李瑾 ，柴立元，向仁軍，成應(yīng)向

(1. 中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙，410004)

目前，我國(guó)生活污水處理率仍然較低，大部分不經(jīng)任何處理就排入周邊的水體，造成地表和地下水源嚴(yán)重污染[1]。在大力建設(shè)城市生活污水集中處理廠的同時(shí)，對(duì)城市排水管網(wǎng)不能或難以到達(dá)的居民區(qū)、旅游景點(diǎn)以及小城鎮(zhèn)等排放的生活污水的處理也不可忽視。對(duì)于這些地區(qū)，由于遠(yuǎn)離城區(qū)、缺乏專業(yè)管理人員等，開(kāi)發(fā)管理簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、處理效果好的緊湊型污水處理工藝及裝置具有廣闊的發(fā)展前景和推廣空間[2?4]。除磷脫氮是生活污水處理工藝與裝置研發(fā)的重要考慮因素[5]。常見(jiàn)的多段生物脫氮裝置不僅需要分設(shè)多個(gè)處理單元，還需進(jìn)行污泥回流和硝化液循環(huán)，基建和管路設(shè)備投資多，占地面積大，運(yùn)行費(fèi)用高[6?9]；SBR工藝設(shè)備存在利用率低、需采用多個(gè)單體設(shè)備交替進(jìn)水周期運(yùn)行、自動(dòng)化程度要求高等缺點(diǎn)[10?11]。顯然，如果除磷脫氮反應(yīng)能在1個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)連續(xù)發(fā)生，不僅可以減小反應(yīng)器容積，節(jié)省占地面積，還可節(jié)省反應(yīng)時(shí)間[12?14]。向仁軍等[15]根據(jù)A/O工藝的基本原理，設(shè)計(jì)了一體化生活污水處理工藝裝置并進(jìn)行了小試試驗(yàn)，對(duì)生活污水獲得了良好的處理效果。本文作者在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中試主體設(shè)備，組裝中試裝置，并利用該裝置進(jìn)行處理生活污水的中試試驗(yàn)，考察裝置對(duì)總磷、總氮、氨氮、CODcr和 BOD5等主要污染因子的去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

中試裝置主要由一體化主體設(shè)備、空壓機(jī)、泵和流量計(jì)等附屬設(shè)備組成。主體設(shè)備為自行研制的一體化厭氧好氧生物除磷脫氮反應(yīng)器(見(jiàn)圖1)，整個(gè)設(shè)備主要由內(nèi)、外2個(gè)筒體構(gòu)成，其直徑分別為3.5 m和2.9 m，凈質(zhì)量為4 t，設(shè)計(jì)處理能力為1 m3/h。

中試裝置是在小試裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)大化設(shè)計(jì)，秉承小試設(shè)備污泥無(wú)泵自動(dòng)回流功能和特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了便于變換操作條件，小試設(shè)備采用接觸調(diào)壓器對(duì)攪拌電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。為了準(zhǔn)確反映在生活污泥處理介質(zhì)中攪拌裝置不同獲得的不同回流量，馴化、培養(yǎng)生活污泥達(dá)到所需濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，在不同污泥回流比條件下，通過(guò)激光測(cè)速器測(cè)試攪拌裝置轉(zhuǎn)速，從而確立了不同回流比對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，然后，根據(jù)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速選取適當(dāng)功率的電機(jī)。由于通過(guò)接觸調(diào)壓器改變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，無(wú)法建立轉(zhuǎn)速與電機(jī)功率明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，最終使用變頻器調(diào)節(jié)控制電機(jī)的功率從而控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，提高中試設(shè)備的可操控性。為解決好氧區(qū)出現(xiàn)的曝氣管兩端曝氣量強(qiáng)而中間弱、充氧不均的問(wèn)題，中試試驗(yàn)采用微孔曝氣軟管為好氧區(qū)充氧以獲得均勻充氧效果。其他重要的參數(shù)設(shè)計(jì)還包括葉輪設(shè)計(jì)、與厭氧段底部的形狀契合和位置關(guān)系等，均得到了優(yōu)化。試驗(yàn)裝置流程如圖2所示。

圖1 一體化A/O設(shè)備Fig.1 Integrative A/O equipment

圖2 試驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Flow chart of test

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用廢水為湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院內(nèi)產(chǎn)生的生活廢水；活性污泥采自長(zhǎng)沙市第一污水處理廠，并用上述生活廢水與工業(yè)葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行馴化和培養(yǎng)而成。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用清水泵將生活污水由集水井抽入調(diào)節(jié)池，再由調(diào)節(jié)池計(jì)量抽入一體化設(shè)備的厭氧區(qū)；經(jīng)厭氧處理后自流進(jìn)入好氧區(qū)，廢水中的有機(jī)物在此得以氧化分解。空氣用空壓機(jī)鼓入，經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入好氧區(qū)底部的曝氣軟管充氣。當(dāng)好氧過(guò)程完成后，處理液夾帶部分污泥利用位差自流入沉淀池，在沉淀池實(shí)現(xiàn)泥水分離。將沉淀池上清液排放，底部污泥在攪拌器攪拌形成的負(fù)壓推動(dòng)下自動(dòng)回流進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，剩余污泥通過(guò)沉淀池底部的排泥管排出。中試過(guò)程的主要工藝參數(shù)如下：污泥回流比為200%，厭氧停留時(shí)間為1.5～2.2 h，好氧時(shí)間為3.5～6.0 h，流量為1 m3/h，水溫為4～14 ℃。

1.4 分析參數(shù)與分析方法

在運(yùn)行過(guò)程中，每天定時(shí)取樣，測(cè)定的CODcr和DO以及氨氮、總磷和總氮等質(zhì)量濃度，間歇取樣測(cè)定MLSS和BOD5等，同時(shí)每天記錄氣溫、水溫、SV、耗電度數(shù)等。各參數(shù)的分析方法與主要分析儀器如表1所示。

表1 分析參數(shù)與分析儀器Table 1 Analysis methods and instruments

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置對(duì)總磷的去除效果

進(jìn)水、出水的總磷質(zhì)量濃度及總磷去除情況如圖3所示。由圖3可知，進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度在4.2～12.9 mg/L之間變化，波動(dòng)幅度較大；在裝置運(yùn)行初期(1～14 d)，總磷去除率變化較大，去除效果不穩(wěn)定，出水總磷濃度在1.5-4.0 mg/L之間波動(dòng)；在裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水總磷質(zhì)量濃度均低于2.0 mg/L, 優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(3.0 mg/L)，其平均質(zhì)量濃度為0.9 mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(1.0 mg/L)；總磷平均去除率可達(dá) 86.7%，且在此范圍內(nèi)，出水總磷質(zhì)量濃度受進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度的影響較小。試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置不僅對(duì)生活污水中總磷有較高的去除率，而且還具備良好的耐沖擊負(fù)荷能力。

2.2 裝置對(duì)生活污水的脫氮效果

裝置對(duì)總氮與氨氮的脫除效果分別如圖4和圖5所示。實(shí)驗(yàn)用水為小區(qū)的生活污水，總水量較小，雨水未納入污水收集管道，因此，污水中的總氮質(zhì)量濃度偏高且波動(dòng)較大，大部分在40.0～80.0 mg/L之間。由圖4可知：裝置運(yùn)行2周后，出水總氮質(zhì)量濃度能穩(wěn)定在10.0～20.0 mg/L，可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(20.0 mg/L)，其平均去除率為69.5%左右。而由圖5可知：裝置穩(wěn)定運(yùn)行后氨氮平均去除率高于 80%，出水氨氮質(zhì)量濃度低于 5.0 mg/L，均值為 2.6 mg/L， 可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(20.0 mg/L)。

圖3 進(jìn)出水總磷及去除率變化曲線Fig.3 Curves of influent, effluent TP and removal efficiency

圖4 進(jìn)出水總氮及去除率變化曲線Fig.4 Curves of influent, effluent TN and removal efficiency

圖5 進(jìn)出水氨氮及去除率變化曲線Fig.5 Curves of influent, effluent NH4+-N and removal efficiency

對(duì)比圖4與圖5發(fā)現(xiàn)：出水中氨氮質(zhì)量濃度較低，僅占出水總氮的 15.3%，表明裝置硝化效果較好，而反硝化效果略差。這是由于裝置從簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、減少占地等方面考慮，沒(méi)有設(shè)置缺氧段，反硝化過(guò)程主要在厭氧段完成。傳統(tǒng)的 A2/O工藝設(shè)置了缺氧段，作為優(yōu)勢(shì)菌群的異養(yǎng)型兼性反硝化菌利用污水中可降解的有機(jī)物作電子供體，以硝酸鹽作電子受體，將硝態(tài)氮還原成分子氮釋放從而達(dá)到脫氮目的[16]。而裝置主要通過(guò)控制厭氧段的停留時(shí)間來(lái)協(xié)調(diào)反硝化與磷的釋放。在前期小試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：厭氧段停留時(shí)間以1.5～2.2 h為宜，較A2/O工藝厭氧段停留時(shí)間(0.5～1.0 h)有所延長(zhǎng)。中試試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置對(duì)反硝化效果略差于硝化效果，但出水總氮仍能穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 裝置對(duì)CODcr的去除效果

圖6 進(jìn)出水CODcr質(zhì)量濃度及去除率變化曲線Fig.6 Curves of influent, effluent CODcr and removal efficiency

圖6所示為進(jìn)出水CODcr質(zhì)量濃度及去除率彎化曲線，從圖6可以看出：盡管進(jìn)水質(zhì)量濃度變化幅度很大，但出水較為穩(wěn)定，出水中CODcr絕大多數(shù)小于50.0 mg/L，平均為40.0 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，裝置對(duì)CODcr的去除率均能達(dá)到70.0%以上，最高可達(dá)94.0%，平均去除率為84.7%。裝置對(duì)CODcr去除主要是通過(guò)以下過(guò)程：在厭氧段，CODcr中的一部分被產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)化成低分子的有機(jī)酸，并被聚磷菌吸收合成PHB，作為好氧段的能源貯備；另一部分在反硝化脫氮過(guò)程中作為氫供體被消耗；在好氧區(qū)，聚磷菌利用胞內(nèi)的PHB和胞外的CODcr產(chǎn)生能量，將液相的磷酸根吸收到胞內(nèi)變?yōu)榫哿?，COD得以氧化去除。

2.4 裝置對(duì)BOD5的去除效果

由于BOD5分析周期長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣，采用間隙采樣法對(duì)BOD5分析，每個(gè)月采樣分析4次，其進(jìn)、出水質(zhì)量濃度和去除率見(jiàn)表2。從表2可知：進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度變化幅度較大，在 43.0～196.0 mg/L之間波動(dòng)，平均為 90.0 mg/L；而出水 BOD5質(zhì)量濃度在7.0～24.0 mg/L之間變化，且其中只有 1次為 24.0 mg/L，其余均低于20.0 mg/L,平均值僅為12.0 mg/L，其去除率高達(dá)70%～93%，平均去除率為84.9%。可見(jiàn)：裝置對(duì)BOD5有較好的去除效果。

表2 進(jìn)出水BOD5濃度及去除率Table 2 BOD5 concentration of influent, effluent and removal efficiency

2.4 裝置對(duì)污水處理成本及與典型同類(lèi)設(shè)備的區(qū)別

裝置運(yùn)行成本主要為電耗，通過(guò)電表實(shí)測(cè)，每處理1 t水耗電0.7 kW·h，即處理成本為0.38元/t。

表3所示為本文中試裝置與同類(lèi)典型中試裝置的比較。由表3可知：本文中試裝置區(qū)別于其他同類(lèi)設(shè)備的主要特點(diǎn)為：在很小的高徑比，在重力自流的條件下，對(duì)生活污水中COD，TN與TP有較好的去除效率。

表3 實(shí)驗(yàn)裝置與同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的比較Table 3 Comparison of experimental equipment of this study with similar researches

3 結(jié)論

(1) 啟動(dòng) 2周后，中試裝置開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，裝置具備良好的耐沖擊負(fù)荷能力。

(2) 在穩(wěn)定運(yùn)行期間，裝置對(duì)總磷、總氮、氨氮、CODcr和BOD5平均去除效率分別為86.7%，69.5%，80.0%，84.7%和84.9%，出水除總磷達(dá)《城鎮(zhèn)污水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，總氮、氨氮、CODcr和BOD5均達(dá)《城鎮(zhèn)污水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(3) A/O一體化裝置處理生活污水具有操作簡(jiǎn)便、占地面積小、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于處理城市排水管網(wǎng)不能或難以到達(dá)的居民區(qū)、旅游景點(diǎn)以及小城鎮(zhèn)等排放的生活污水。

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