孫洪偉,尤永軍,彭永臻,王淑瑩 (.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070；.北京工業(yè)大學北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 004)

脈沖式SBR是在傳統(tǒng)SBR基礎上對其運行方式改進后的一種新型污水處理工藝,該工藝通過分多段進水的運行方式,充分利用原水中有機物作為反硝化碳源,節(jié)省曝氣量和外碳源投加量.目前,國內(nèi)外對交替好氧/缺氧 SBR工藝的研究進水階段僅有 1個,未能充分利用原水中有機物實現(xiàn)脫氮[1-3].楊慶[4]和楊岸明等[5]利用過程控制值參數(shù)(pH值,DO,ORP)建立了脈沖式SBR處理城市污水的過程控制策略,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.此外,Yang等[6]和 Guo等[7]采用脈沖式SBR處理城市生活污水,獲得穩(wěn)定的脫氮性能.

脈沖式SBR的工作原理:原水進入SBR反應器,好氧曝氣去除有機物和硝化反應.硝化完全后,投加適量原水,利用原水中有機物作為反硝化碳源,進行缺氧反應.反硝化完成后進行再曝氣,使投加原水而帶入的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮,重復投適量原水進行反硝化和后曝氣的過程,在最后一個反硝化階段投加外碳源,實現(xiàn)深度脫氮.

城市垃圾滲濾液是典型的高氨氮廢水,尤其晚期滲濾液,低碳氮比(C/N)是實現(xiàn)深度脫氮的主要難題之一[8].短程生物脫氮由于在節(jié)約能源和碳源方面具有明顯優(yōu)勢[9-11],近年來被廣泛研究.基于上述分析,如將短程生物脫氮技術和脈沖式SBR工藝進行結(jié)合,可最大限度的利用原水中有機物實現(xiàn)生物脫氮,從而獲得最少的外碳源投量.本研究基于脈沖式 SBR工藝生物脫氮的理論分析,考察了沖式 SBR處理垃圾滲濾液的脫氮效果和工藝穩(wěn)定性,以實現(xiàn)深度脫氮和節(jié)能雙重目標.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

SBR反應器由有機玻璃制成,高度 500mm,直徑 160mm,總有效容積為 9L.在反應器壁上的垂直方向設置一排間距100mm的取樣口,用以取樣和排水;底部設有排泥管;以黏砂塊作為微孔曝氣器,采用鼓風曝氣,轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量.機械攪拌由轉(zhuǎn)速可調(diào)的機械攪拌器完成.

1.2 試驗水質(zhì)及分析方法

試驗用水為經(jīng)上流式厭氧污泥床(UASB)預處理的城市垃圾滲濾液.UASB實現(xiàn)了有機物的去除,SBR通過硝化-反硝化作用實現(xiàn)氮的去除[9].SBR進水水質(zhì):TN 90～180mg/L,-N 85～170mg/L,COD 58～1035mg/L,-N<1.0mg/L,C/N為 3～8.在試驗開始前,SBR系統(tǒng)已適應 2.5個月,獲得了良好短程生物脫氮后開始進行跟蹤測定[12-13].

1.3 試驗方法

SBR采用3種模式運行,如圖1所示.在模式Ι,II和III中,污水分別按1次、2次和3次等量投配至反應器.脈沖SBR好氧和缺氧時間由實時控制策略控制.進水方式為瞬間進水,沉淀和排水時間分別為30,5min.

圖1 SBR工藝的運行模式Fig.1 Operational modes of the SBR process

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖式SBR工藝短程生物脫氮的理論分析

(1) 當x＞k時,η與n的關系為:

當n→∞時,有η→1

當n→∞時,

分多次進水的脈沖式操作模式是有效的脫氮模式,影響反硝化脫氮效率主要因素是投加原水次數(shù)、進水量和進水的COD/TN值.隨著投加原水次數(shù)的增加,總氮去除效率不斷提高.同時,外加碳源量隨之減少.

2.2 進水次數(shù)對脈沖SBR工藝短程脫氮的影響

圖2 3種進水條件下, SBR反應過程COD和氮的轉(zhuǎn)化Fig.2 Variations of COD and nitrogen under three feeding modes

3種模式下的進水量分別為 4,2,1.3L.由圖 2可看出,每個硝化階段的硝化很完全,硝化結(jié)束時,低于4.0mg/L,平均去除率達到95.8%以上.硝化過程中,幾乎全部轉(zhuǎn)化成,成為硝化過程的主要產(chǎn)物,而濃度始終低于 1.5mg/L,表明系統(tǒng)處于穩(wěn)定的短程硝化過程.反硝化進行也很徹底,出水濃度始終在0.5mg/L以下.最后一個反硝化階段分別投加 3.2,0.89,0.64mL的甲醇,可使最后出水 TN低于 15.0mg/L,實現(xiàn)深度脫氮.需要說明的,在運行模式III中,缺氧1段和2段條件下,濃度分別降低了3.4,3.8mg/L,由于系統(tǒng)中存在,可能是由于厭氧氨氧化途徑引起的.

由圖2b可以看出,2次進水條件下,好氧2段比好氧1段的時間短,原因在于:(1)第2次進水中可生物降解的 COD被第 1次硝化反應產(chǎn)生的作為電子供體全部利用,避免高濃度有機物對硝化反應的抑制,同時減少了好氧 2段有機物的降解時間;(2)相對于第1次進水,第2次進水后,由于反應器混合液體積的增大,導致稀釋比從3增加至 4,因此初始降低.同樣在圖 2c中,3個好氧段的時間也逐漸減少.對于2次和3次進水條件下反硝化過程,利用原水中的有機物作為碳源進行反硝化.圖2b中缺氧1段用了2.5h,系統(tǒng)中的從43.0mg/L降低至0.8mg/L.圖2c中缺氧 1段和 2段分別經(jīng)過 0.75,0.6h,系統(tǒng)中的降至0.4mg/L以下.由此可見,試驗中原水C/N可以滿足反硝化反應對碳源的要求.

2.3 進水次數(shù)和進水量對脈沖SBR工藝運行效率的影響

表1 3種運行模式條件下,脈沖式SBR工藝的運行效率Table 1 Performance of pulsed-SBR under three operational modes

2.4 過程控制在脈沖式SBR工藝短程生物脫氮 中的應用

圖3 3次進水條件下,SBR工藝內(nèi)氮、有機物和過程控制參數(shù)變化規(guī)律Fig.3 Variations of COD, nitrogen, DO, pH and ORP under three feeding modes

圖3為3次進水條件下,SBR工藝內(nèi)氮,有機物和過程控制參數(shù)的變化規(guī)律.在生物脫氮過程中,DO,ORP和pH值曲線上共出現(xiàn)5個特征點,分別是亞硝化結(jié)束時DO曲線上的突躍點(a點),ORP曲線上的突躍點(b點),pH值曲線上的“谷”(c點),反硝化結(jié)束時ORP曲線上的“膝”(d點),pH值曲線上的“-N肘”的膝”(d點),pH值曲線上的“-N (e點),這些特征點與反應過程中“三氮”的轉(zhuǎn)化有非常好的相關性.在硝化過程中,pH 值出現(xiàn)“谷”后氨氮濃度接近為零.反硝化過程中,pH值曲線“肘”和 ORP曲線“膝”出現(xiàn)后,反應器內(nèi)的亞硝態(tài)氮接近零,最后投加外碳源進行反硝化.因此,DO,ORP和pH值曲線特征點可準確判斷硝化、反硝化終點.DO, pH值和ORP作為脈沖式 SBR處理滲濾液短程生物脫氮過程的控制參數(shù),準確把握曝氣和攪拌時間,節(jié)省曝氣和運行費用.此外, 還可有效解決脈沖式 SBR由于進水水次數(shù)增多導致的運行復雜等問題.

2.5 DO, ORP和pH值的導數(shù)圖形分析

圖4 DO, ORP和pH值的導數(shù)與時間曲線圖Fig.4 The relationships of first derivative of DO, ORP and pH with time

圖4為對應圖3給出上述典型過程中DO,ORP和pH值的導數(shù)圖形.dDO/dt圖形中對應著硝化反應的結(jié)束可見明顯的突躍點(A1,A2,A3),指示硝化反應結(jié)束.此外,對應硝化反應結(jié)束,dORP/dt曲線上出現(xiàn)突躍點(B1,B2,B3).在反硝化過程中,反硝化結(jié)束的時間可由ORP導數(shù)絕對值的突然增加(D1,D2,D3) 來判斷.對于dpH/dt的變化規(guī)律,開始硝化對應著的 pH導數(shù)由負變正(C1,C2,C3).當反硝化的結(jié)束時,分別對應著pH導數(shù)由正變負(E1,E2,E3).通過對這3個參數(shù)導數(shù)的分析,可知由ORP, DO, pH值的特征點可實現(xiàn)脈沖式SBR短程生物脫氮的過程控制.需要說明的是,DO和OPR導數(shù)圖形中的跳躍點是停止曝氣、開始攪拌,反應器中 DO濃度迅速減少所致.pH導數(shù)圖形中突躍點是由于硝化結(jié)束時,停止曝氣,加入原水或碳源導致的.高景峰等[18]采用SBR處理生活污水過程中,在一次進水條件下,也獲得了相類似的試驗結(jié)果.

2.6 脈沖式SBR工藝短程脫氮的穩(wěn)定性

圖5為脈沖式SBR系統(tǒng)穩(wěn)定236個周期的結(jié)果.每個運行周期采用過程控制進行硝化、反硝化終點控制.根據(jù)進水基質(zhì)濃度調(diào)節(jié)好氧和缺氧段的反應時間,準確把握反應進程,確保出水水質(zhì).試驗過程中,即使進水TN濃度出現(xiàn)一定程度的波動,介于87.4～171.2mg/L范圍內(nèi),但出水維持在6.0～22.0mg/L之間,平均去除率為90.9%,表明脈沖SBR工藝不僅能夠深度脫氮,而且具有較強的穩(wěn)定性和抗沖擊能力.

圖5 脈沖式SBR短程生物脫氮的長期穩(wěn)定性Fig.5 The stabilization of nitrogen removal via nitrite in three feed-step SBR process

3 結(jié)論

3.1 采用脈沖式 SBR工藝處理垃圾滲濾液,采取交替好氧/缺氧分段進水運行方式,基于穩(wěn)定短程生物脫氮途徑,最終出水TN和-N分別低于15.0和5.0mg/L,實現(xiàn)了深度脫氮.

3.2 進水次數(shù)是影響外碳源投加量的重要因素,進水次數(shù)增加,外碳源投量明顯減少.但進水次數(shù)的增加意味著系統(tǒng)運行更加復雜.對于脈沖式SBR工藝,建議采用2～3次等量進水,可節(jié)省碳源投加量,降低運行費用.

3.3 基于過程控制,可準確把握脈沖式 SBR工藝的曝氣和攪拌時間,避免過曝氣,并解決該工藝由于進水次數(shù)增多導致的運行復雜等問題.

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