蔡健明,操家順,,侯曉幫,張玉濤

(1.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于活性污泥工藝脫氮的研究主要集中在脫氮新技術(shù)上,短程硝化[1-3]和同步硝化反硝化(SND)[4-6]是其中的兩大熱點(diǎn).對(duì)于兩者的結(jié)合,即亞硝酸鹽型同步硝化反硝化(短程同步脫氮),由于其節(jié)能優(yōu)勢(shì)突出,近年來也有了大量的研究報(bào)道[7-9].但目前的研究尚存在幾點(diǎn)問題:(a)研究主要集中在序列間歇式活性污泥法(SBR)等間歇流形式[10-11],而對(duì)連續(xù)流的研究甚少[12-13];(b)主要采用人工配水的形式[14-16],對(duì)于實(shí)際廢水的研究也僅限于高碳氮比的水質(zhì)條件[17-18];(c)大都停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段,大規(guī)模的試驗(yàn)鮮有報(bào)道;(d)主要針對(duì)脫氮進(jìn)行研究,基本不考慮除磷的要求,這對(duì)同步脫氮除磷的現(xiàn)實(shí)需求幫助不大.

An/O模式是活性污泥法最基本的形式,一般認(rèn)為主要以除磷為主,由于沒有缺氧功能區(qū),對(duì)脫氮的能力有限.一體化An/O工藝是集厭氧/好氧(低氧)生物反應(yīng)器和沉淀池為一體的活性污泥工藝,是傳統(tǒng)A2O工藝的改良和變形(將缺氧和好氧功能區(qū)合并成為一個(gè)低氧曝氣區(qū)).本文以無錫市蘆村污水處理廠初沉池出水作為研究對(duì)象,采用最基本的厭氧/好氧活性污泥模式處理實(shí)際市政污水,在好氧(低氧)區(qū)發(fā)生了同步硝化反硝化脫氮.通過維持低溶解氧,實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞硝酸鹽的逐步累積,并最終實(shí)現(xiàn)了高效的短程同步脫氮及磷和有機(jī)物的協(xié)同去除.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 中試裝置

試驗(yàn)的中試裝置為一污水處理的活性污泥系統(tǒng),采用一體化設(shè)計(jì),將斜板沉淀與生物反應(yīng)池連成一體.裝置由集裝箱改造而成,外形尺寸為:12.03m×2.35m×2.39m(長(zhǎng)×寬×高),有效水深為2.19m,生物池有效容積約為58m3(圖1).試驗(yàn)采用潛水泵進(jìn)水,由空氣提升器(風(fēng)量?jī)H占總鼓風(fēng)量的5%～15%)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)回流(內(nèi)回流比r=3～4)和污泥回流(污泥回流比R=0.5).曝氣區(qū)底部采用布滿整區(qū)的長(zhǎng)條曝氣軟管,并在末端設(shè)置在線溶氧儀.通過設(shè)定DO濃度范圍,從而調(diào)節(jié)變頻鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量.進(jìn)水流量控制在5m3/h,水力停留時(shí)間(HRT)為11h左右.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用無錫市蘆村污水處理廠三期初沉池出水作為中試裝置進(jìn)水.試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表1.

圖1 中試裝置平面示意圖Fig.1 Plane of pilot reactor

表1 中試進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Characteristics of wastewater for pilot studies

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD,TP,TN,NH3-N,NO-3-N和NO-2-N等測(cè)定均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[19].水溫采用水銀溫度計(jì)測(cè)定,DO采用S-14(ZULLIG)溶氧儀在線監(jiān)測(cè).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)共分為3個(gè)階段,階段Ⅰ為亞硝酸鹽累積期(1～70d),階段Ⅱ?yàn)槎坛掏矫摰€(wěn)定期(71～123d),階段Ⅲ(124～158d)為同步脫氮除磷調(diào)試期.

2.1 氮的去除效果

從反應(yīng)器形式上而言,系統(tǒng)沒有缺氧功能區(qū),不可能有很好的反硝化效果,而研究結(jié)果卻與之相反,這用傳統(tǒng)脫氮理論是無法解釋的.研究中,系統(tǒng)的曝氣區(qū)始終處于低溶解氧狀態(tài)(ρ(DO)＜0.45mg/L).在微環(huán)境上,曝氣區(qū)處于有氧狀態(tài),有利于硝化菌群的生存;而如此低的溶解氧對(duì)大環(huán)境而言是缺氧的,有利于反硝化細(xì)菌生長(zhǎng).正是這種微環(huán)境好氧、宏觀環(huán)境上缺氧的生境條件,使得曝氣區(qū)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化反應(yīng)[20].也就是說,系統(tǒng)在曝氣區(qū)中,發(fā)生了同步硝化反硝化的現(xiàn)象,從而達(dá)到了脫氮的目的.

圖2 系統(tǒng)對(duì)TN和NH3-N的去除效果Fig.2 Removal efficiency of TN and NH3-N by pilot plant

系統(tǒng)在冬季(1月下旬)啟動(dòng),受低溫影響,脫氮效果一直不太理想.試驗(yàn)前70d(圖2),出水ρ(TN)維持在13.1～31.8mg/L之間,平均23.4mg/L.ρ(NH3-N)維持在0.72～19.8mg/L之間,平均7.0mg/L.從圖2可以看出,出水濃度的波動(dòng)很大程度上受進(jìn)水濃度的影響.對(duì)硝態(tài)氮進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè),硝酸鹽質(zhì)量濃度一直維持在10mg/L左右,亞硝酸鹽質(zhì)量濃度維持在0.5mg/L左右,最高為3.4mg/L.階段Ⅰ脫氮主要以硝酸鹽型同步硝化反硝化為主.系統(tǒng)在59～60d停電事故后重新啟動(dòng),經(jīng)歷10d的調(diào)整,至71d,在對(duì)硝態(tài)氮的監(jiān)測(cè)過程中,發(fā)現(xiàn)了52.90%的亞硝酸鹽累積率(亞硝酸鹽與硝態(tài)氮之比).系統(tǒng)從75d進(jìn)入了亞硝酸鹽的穩(wěn)定累積期,出水亞硝酸鹽平均累積率達(dá)82.52%(圖3).Laanbroek等[21]研究發(fā)現(xiàn),低溶解氧條件下,亞硝酸鹽的積累是由于氨氧化菌AOB對(duì)DO的親和力較亞硝酸鹽氧化菌NOB強(qiáng).AOB氧飽和常數(shù)一般為0.2～0.4mg/L,而NOB為1.2～1.5mg/L.Hanaki等[22]認(rèn)為,當(dāng)ρ(DO)＜0.5mg/L時(shí),兩類硝化細(xì)菌因基質(zhì)受限而影響增殖速率,但AOB增殖速率約為正常時(shí)的60%,而NOB則不超過正常值的30%.這表明AOB對(duì)有限溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于NOB,使AOB增殖和氧化速率比NOB高,在低溶解氧下,AOB的活性遠(yuǎn)大于NOC.本文的試驗(yàn)正是長(zhǎng)期維持低溶解氧環(huán)境,逐漸淘洗NOB,從而獲得持久穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積.82d起,系統(tǒng)進(jìn)入了短程同步脫氮穩(wěn)定期,在穩(wěn)定期系統(tǒng)取得了良好的TN去除率,出水平均ρ(TN)=10.8mg/L,TN滿足一級(jí)達(dá)標(biāo)率A(≤15.0 mg/L),達(dá)標(biāo)率為95.2%.階段Ⅱ系統(tǒng)脫氮主要以亞硝酸鹽型同步硝化反硝化為主.

試驗(yàn)階段Ⅲ從124～158 d,在兼顧脫氮的同時(shí)考察最優(yōu)除磷效果.系統(tǒng)最大的變化是加大了排泥量,使得泥齡縮短為15 d,ρ(DO)升高至0.30 mg/L.由于ρ(DO)提高,影響了亞硝酸鹽的生存環(huán)境,短程硝化受到影響.124 d起,亞硝酸鹽平均累積率雖然尚有31.21%,但顯然已遭到破壞.出水 ρ(TN)也隨之升高,但能保持在20mg/L以內(nèi).隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,系統(tǒng)脫氮逐漸轉(zhuǎn)向全程脫氮.出水氨氮?jiǎng)t由于ρ(DO)的升高得到了很好的保證,出水平均質(zhì)量濃度為1.12mg/L.

圖3 TP,TN去除率和亞硝酸鹽累積率與ρ(DO)avc的變化Fig.3 Relationship between TP and TN removal rates and variation of nitrite accumulation rate with ρ(DO)ave

2.2 COD的去除效果

雖然曝氣區(qū)ρ(DO)較低,但試驗(yàn)期間系統(tǒng)始終保持了相當(dāng)高的COD去除率.運(yùn)行穩(wěn)定期出水ρ(COD)在39.2～67.9mg/L之間,平均53.6mg/L(圖4).系統(tǒng)對(duì)COD的去除率為68.3%～94.9%,平均去除率達(dá)到85.8%.

對(duì)進(jìn)水碳組分分析[23]發(fā)現(xiàn),進(jìn)水中惰性顆粒性有機(jī)物XI占到總進(jìn)水(初沉池出水)COD的34%.這部分COD的去除很大程度上取決于二沉池的沉降效果,而中試裝置受高度所限,沉淀區(qū)高僅2.1m,在很大程度上不能充分發(fā)揮沉淀效果,從而影響了COD的去除效果.對(duì)出水采用0.45μ m膜濾后得到的可溶性COD與出水COD比較,ρ(COD)降低了7.26%～46.0%,平均去除率19.7%.說明在生產(chǎn)應(yīng)用中妥善處理好沉淀問題,COD的去除效率還有很大的提升空間.

2.3 磷的去除效果

為了考察系統(tǒng)的脫氮形式,試驗(yàn)前2個(gè)階段調(diào)試始終以TN為目的,無論是對(duì)HRT還是 ρ(DO)的調(diào)整,都取決于TN的去除效果.盡管如此,TP的去除還是取得了較好的效果,去除率維持在80%以上(圖5).出水ρ(TP)(濾后)為1.34mg/L.階段Ⅲ在兼顧TN的同時(shí)考察TP的最佳去除效果.ρ(DO)的升高和泥齡的縮短在一定程度上改善了出水TP.出水ρ(TP)(濾后)在0.59～1.66mg/L之間,平均為1.03mg/L.試驗(yàn)TP去除效果不佳的原因主要有:(a)為了強(qiáng)化脫氮,中試裝置污泥未全部回流至厭氧區(qū)(部分回流至曝氣區(qū)首端),從而部分影響了厭氧釋磷的效果;(b)沉淀高度受裝置高度限制(水面標(biāo)高2.19m,出水孔標(biāo)高2.10m),底部受空間所累采用平板設(shè)計(jì),未設(shè)置V形集泥槽,從而不能充分發(fā)揮沉淀效果;(c)進(jìn)水ρ(TP)偏高(平均12.1mg/L),沖擊負(fù)荷大.考慮到排放要求,建議后續(xù)添加化學(xué)輔助除磷措施,從而確保TP的達(dá)標(biāo)排放.

圖4 COD的去除效果Fig.4 Removal efficiency of COD by pilot plant

圖5 TP的去除效果Fig.5 Removal efficiency of TP by pilot plant

2.4 最佳ρ(DO)范圍

要實(shí)現(xiàn)亞硝酸型同步硝化反硝化,關(guān)鍵在于將NH3-N氧化過程控制在階段,阻止階段,阻止進(jìn)一步氧化,然后直接進(jìn)行反硝化.但是,在開放、動(dòng)態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)中,往往很難持久穩(wěn)定地維持較高亞硝酸鹽的積累并實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化.目前對(duì)該現(xiàn)象的理論解釋還不充分.但通過維持較低ρ(DO)以獲得亞硝酸鹽的積累已得到了大部分學(xué)者的認(rèn)可[24-26].大多生產(chǎn)性試驗(yàn)[27-28]的結(jié)果認(rèn)為,ρ(DO)應(yīng)控制在0.5～2.5mg/L之間.

試驗(yàn)采用S-14(ZULLIG)在線溶氧儀,控制精度為0.05mg/L.系統(tǒng)對(duì)ρ(DO)的控制范圍設(shè)定為(X±0.10)mg/L.比較試驗(yàn)穩(wěn)定同步脫氮期間,不同ρ(DO)條件下TP,TN去除率和亞硝酸鹽累積率變化情況(圖3),發(fā)現(xiàn)TP去除率與 ρ(DO)成正比,ρ(DO)越高則TP去除率越大.而亞硝酸鹽累積率則相反,與 ρ(DO)成反比,但在短時(shí)間(2～4個(gè)HRT)內(nèi),能維持短程硝化現(xiàn)象穩(wěn)定存在.116d起,由于 ρ(DO)始終維持在0.30mg/L左右(不超過0.45mg/L),短程硝化現(xiàn)象才逐漸被破壞.TN的去除率變化表現(xiàn)出短時(shí)間內(nèi)隨ρ(DO)升高而升高,但從長(zhǎng)時(shí)間段(大于4個(gè)HRT)表現(xiàn)看來,最終與亞硝酸鹽累積率降低同步變化.

通過分析發(fā)現(xiàn),ρ(DO)=0.30mg/L是該試驗(yàn)穩(wěn)定維持短程同步脫氮狀態(tài)的上限.為了取得維持短程同步脫氮前提下的最佳TP去除,研究認(rèn)為,在該試驗(yàn)水質(zhì)條件下,最佳 ρ(DO)=0.25mg/L,即最佳ρ(DO)范圍為0.15～0.35mg/L.

該試驗(yàn)得到的最佳ρ(DO)范圍和大量文獻(xiàn)報(bào)道的0.5～2.5mg/L相比,達(dá)到了一個(gè)更低的水平.分析原因主要有:(a)系統(tǒng)采用DO在線監(jiān)測(cè)曝氣區(qū)末端最高ρ(DO),這使得曝氣區(qū)前段的DO始終處于被完全利用的狀態(tài),從而有效地降低了需氧量;(b)曝氣區(qū)采用軟管曝氣,曝氣孔小,空氣氣泡相對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的盤式、管式曝氣而言更小,從而使得氣泡的上升速度小,在水中的停留時(shí)間更長(zhǎng),即氧利用率高;(c)好氧微環(huán)境的存在,使得系統(tǒng)的ρ(DO)滿足了硝化菌群所需氧量.

3 結(jié) 論

a.在常溫(8～20℃)條件,維持低 ρ(DO)條件,活性污泥經(jīng)過一段時(shí)間的馴化,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定期,表現(xiàn)出良好的短程同步脫氮現(xiàn)象.出水 ρ(TN)在6.1～16.0 mg/L之間,平均10.8mg/L,亞硝酸鹽平均累積率達(dá)82.52%.同時(shí),COD和TP也有良好的去除效率,出水ρ(COD)保持在39.2～67.9mg/L之間,平均53.6mg/L,出水ρ(TP)在0.57～2.12mg/L之間,平均1.34mg/L.但受到中試沉淀高度限制和進(jìn)水污染物濃度偏高等影響,生物除磷需與化學(xué)輔助除磷相結(jié)合.

b.提高 ρ(DO)能提高TP和氨氮的去除效果,但卻影響了亞硝化現(xiàn)象穩(wěn)定存在的生境條件,從而最終影響了短程同步脫氮的效率.研究表明,ρ(DO)=0.30mg/L是該試驗(yàn)穩(wěn)定維持短程同步脫氮狀態(tài)的上限.在該試驗(yàn)條件下,最佳 ρ(DO)為0.25mg/L,即最佳 ρ(DO)范圍為(0.25±0.10)mg/L.

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