晏 鵬 ,吉芳英 *,王 靜 ,范劍平 ,顏達(dá)超 (.重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045；.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院建筑工程系,重慶 400039)

近年來(lái),隨著城市污水的快速增長(zhǎng)和污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)的越來(lái)越嚴(yán)格,剩余污泥的產(chǎn)量也同步快速增加[1-3].大量未穩(wěn)定處理的污泥已成為城市污水處理廠的沉重負(fù)擔(dān)和環(huán)境的嚴(yán)重威脅[4].如何在污水處理過(guò)程中最大限度的減小污泥產(chǎn)量(污泥過(guò)程減量化技術(shù))已成為近幾年研究的重點(diǎn)[5-11].但目前眾多的研究處于實(shí)驗(yàn)室小試的探索性階段,中、大規(guī)模的污泥減量工程示范較少,其研究結(jié)論存在著一定的差異性和不確定性.另一方面,在中國(guó)大多數(shù)污水處理廠為了節(jié)約成本和保證脫氮除磷所需的碳源,通常取消了初沉池,傳統(tǒng)沉砂池通常情況下只能有效去除大于0.2mm的無(wú)機(jī)砂顆粒,這樣就使得小于0.2mm的特細(xì)無(wú)機(jī)顆粒物(砂)不能得到有效去除,直接進(jìn)入生物處理系統(tǒng).同時(shí)國(guó)內(nèi)大部分城市排水體制混亂及排水管網(wǎng)雨污分流不徹底,從而導(dǎo)致降雨初期大量的泥沙隨污水進(jìn)入污水處理廠.這樣就造成了細(xì)砂在污水處理系統(tǒng)中逐漸積累[12].而污泥減量技術(shù)的運(yùn)用如延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間(SRT),在減少剩余污泥量方面已取得良好效果,但是在減少剩余污泥排放量的同時(shí)也減少了惰性或無(wú)機(jī)物質(zhì)(砂)的排放量[13-14].這就使得淤砂在污水處理系統(tǒng)的積累更加嚴(yán)重.直接導(dǎo)致活性污泥的MLVSS/MLSS 比值降低,通常只有 0.3～0.5[15](遠(yuǎn)小于常規(guī)活性污泥法中的0.7這一經(jīng)驗(yàn)參數(shù)).由于細(xì)沙在污水處理系統(tǒng)中長(zhǎng)期積累,不僅影響了污水的處理效果和污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,而且還加大了對(duì)各種設(shè)備的磨損.

針對(duì)目前污泥過(guò)程減量技術(shù)所存在的問(wèn)題以及污水處理廠無(wú)機(jī)物積累的問(wèn)題,本課題組開(kāi)發(fā)了一種集旁路污泥減量、污泥淤砂分離、側(cè)流化學(xué)除磷、強(qiáng)化氮磷去除于一體的嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)流程與裝置

圖1 嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)流程示意Fig.1 Schematic diagram of the embedded side stream sludge reduction wastewater treatment system

嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成:(1)污水生物除磷脫氮系統(tǒng)、(2)旁路污泥強(qiáng)化水解酸化系統(tǒng)、(3)旁路污泥淤砂分離系統(tǒng)、(4)側(cè)流化學(xué)除磷系統(tǒng).該工藝系統(tǒng)通過(guò)堿解促進(jìn)污泥減量及碳源化轉(zhuǎn)化,堿解后的污泥作為碳源回流至生物除磷脫氮系統(tǒng)強(qiáng)化氮磷的去除.通過(guò)污泥淤砂分離保障污泥減量工藝無(wú)機(jī)淤砂的排除,防止無(wú)機(jī)顆粒在活性污泥中的積累.通過(guò)側(cè)流化學(xué)除磷消除系統(tǒng)除磷效果對(duì)剩余污泥排放量的依賴(lài),化學(xué)結(jié)晶產(chǎn)物農(nóng)用.該工藝系統(tǒng)流程示意見(jiàn)圖1.

試驗(yàn)裝置為建在重慶市某城市污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)的中試系統(tǒng),中試規(guī)模為10m3/d.中試系統(tǒng)由CASS池、污泥強(qiáng)化水解酸化池、污泥淤砂分離器、側(cè)流化學(xué)除磷池組成.污泥強(qiáng)化水解酸化池和污泥淤砂分離器嵌入在剩余污泥管線上.系統(tǒng)平均SRT為73d.污泥淤砂分離器是課題組根據(jù)旋流分離模型及原理開(kāi)發(fā)的一種基于生物污泥與特細(xì)無(wú)機(jī)顆粒物(砂)之間的密度、粒徑差異的無(wú)機(jī)物分離設(shè)備[16].其處理能力為5m3/h.

1.2 試驗(yàn)方法

系統(tǒng)每天運(yùn)行 4個(gè)周期,每周期 6h,進(jìn)水0.5h、曝氣4h、沉淀1h、出水0.5h.每個(gè)周期的內(nèi)回流污泥比為 20%其量為 0.5m3.系統(tǒng) MLSS為(4600±200)mg/L.質(zhì)量比為 4%(0.2m3)的活性污泥(沉淀后)從好氧區(qū)泵至污泥強(qiáng)化水解酸化池,污泥強(qiáng)化水解酸化池采用NaOH對(duì)污泥進(jìn)行溶胞破解,NaOH投加量為0.09g/ g干污泥.污泥在減量池中的停留時(shí)間為 24h.經(jīng)堿處理后的碳源化污泥(0.2m3)回流至生物選擇區(qū).與此同時(shí),質(zhì)量比約3%～4%的活性污泥被泵入污泥淤砂分離器,經(jīng)過(guò)分離器分離后,溢流污泥回流至生物選擇區(qū)而底流高含砂量污泥被排放出系統(tǒng).化學(xué)除磷池接受厭氧區(qū)的富磷上清液,磷以化學(xué)結(jié)晶的方式被回收,完成泥水分離后,上清液回流至主反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)一步去除其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)及分析方法

表1 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)及分析方法Table 1 Characteristics of wastewater influent

中試試驗(yàn)的進(jìn)水來(lái)至該污水處理廠的細(xì)格柵后的渠道,進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表 1.中試系統(tǒng)的接種污泥為污水處理廠的剩余污泥(其MLVSS/MLSS為0.33).

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)出水水質(zhì)

嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)可以通過(guò) 2種方式來(lái)強(qiáng)化生物系統(tǒng)的氮磷去除效率:第1方式就是通過(guò)污泥堿解使污泥碳源化,碳源化污泥作為內(nèi)碳源回流至生物系統(tǒng)來(lái)強(qiáng)化生物系統(tǒng)的反硝化能力;第 2種方式就是通過(guò)排富磷上清液進(jìn)行化學(xué)除磷來(lái)強(qiáng)化生物系統(tǒng)的除磷能力.如圖 2所示,中試系統(tǒng)對(duì)各營(yíng)養(yǎng)物具有良好的去除效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分別達(dá) 到 了 (92.7±2.49)% 、 (98.2±1.34)% 、 (75.5±3.46)%和(95.3±1.65)%.在穩(wěn)定運(yùn)行期間,中試系統(tǒng)對(duì)各營(yíng)養(yǎng)物的去除效率比較穩(wěn)定,并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波動(dòng).

圖2 系統(tǒng)出水NH4+-N、COD、TN、TP去除率Fig.2 The removal rate of NH4+-N、COD、TN and TP

圖3 系統(tǒng)出水NH4+-N、COD、TN、TP濃度Fig.3 The effluent concentration of NH4+-N、COD、TN and TP

中試系統(tǒng)出水水質(zhì)如圖 3所示:出水ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和 ρ(TP)分別為(26.8±8.8),(0.5±0.3),(8.6±1.6),(0.14±0.04)mg/L,其范 圍 分 別 為 11.8～39.6,0.1～2,4.5～10.4,0.1～0.2mg/L.系統(tǒng)出水水質(zhì)不僅穩(wěn)定達(dá)到一級(jí) A標(biāo)[17],各營(yíng)養(yǎng)物出水濃度還遠(yuǎn)低于其限值.綜合中試系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的去除效果和其出水水質(zhì)可以看出:嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)具有良好的營(yíng)養(yǎng)物去除能力.而這種良好的營(yíng)養(yǎng)物去除能力正是得益于堿解污泥作為內(nèi)碳源的回流和排富磷上清液進(jìn)行化學(xué)磷回收.

2.2 系統(tǒng)MLVSS/MLSS的變化特征

圖4 系統(tǒng)MLVSS/MLSS變化及處理單位水量的排砂量Fig.4 Variation in MLVSS/MLSS and girt removal with treatment per unit of wastewater of the pilot system

目前,中國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水處理廠一直受到特細(xì)砂積累的困擾,其活性污泥中MLVSS/ MLSS比值普遍較低.由于排砂量受到排泥量的限制,致使這種現(xiàn)象在運(yùn)用了污泥過(guò)程減量技術(shù)(如長(zhǎng)SRT)的污水處理廠更加凸顯[18-19].中試系統(tǒng)的接種污泥是該系統(tǒng)所在污水處理廠的剩余污泥,由于該污水處理廠長(zhǎng)期受到特細(xì)砂的影響所以致使其剩余污泥的MLVSS/MLSS只有0.33.從圖4中可以看到:由于特細(xì)砂的積累,系統(tǒng)的初始MLVSS/MLSS值很低(0.33).在系統(tǒng)培養(yǎng)期,雖然系統(tǒng)的性能指標(biāo)(如出水水質(zhì)等)不穩(wěn)定,但是由于污泥淤砂分離器在系統(tǒng)運(yùn)行后就開(kāi)始發(fā)揮無(wú)機(jī)物(淤砂)分離的作用,無(wú)機(jī)物不斷地排出活性污泥系統(tǒng),從而致使在系統(tǒng)培養(yǎng)階段系統(tǒng)的 MLVSS/MLSS不斷上升,其值從0.33上升到0.44.在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行90d后,系統(tǒng)MLVSS/MLSS增加到0.52.因此,嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)有效地防止了惰性或無(wú)機(jī)固體在生物處理系統(tǒng)中積累,強(qiáng)化了生物系統(tǒng)對(duì)特細(xì)砂的去除(其處理單位水量所排砂量為 87.7g/m3,圖 4).由于活性污泥通過(guò)分離器的作用使得污泥有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)顆粒發(fā)生有效分離,污泥有機(jī)質(zhì)(溢流污泥)返回到生物系統(tǒng),高含砂量污泥(底流污泥)作為廢棄污泥排放出系統(tǒng).溢流污泥不斷地去替換生物系統(tǒng)中的活性污泥,從而使得系統(tǒng)MLVSS/MLSS值逐漸提高.

2.3 系統(tǒng)的SRT和污泥減量性能

圖5 系統(tǒng)SRT隨時(shí)間的變化Fig.5 The SRT of the pilot system

SRT和污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)(Yobs)是衡量污泥減量性能的 2個(gè)重要參數(shù).通常來(lái)講,SRT越長(zhǎng),系統(tǒng)所排出的污泥量就越少.由于微生物的維持代謝和內(nèi)源代謝在長(zhǎng) SRT條件下被強(qiáng)化.因此,系統(tǒng)將獲得一個(gè)較低的污泥產(chǎn)率系數(shù).在穩(wěn)定狀態(tài)下,其 SRT只與微生物的特定生長(zhǎng)速率有關(guān).圖5中,系統(tǒng)平均SRT為73d,這個(gè)值遠(yuǎn)高于常規(guī)除磷脫氮活性污泥工藝中的 10～20d[20].因此,可以推斷系統(tǒng)的產(chǎn)率系數(shù)將遠(yuǎn)小于常規(guī)活性污泥工藝中的產(chǎn)率系數(shù).從圖6可知:系統(tǒng)的產(chǎn)率系數(shù)為 0.103gVSS/gCOD,而常規(guī)活性污泥工藝的產(chǎn)率系數(shù)在0.4～0.8之間[21].中試系統(tǒng)處理每m3污水所排放的凈污泥量(以干污泥計(jì))為37gMLVSS/m3,而污水處理廠處理每 m3污水所排放的凈污泥量(以干污泥計(jì))為 95gMLVSS/m3.中試系統(tǒng)處理每m3污水所排放的凈污泥量不到污水處理廠的一半.中試系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的污泥減量性能.而這種良好的污泥減量性能是系統(tǒng)強(qiáng)化微生物的維持代謝和內(nèi)源代謝(維持系統(tǒng)長(zhǎng) SRT條件)以及細(xì)胞溶解-隱性增長(zhǎng)共同作用的結(jié)果.系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行在長(zhǎng)SRT條件下,使得系統(tǒng)中的活性污泥的維持代謝和內(nèi)源代謝一直處于被強(qiáng)化的狀態(tài).而污泥堿解促使微生物細(xì)胞溶解為溶解態(tài)有機(jī)物,這些有機(jī)物被回流到生物處理系統(tǒng)被活性污泥降解和轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的產(chǎn)物如二氧化碳、水和少量生物質(zhì).因此,嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)通過(guò)這兩方面實(shí)現(xiàn)了污泥過(guò)程減量并展現(xiàn)了良好的污泥減量性能.

圖6 系統(tǒng)污泥產(chǎn)率系數(shù)Fig.6 The observed sludge yield Yobs of the pilot system

3 結(jié)論

3.1 堿解污泥作為內(nèi)碳源的回流和排富磷上清液進(jìn)行化學(xué)磷回收使得中試系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物具有良好的去除效果.出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定的達(dá)到一級(jí)A標(biāo),并遠(yuǎn)低于其限值.

3.2 由于污泥淤砂分離器的作用使得系統(tǒng)MLVSS/MLSS隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加而升高,其值從0.33增加到了0.52.系統(tǒng)依靠污泥淤砂分離器將高含砂量污泥作為外排污泥進(jìn)行排放,有效地防止了無(wú)機(jī)砂顆粒在生物處理系統(tǒng)的積累.

3.3 在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程期間,其表觀產(chǎn)率系數(shù)Yobs為0.103gVSS/gCOD所以嵌入式旁路污泥減量污水處理系統(tǒng)展示了良好的污泥減量性能.

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