘文畅

渔业现代化 2023年1期

杨名帆，石婷宇，罗国芝,2,3，谭洪新,2,3，刘文畅,2,3

(1上海海洋大学上海水产养殖工程技术研究中心，上海 201306；2 上海市水产动物良种创制与绿色养殖协同创新中心，上海 201306;3 上海海洋大学水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306)

目前，国内现阶段的污水处理技术主要分为两大类：生物法和物理化学法[1]。物理化学法分为化学沉淀法[2]、电絮凝法[3]、结晶法[4]、吸附法[5]等。生物法分为微生物法[6]和水生生物法[7]。在日益严格的污水排放标准下，生物法和物理化学法相结合的处理方式成为主流。

水产养殖业快速发展，养殖方式逐渐向着集约化工厂化的养殖方式转变[8]。养殖鱼类所产生的排泄物等都会使水体中的氮、磷等逐渐积累，致使水体恶化[9]。

普通的厌氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工艺可以实现污水的同步脱氮除磷效果，并且具有运行方便、成本低、水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)短等优点[10]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

A2/O工艺流程图如图1所示。

自制A2/O-SBR反应器有效体积为77 L，共有4个格室。其中：第1个为厌氧格；第2个为缺氧格，缺氧、厌氧格都分别有一根搅拌电机来进行污泥的充分搅拌，控制厌氧格溶氧(Dissolved Oxygen，DO)约为0 mg/L，缺氧格DO约在0.2 mg/L以下；第3、4格为好氧格，在好氧格中，每个分别由2个曝气盘来提供微生物所需的氧气，通过气体流量计控制好氧池的DO在2～5 mg/L[14]。厌氧、缺氧、好氧格室比例为1∶1∶2。在反应器中加入取自上海海洋大学3号门循环水养殖工程研发平台中的生物絮团替代污水厂处理的厌氧段活性污泥，混合液悬浮固体质量浓度(Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS)为2 000～3 000 mg/L，保持反应器的搅拌电机搅拌速率为80～120 r/min，使得反应器中污泥始终不沉降。整个试验过程通过蠕动泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)始终保持进水150 mL/min，保持水力停留时间(HRT)为8.8 h，厌氧、缺氧、好氧、沉淀阶段分别为2.6、2.6、5.2、1 h，放出上清液，污泥龄控制在15 d。平时通过便携式多功能参数水质分析仪(Multi 3430，WTW，德国)来控制反应器的pH在7.00～8.00，温度(T)在25 ℃左右，监测厌氧/缺氧/好氧格的DO在正常范围内运行，A2/O-SBR反应器流程简图如图2所示。

1 进水；2 原水箱；3 蠕动泵；4 厌氧格；5 缺氧格；6 好氧格；7 电磁搅拌器；8 曝气头；9 罗茨鼓风机；10 气体流量计；11 出水；12 二沉池；13 剩余污泥；14 内回流；15 外回流

1.2 反应器的启动

利用A2/O-SBR反应器，以硝酸盐氮为电子受体富集反硝化聚磷菌，分三阶段[15]在上海海洋大学水产与生命科学学院室温24～30℃进行试验。

第一阶段是聚磷菌的活化，取之前试验剩下的好氧除磷效果的活性污泥接种到新的BFT中，MLSS控制在 2 500 ～3 500 mg/L之间，以每周期约6.5 h，按照进水时间10 min，絮团厌氧释磷时间为2.6 h，好氧聚磷时间为2.6 h，沉淀池加上排水时间为40 min方式启动运行反应器，每天运行3周期，这个阶段污泥龄(SRT)控制在15 d左右，厌氧格氧化还原电位(Oxidation-Reduction Potential，ORP)控制在-150～-220 mV，好氧格控制在 80～100 mV，共运行15周期为后面两个阶段的反硝化聚磷菌的富集做好准备。

第二阶段是反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs)的富集，将第一阶段培养出来的高效的好氧聚磷污泥，用进水10 min，厌氧释磷2.6 h，沉淀30 min，排水10 min 即先进行(1)厌氧释磷2.6 h；(2) 40 min沉淀排水；(3)加入不含COD(不添加乙酸钠)的模拟含磷尾水(表1)，泥水混合后水中的COD质量浓度<40 mg/L，同时向系统投加一定量的硝酸钾药品将使N∶P=2∶1，缺氧聚磷2.6 h；(4)40 min沉淀排水。该阶段每天运行3周期，污泥浓度控制在2 500～3 500 mg/L，污泥龄为15 d左右，缺氧格ORP控制在-100～-150 mV，厌氧格ORP控制在-150～ -220 mV，共运行20 d。本阶段的目的是去除常规的反硝化菌(仅有反硝化作用而无聚磷作用)，对利用硝酸盐氮为电子受体的反硝化聚磷菌进行选择性富集。

第三阶段是保持系统的稳定，用进水时间20 min，厌氧释磷时间为 2.6 h，缺氧聚磷时间为2.6 h沉淀格沉淀时间为30 min，排水时间为10 min的方式运行，即将第二阶段富集到反硝化聚磷菌的污泥与人工合成尾水(表2)混合后，进行厌氧释磷2.6 h，向系统投加一定量的硝酸钾其浓度为N∶P=2∶1 进行缺氧格聚磷2.6 h，最终经30 min沉淀排水。该段污泥浓度为3 500 mg/L左右，泥龄控制在15 d左右，每天运行3周期，共运行15 d，该阶段目的是在第二阶段反硝化聚磷菌已经富集到一定量的基础上，进一步保持体系的稳定性，测定除磷率可达80%以上。

1.3 配置模拟养殖尾水

养殖尾水具有高硝酸盐氮的特征[16]，试验用的模拟养殖尾水通过乙酸钠提供碳源维持碳氮比，硝酸钾提供氮源质量浓度控制在50 mg/L，磷酸二氢钾提供磷含量质量浓度控制在10 mg/L，通过盐酸和氢氧化钠调节系统pH，具体配方[17]如表1所示。

表1 模拟养殖尾水配方

1.4 生物絮团废水和循环水养殖尾水指标

试验所用的循环水尾水和生物絮团尾水取自上海海洋大学3号门循环水养殖工程研发平台正常运行的1号循环水养殖系统的罗非鱼养殖槽，利用抽水泵抽取养殖槽水体，取出后沉淀30 min，取出上清液200 L作为试验用水，其中pH为7.49±0.5，其他指标如表2所示。

表2 水产养殖循环水系统尾水指标

生物絮团废水取自上海海洋大学三号门循环水养殖工程研发平台利用生物絮凝技术的正常养虾的生物絮团上层清液，具体操作为利用抽水泵抽取絮团至200 L聚乙烯桶中，经过30 min沉淀取出上清液，然后重复此过程，直至底层看不到沉淀的大量絮团。取出的上层清液作为试验用水，具体指标如表3所示。其中pH为7.71。

表3 生物絮团废水指标

1.5 试验设计

在探究A2/O工艺试验装置处理模拟养殖尾水效果时，利用成功富集反硝化聚磷菌的生物絮团作为底泥，试验保持连续性进和排模拟养殖尾水一个周期(8.8 h)，停止进水，内循环3周期，目的是为了消耗掉富集过程中残存的碳源，提高试验的准确性。其间下午3点用50 mL量筒进行对系统进水、厌氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的取样，样品均为混匀水体后取出。在取完TN、TP样品后，利用0.45 μm针头滤器(Collins MCE，上海)过滤，剩下水质指标取沉淀后的上清液进行监测。取样结束后，用便携式多功能参数水质分析仪(Multi 3430，WTW，德国)测定反应器水体中厌氧、缺氧、好氧格的DO、温度、pH。下午4∶00取好氧格50 mL的混合水样和1 000 mL混合水样进行MLSS和SV30的测定。晚上分别取进水、厌氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的10 mL水样用重铬酸钾法进行化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的测定和利用TOC分析仪(Multi N/C 2100，德国)进行总有机碳的测定。在探究A2/O工艺试验装置处理生物絮团废水和循环水养殖尾水效果时，期间进行3次试验。 (1)未添加额外碳源直接进行对循环水尾水的处理效果； (2)按照碳氮比为3.4∶1[18]添加额外碳源进行循环水尾水的处理； (3)额外添加碳源进行对生物絮团废水上清液的处理。每个反应格室取3组水样，结果取平均值。

1.6 试验装置参数

反应器的启动参数关系着整个反应能否正常进行，内回流是指污泥从最后一个好氧格到缺氧格的回流过程，蠕动泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)数值调整为450 mL/min，外回流是指从沉淀池到缺氧格的回流过程，蠕动泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)数值调整为150 mL/min。运行期间装置参数如表4所示。

表4 运行期间装置参数

1.7 水质指标分析方法

主要水质分析指标及方法如表5所示。

表5 主要水质分析指标及方法

1.8 污泥指标测定方法

使用差重法测定反应器的好氧格的混合液悬浮固体浓度：定量滤纸过滤50 mL水样后，在105℃电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)中约2 h烘干后减去定量滤纸质量，单位为 mg/L；SV30沉降比测定：取水体混合均匀的情况下取反应器好氧格水体1 L于英霍夫管，待其静置30 min后记录沉淀的絮团体积，以mL表示。