張安龍, 吳冰華, 王家宏
(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院, 陜西 西安 710021; 2.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710021)
近年來,隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人民生活水平的迅速提高及生活條件的明顯改善,居民用水量日益加大,使得生活污水排放量不斷增加.生活污水主要包括沖廁污水、生活洗滌污水、廚房污水和人畜糞便污水等,其主要特征有:(1)污水日排放量較?。?2)間歇排放,水質(zhì)水量隨季節(jié)、晝夜變化大,日變化系數(shù)達到3.5~5.0;(3)基本不含重金屬和有毒有害物質(zhì),但其中含有大量氮磷等污染物質(zhì);(4)懸浮物濃度較高,有機物濃度低;(5)B/C在0.5左右,屬于易降解污水[1];(6)管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全.若不加處理而直接排放,不但污染水體,增加市政管網(wǎng)建設(shè)的負(fù)擔(dān),還浪費了大量的再生水水源.據(jù)統(tǒng)計,95%以上的生活污水或糞便廢水被直接排放到地下或江河湖泊[2].
目前,成熟的生活污水處理技術(shù)如序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)、生物膜反應(yīng)器等[3],由于投資大、能耗高、運行費用高、管理難度大等原因,在農(nóng)村難以推廣應(yīng)用,因此尋求一種高效節(jié)能的廢水處理工藝十分必要.與傳統(tǒng)好氧工藝相比,厭氧工藝具有以下特點:(1)不需要曝氣系統(tǒng),大大降低了造價和運行、維護費用;(2)水力條件良好,能有效降解有機物,具有污泥消化池的功能,剩余污泥產(chǎn)生量少,能實現(xiàn)污水、污泥一次處理.厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是MCCARTY及其合作者在厭氧生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進開發(fā)出來的一種新型高效厭氧反應(yīng)器,由于分割多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)使其具有良好的水力特性、耐沖擊負(fù)荷及良好固體截留能力[4,5].近年國內(nèi)外對ABR的研究較為活躍,但一般局限于處理高濃度有機廢水的研究,對低濃度生活污水的研究在國內(nèi)報道很少,僅在國外有個別運行先例[6-9].Mahmoud N等的研究證明ABR在處理生活污水方面具有很好的效果[10].將厭氧處理和以人工濕地為代表的生態(tài)處理相結(jié)合,是因地制宜、經(jīng)濟合理的農(nóng)村廢水處理方法.ABR作為預(yù)處理單元,可以增強系統(tǒng)的抗沖擊能力,降低有機負(fù)荷和懸浮物濃度,從而提高后續(xù)生態(tài)處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷,減緩堵塞問題,提高使用壽命.
本實驗采用厭氧折流板反應(yīng)器對生活污水進行預(yù)處理,研究了不同水力停留時間和有機負(fù)荷對反應(yīng)器出水水質(zhì)的影響,為其在實際工程中應(yīng)用提供理論性指導(dǎo).
試驗用水取自陜西科技大學(xué)生活區(qū)排放的生活污水,經(jīng)粗篩網(wǎng)過濾后作為試驗用水.試驗用水水質(zhì)情況如表1所示.
表1 試驗用水水質(zhì)情況
CODCr:重鉻酸鉀滴定法[11];NH4-N:納氏試劑分光光度法[11];TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[11];TP:鉬酸銨分光光度法[11];SS:干熱恒重法(105 ℃烘干稱重)[11];溫度:水銀溫度計.
厭氧折流板反應(yīng)器(ABR,Anaerobic Baffled Reactor)實驗裝置如圖1所示.ABR由有機玻璃制成,有效容積為21.6 L.反應(yīng)器分為3個隔室,每個隔室由上下流室組成,隔室下部的折板角度為135 °,以減少水流死角,實現(xiàn)布水均勻.反應(yīng)器上部進水,上部出水.反應(yīng)器安裝在恒溫水浴箱中,通過WMZK-01型溫度控制儀控制溫度在(35±1)℃.
圖1 實驗裝置圖
ABR反應(yīng)器內(nèi)的接種污泥取自西安市某污水處理廠的厭氧池,污泥濃度MLSS為31.2 g·L-1,其中MLVSS占53.6%,在(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每隔兩天加一次新鮮營養(yǎng)液,同時每隔2 h攪拌一次,發(fā)現(xiàn)有大量氣泡產(chǎn)生時,則污泥培養(yǎng)成熟.污泥培養(yǎng)成熟后,將污泥量為反應(yīng)器體積1/10的成熟污泥加入到ABR反應(yīng)器中,其中第一隔室投放相對多些,剩余污泥均勻投入二三隔室,添加新鮮營養(yǎng)液,靜置1 d.
采用低負(fù)荷啟動方式.啟動初期間歇進水,固定水力停留時間為24 h,每天進水10 h, 20天后開始連續(xù)進水,廢水流量控制在1.5 L·h-1左右.40天后反應(yīng)器底部污泥呈灰白色,顯微鏡觀察到大量產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌.60天后,ABR反應(yīng)器的各隔室都形成穩(wěn)定的污泥床,污泥呈黑褐色,出水較清澈,CODCr的去除率穩(wěn)定在63%左右,說明此時ABR反應(yīng)器已經(jīng)成功啟動.
在進水水質(zhì)保持不變的情況下,研究系統(tǒng)的最佳水力停留時間HRT,進而在最佳反應(yīng)條件下,考察不同容積負(fù)荷對生活污水處理效果的影響.
2.1.1 最佳水力停留時間的確定
不同水力停留時間的實驗結(jié)果如圖2和圖3所示.
從圖2可知,隨著水力停留時間的增加,出水CODCr濃度逐漸降低,CODCr的去除率逐漸提高.這主要是因為水力停留時間的延長,使微生物與水中的有機物充分接觸,從而有效降解水中有機污染物,達到出水CODCr濃度降低的效果.但當(dāng)HRT大于6 h時,CODCr去除率變化不大,基本穩(wěn)定,即厭氧反應(yīng)在一定程度上不受反應(yīng)時間的控制,這與厭氧的去除機理有關(guān),在這一階段主要是相對分子質(zhì)量較大的有機污染物的分解過程,從形式上和性質(zhì)上發(fā)生變化,而在數(shù)量上變化較小[12].Yu[13]的研究結(jié)果表明,要達到去除SS的目的,HRT必須大于5 h.由圖3可知,當(dāng)HRT=6 h時,SS可以得到較好的去除,且隨著HRT的增加,去除率不斷增大.綜合考慮處理效果與投資費用,選取6 h為最佳水力停留時間.
圖2 水力停留時間對CODCr去除效果的影響
圖3 水力停留時間對SS去除效果的影響
2.1.2 容積負(fù)荷對處理效果的影響
水力停留時間固定為6 h,通過改變進水CODCr濃度,容積負(fù)荷隨之變化,實驗結(jié)果如圖4所示.由圖4可知,提高進水有機物濃度對CODCr和SS去除率影響不大,說明ABR反應(yīng)器具有較強的抗沖擊負(fù)荷能力.這主要因為ABR獨特的隔室結(jié)構(gòu),折流板迫使水流上下折流,改善了泥水接觸效果,提高了COD的去除率,更適合于低濃度有機廢水(如生活污水)的厭氧處理.
圖4 容積負(fù)荷對處理效果的影響
在最佳工藝條件(水力停留時間為6 h)下,連續(xù)運行40 d,實驗結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示.
2.2.1 對CODCr的去除效果
由圖5可知,生活污水進水CODCr波動較大(100~450 mg/L),經(jīng)過ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后,CODCr平均去除率穩(wěn)定在68.1%左右,說明該工藝對生活污水具有較好的預(yù)處理效果.
圖5 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中CODCr及其去除率的變化
2.2.2 對懸浮物SS的去除效果
ABR反應(yīng)器作為處理低濃度生活污水的預(yù)處理階段,對懸浮物SS的處理效果如圖6所示.由圖6可知,由于微生物對大分子物質(zhì)的吸附及降解作用,經(jīng)ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后,水中SS得到較高的去除.雖然進水懸浮物的波動較大,但經(jīng)ABR預(yù)處理后,出水SS較低,且基本穩(wěn)定在40 mg·L-1以下.進水懸浮物SS質(zhì)量濃度越高,其去除率越高,由此可知,ABR系統(tǒng)對懸浮物SS具有良好的截留效果.
圖6 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中SS及其去除率的變化
2.2.3 對氨氮和總氮的去除效果
在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運行40 d,進出水氨氮及總氮的濃度均隔天測定,測定結(jié)果分別如圖7、圖8所示.
圖7 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中氨氮質(zhì)量濃度的變化
由圖7可知,ABR反應(yīng)器對氨氮基本沒有去除效果,氨氮濃度略微下降主要是由微生物的同化作用和厭氧氨氧化造成.ABR反應(yīng)器對氨氮的去除率甚至出現(xiàn)負(fù)值,主要由于水體中的有機氮在厭氧條件下通過厭氧菌的作用轉(zhuǎn)化為氨氮,從而使氨氮含量上升;而氨氮在無氧或缺氧條件下無法向NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化,因而難以去除.
圖8 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中總氮質(zhì)量濃度的變化
由圖8可知,ABR反應(yīng)器對TN的去除效果很小,對TN的平均去除率僅為13.2%.總氮的去除主要是由微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)及厭氧反硝化作用變?yōu)榈獨庠斐傻?
對有脫氮要求的生活污水處理系統(tǒng),ABR必須與好氧處理單元聯(lián)用,組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)才能有效除氮.
2.2.4 對總磷的去除效果
在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運行40 d,進出水總磷的濃度均隔天測定,測定結(jié)果和圖9所示.
圖9 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中總磷質(zhì)量濃度的變化
由圖9看出,ABR反應(yīng)器的除磷效果不好,去除率僅為4.3%左右,主要是由微生物的同化作用造成的.ABR同其他厭氧反應(yīng)器一樣,只能產(chǎn)生釋磷作用(將有機磷轉(zhuǎn)化為磷酸鹽),對有除磷要求的生活污水處理系統(tǒng),ABR也必須與好氧處理單元聯(lián)用,組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)(含排泥過程)才能有效去除磷.
(1)隨著水力停留時間的延長,CODCr去除率逐漸提高,但當(dāng)HRT大于6 h時,CODCr去除率基本穩(wěn)定;當(dāng)HRT=6 h時,SS可以得到較好的去除,且隨著HRT的增加,去除率不斷增大.綜合考慮,ABR反應(yīng)器的最佳水力停留時間選為6 h.
(2)進水有機負(fù)荷的變化對CODCr、SS去除率的影響不大,說明ABR反應(yīng)器具有較強的抗沖擊負(fù)荷能力.
(3)在最佳工藝條件下,ABR作為生活污水的預(yù)處理單元,對生活污水中CODCr、SS的去除率分別穩(wěn)定在68.1%、88.3%左右,實現(xiàn)了較好的預(yù)處理效果,且與好氧處理工藝相比,大大降低了處理成本.但ABR處理系統(tǒng)的脫氮除磷作用很小,氮磷的去除主要是由水中微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)造成的.
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