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        化學(xué)除磷藥劑對EBPR系統(tǒng)處理效能的影響

        2018-12-27 09:10:52林俊雄操家順
        凈水技術(shù) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)影響系統(tǒng)

        林俊雄,江 心,操家順,方 芳,馮 騫

        (1. 江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院,江蘇南京 210036;2. 江蘇省城鎮(zhèn)供水安全保障中心,江蘇南京 210036;3. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

        我國污水處理廠出水磷排放要求日益嚴(yán)格,為更好處理低碳廢水和降低出水磷濃度,生物-化學(xué)除磷聯(lián)用工藝常被采用。鐵鹽、鋁鹽類金屬絮凝劑應(yīng)用廣泛、效果頗佳,但其在污泥系統(tǒng)中的殘留會對微生物活性及污泥結(jié)構(gòu)等造成一定的影響[1-2]。

        目前,有關(guān)化學(xué)除磷藥劑對強化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal,EBPR)系統(tǒng)影響的研究多基于實驗室內(nèi)的短期或燒杯試驗,這與污水生物處理工藝周期長、運行連續(xù)的特點存在一定的差距[3]。另外,相關(guān)研究表明,活性污泥的基本特性與系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行狀態(tài)關(guān)系密切[4]。進(jìn)行化學(xué)除磷藥劑對EBPR系統(tǒng)處理效能的影響研究,可以為活性污泥生物除磷研究和污水廠工藝優(yōu)化研究提供技術(shù)支撐。

        本研究的強化生物除磷系統(tǒng)采用以厭氧/好氧方式運行的SBR反應(yīng)器,以人工模擬城市污水為進(jìn)水,通過反應(yīng)器長期運行,研究投加不同種類化學(xué)除磷藥劑(FeCl3和AlCl3)及其不同投加濃度對EBPR系統(tǒng)處理效率的影響。

        1 材料與方法

        1.1 接種污泥、反應(yīng)器及模擬廢水

        采用圖1所示的序批式反應(yīng)器(SBR),以厭氧/好氧運行方式,設(shè)定初始混合液懸浮固體濃度(MLSS)約為4 000 mg/L,揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度(MLVSS)約為3 000 mg/L,污泥齡約為15 d。接種污泥取自生活污水處理廠二沉池回流污泥。

        設(shè)定SBR反應(yīng)器工況如下:每日三個周期,每周期為8 h,水力停留時間為16 h,其中進(jìn)水20 min,厭氧攪拌2 h,好氧曝氣4.5 h,沉淀40 min,排水10 min,閑置20 min。試驗過程中,控制厭氧段溶解氧低于0.2 mg/L,好氧段溶解氧在3 mg/L以上,定期清洗反應(yīng)器器壁以避免其表面的生物膜過度增殖,抑制對基質(zhì)的競爭。

        1.2 試驗設(shè)計

        試驗采用兩個以厭氧/好氧方式運行的SBR反應(yīng)器,在投加不同濃度化學(xué)除磷藥劑(FeCl3和AlCl3)的條件下,通過長期運行試驗和典型周期監(jiān)測,研究Fe3+、Al3+對于EBPR系統(tǒng)污泥胞內(nèi)貯存物(PHA和糖原)的影響。

        試驗中采用并行運行的兩組SBR裝置,分別投加FeCl3和AlCl3。理論上去除1 g P(31 g/mol),所需Fe3+(56 g/mol)和Al3+(27 g/mol)分別為1.81 g和0.87 g,考慮實際反應(yīng)過程未能完全有效,所伴隨的副反應(yīng)將消耗多余金屬離子(Me),因此對化學(xué)除磷藥劑進(jìn)行超量投加。

        投量系數(shù)α=(mol Me)/(mol P),受到混合條件、投加位置等多種因素影響,根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》,采用鋁鹽或鐵鹽做混凝劑時,投量系數(shù)宜為1.5~3。長期試驗采用逐步提高基質(zhì)負(fù)荷的方法對SBR反應(yīng)器進(jìn)行啟動,各階段投量系數(shù)分別為0、0.75、1.5、3和4.5。根據(jù)理論計算,不同階段的投加量如表1所示。各階段運行至少2個污泥齡,待出水指標(biāo)穩(wěn)定后,通過穩(wěn)定運行周期內(nèi)各項水質(zhì)指標(biāo)和對反應(yīng)器的連續(xù)監(jiān)測,研究不同種類及不同濃度的化學(xué)除磷藥劑對EBPR系統(tǒng)處理效率的長期影響。

        1.3 分析方法

        污水和活性污泥指標(biāo)相關(guān)監(jiān)測分析方法參照相關(guān)國標(biāo)分析方法[7]。其中,COD、磷酸鹽、氨氮和硝酸鹽氮分別采用消解法、鉬銻抗分光光度法、納氏試劑分光光度法和紫外分光光度法測定。

        2 結(jié)果與討論

        經(jīng)第一階段約兩個月的活性污泥馴化,活性污泥系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定,投加Fe3+、Al3+,系統(tǒng)對氨氮的平均去除率分別達(dá)到95.3%和92.7%,對磷酸鹽的平均去除率分別為72.9%和74.5%。

        反應(yīng)器第一階段活性污泥訓(xùn)化后,根據(jù)已設(shè)定的各階段化學(xué)除磷藥劑投量因子,分別進(jìn)行第二至五階段長期試驗的監(jiān)測。

        2.1 Fe3+、Al3+對EBPR系統(tǒng)有機物去除效果的影響

        圖2為長期運行條件下EBPR系統(tǒng)對有機物的去除效果,其中1號反應(yīng)器投加FeCl3,2號反應(yīng)器投加AlCl3。結(jié)果表明,逐步提高化學(xué)除磷藥劑的投量系數(shù)(Me/P=0.75、1.5、3、4.5),鐵鹽和鋁鹽系統(tǒng)的COD去除率緩慢下降,而高濃度Fe3+(24 mg/L)對系統(tǒng)COD的去除率變化并不明顯,高濃度Al3+(18 mg/L)的投加則會抑制COD的降解。

        圖2 長期運行中化學(xué)除磷藥劑投加對EBPR系統(tǒng)有機物降解的影響Fig.2 Influence of Dosing Phosphorus Removal Chemicals on Organic Matter Degradation in Long-Term EBPR System Operation

        圖3為化學(xué)除磷藥劑投加量對EBPR系統(tǒng)單位周期內(nèi)有機物降解的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),化學(xué)除磷藥劑投加前后COD的降解未有明顯不同,COD濃度先在厭氧段急劇下降隨后趨于平衡,這是由于碳源被聚磷微生物快速吸收并合成PHA。COD的降解速率隨著金屬離子濃度的增大而降低,當(dāng)Fe3+濃度由4 mg/L增至24 mg/L時,COD的降解速率由44.26 mg/(L·h)減至42.62 mg/(L·h);而Al3+濃度由3 mg/L增至18 mg/L時,COD的降解速率由41.38 mg/(L·h)減至33.85 mg/(L·h)。這可能是生物吸收與絡(luò)合反應(yīng)雙重作用的結(jié)果,金屬離子與水中的碳水化合物及大分子有機物反應(yīng)為絡(luò)合物,并作為污泥絮體的內(nèi)核,加快有機物的降解速率;而過多金屬絡(luò)合物會附著于污泥顆?;蛐躞w表面,影響微生物對COD的降解。

        圖3 Fe3+、Al3+投加量對EBPR系統(tǒng)周期內(nèi)有機物降解的影響 (a) Fe3+; (b) Al3+Fig.3 Profile Change in Organic Matter Degradation with Different Fe3+ and Al3+ Dosages during an EBPR Batch Experiment (a) Fe3+; (b) Al3+

        2.2 Fe3+、Al3+對EBPR系統(tǒng)脫氮效果的影響

        圖4 長期運行中化學(xué)除磷藥劑投加對EBPR系統(tǒng)氨氮降解的影響Fig.4 Influence of Phosphorus Removal Chemicals Dosing on Ammonia Nitrogen Removal in Long-Term EBPR System Operation

        圖4為長期運行中不同F(xiàn)e3+、Al3+投加量對EBPR系統(tǒng)氨氮降解的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e3+、Al3+的投加對硝化細(xì)菌的影響不大,系統(tǒng)氨氮的去除率均在95%以上,且運行期間氨氮去除率保持穩(wěn)定,僅在每次改變藥劑投加負(fù)荷時出現(xiàn)短暫波動,系統(tǒng)很快又恢復(fù)穩(wěn)定。溫度是影響硝化細(xì)菌活性的主要因素[8-9],10~30 ℃時,微生物生長速率恒定,本試驗溫度穩(wěn)定于20 ℃左右,這可能是本試驗氨氮去除率變化不大的主要原因之一。

        圖5為化學(xué)除磷藥劑投加量對EBPR系統(tǒng)單位周期內(nèi)含氮化合物含量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),化學(xué)除磷藥劑的投加對系統(tǒng)降解氨氮的影響不大,而高濃度藥劑的投加(Fe3+=24 mg/L,Al3+=18 mg/L)會提高反應(yīng)末端出水硝氮的處理效果,但對亞硝氮濃度的變化影響不大。Clark等[10]認(rèn)為,過多的金屬離子會引起系統(tǒng)pH下降,從而降低系統(tǒng)硝化作用。Philips等[11]則認(rèn)為,化學(xué)除磷藥劑的毒性以及生成的沉淀物阻止?fàn)I養(yǎng)物的轉(zhuǎn)移是抑制硝化的主要原因。

        2.3 Fe3+、Al3+對EBPR系統(tǒng)除磷效果的影響

        2.3.1 長期運行化學(xué)藥劑對EBPR系統(tǒng)除磷的影響

        圖6為長期運行中化學(xué)除磷藥劑投加對EBPR系統(tǒng)磷酸鹽降解的影響。結(jié)果表明,隨著化學(xué)藥劑投加量的提高,系統(tǒng)對磷酸鹽的去除率表現(xiàn)為先降低后波動上升最后逐步穩(wěn)定的趨勢;當(dāng)投加量較高時,系統(tǒng)的恢復(fù)能力明顯減弱。相同投量系數(shù)下,相較鋁鹽,投加鐵鹽系統(tǒng)對磷有更好的處理效果。

        Fe3+和Al3+形成磷酸鹽沉淀物的反應(yīng)平衡常數(shù)對數(shù)分別為30和21,鐵鹽較鋁鹽更易與磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)[12]。當(dāng)Fe3+投加量超過8 mg/L時,系統(tǒng)對磷的處理效果降低,出水磷酸鹽波動較大;而當(dāng)Al3+投加量超過3 mg/L時,系統(tǒng)對磷的去除率較差,說明鋁鹽對微生物具有毒性作用。磷酸鹽去除率未隨Fe3+和Al3+投加量的增大而提高,說明化學(xué)除磷藥劑的投加對系統(tǒng)中的聚磷菌有一定的影響。

        2.3.2 穩(wěn)定周期內(nèi)Fe3+對系統(tǒng)除磷的影響

        圖7為不同F(xiàn)e3+投加量下磷酸鹽的周期變化圖。當(dāng)Fe3+投加量小于8 mg/L時,系統(tǒng)磷酸鹽去除率逐漸提高;而投加量進(jìn)一步提高時,去除率呈下降趨勢,說明Fe3+投加對生物除磷系統(tǒng)的影響顯著。

        圖7 不同F(xiàn)e3+投加量下磷酸鹽濃度的周期變化Fig.7 Profile Change in Phosphate Concentration with Different Fe3+ Dosages during an EBPR Batch Experiment

        表2反映了不同F(xiàn)e3+投加量對系統(tǒng)釋磷、吸磷的影響。Fe3+投加量為8 mg/L時,厭氧釋磷量及好氧吸磷量均達(dá)到最大值,系統(tǒng)平均釋磷及吸磷速率處于最佳,為5.99 mg/(g SS·h)和3.21 mg/(g SS·h),說明溶解性磷酸根與Fe3+反應(yīng)生成的絡(luò)合物Fe2.5PO4(OH)4.5、Fe1.6H2PO4(OH)3.8等具有較強的吸附能力,進(jìn)一步將部分非溶解性聚磷酸鹽和有機磷通過吸附去除,這和Fytianos等[13]的研究結(jié)論一致。

        鐵離子作為微生物生長過程所需的微量元素,可參與微生物細(xì)胞色素、核糖核苷酸還原酶的合成及相關(guān)物質(zhì)還原和電子傳遞過程,在低濃度范圍內(nèi)其濃度的增加能夠提高微生物的活性,從而提高系統(tǒng)對污染物的去除能力。但當(dāng)Fe3+投加量超過8 mg/L時,系統(tǒng)厭氧釋磷量和釋磷速率出現(xiàn)下降,可能是厭氧釋磷與Fe3+反應(yīng),生成難溶絡(luò)合物,導(dǎo)致溶解態(tài)磷濃度下降;而厭氧期釋磷不充分,好氧吸磷過程受影響,致使出水磷酸鹽濃度升高。

        2.3.3 穩(wěn)定周期內(nèi)Al3+對系統(tǒng)除磷的影響

        表2 不同F(xiàn)e3+投加量對EBPR系統(tǒng)釋磷、吸磷的影響Tab.2 Influence of Fe3+ Dosage on Phosphorus Release and Uptake in EBPR System

        圖8 不同Al3+投加量下磷酸鹽濃度的周期變化Fig.8 Profile Change in Phosphate Concentration with Different Al3+Dosages during an EBPR Batch Experiment

        圖8為不同Al3+投加量下系統(tǒng)內(nèi)磷酸鹽濃度的周期變化。結(jié)果表明,Al3+投加對生物除磷系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響,對系統(tǒng)厭氧段釋磷產(chǎn)生有益效益。當(dāng)Al3+投加量為3 mg/L時,系統(tǒng)厭氧末體系內(nèi)磷釋放量達(dá)最大;投加量增至18 mg/L時,磷的釋放量最少,降至28.06 mg/L。

        與鐵鹽投加試驗類似,低濃度Al3+的投加能夠提高微生物活性。但系統(tǒng)中也存在著因鋁鹽水解而形成的無機大分子離子[14],當(dāng)此分子的直徑大于微生物細(xì)胞膜的孔徑時,微生物對鋁的吸收過程受到抑制,這可能是系統(tǒng)磷去除率在90%趨于平衡的原因。高濃度Al3+會對生物除磷系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用,這可能與過量金屬離子致使微生物酶失活、蛋白質(zhì)變性相關(guān);另外,金屬鹽形成的沉淀物可能附著于微生物菌膠團的表面,影響生物除磷的效能??傮w而言,高濃度Al3+對系統(tǒng)除磷的抑制作用比Fe3+明顯。

        表3 不同Al3+投加量對EBPR系統(tǒng)釋磷、吸磷的影響Tab.3 Influence of Al3+ Dosage on Phosphorus Release and Uptake in EBPR System

        2.4 Fe3+、Al3+對EBPR系統(tǒng)處理效率的影響對比

        長期試驗各階段結(jié)果表明,F(xiàn)e3+、Al3+的投加對EBPR系統(tǒng)處理效率的影響規(guī)律類似。其中,F(xiàn)e3+、Al3+的投加對系統(tǒng)氨氮去除的影響并不顯著,這可能是因為化學(xué)除磷藥劑的投加對微生物降解氨氮的過程并不產(chǎn)生直接影響;相較之下溫度對氨氮處理效率的影響更為顯著,系統(tǒng)溫度適宜,使得氨氮處理效率處于較高水平。另外,F(xiàn)e3+、Al3+的高濃度投加對系統(tǒng)有機物的降解均產(chǎn)生抑制結(jié)果。

        低濃度Fe3+、Al3+(投加量分別不大于8 mg/L和6 mg/L時)能夠提高微生物活性;高濃度Fe3+、Al3+(投加量分別為24 mg/L和18 mg/L時)會對EBPR系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用,Al3+對系統(tǒng)除磷的抑制作用較Fe3+明顯,這可能是鋁離子的毒性更容易導(dǎo)致酶失活,使蛋白質(zhì)變性。相同投加系數(shù)下,鐵鹽投加系統(tǒng)較鋁鹽能取得更高的除磷率。鐵鹽投加系統(tǒng)的反應(yīng)平衡常數(shù)較大,說明鐵系更易與磷酸鹽反應(yīng),而鋁鹽本身的毒性會對系統(tǒng)除磷效果產(chǎn)生抑制作用。在Fe3+、Al3+投加量分別為8 mg/L和6 mg/L時,出水磷酸鹽濃度最低,系統(tǒng)厭氧釋磷量及好氧吸磷量均達(dá)到較大值,系統(tǒng)除磷效果最好。

        3 結(jié)論

        (1)隨著化學(xué)除磷藥劑投加濃度的增加,出水COD濃度逐漸降低,高濃度Fe3+對系統(tǒng)COD的去除率變化并不明顯,而高濃度Al3+的投加會抑制COD的降解。Fe3+、Al3+的投加對系統(tǒng)氨氮去除影響不大,不是影響硝化細(xì)菌活性的主要因素。

        (2)投加Fe3+、Al3+影響系統(tǒng)除磷效果的規(guī)律類似,均表現(xiàn)為低濃度投加提高微生物活性,高濃度投加抑制。

        (3)在本次工況下,污泥濃度較小的小試試驗中,F(xiàn)e3+、Al3+投加量分別為8 mg/L和6 mg/L時,即投加量為8.6 mg/(g VSS)和7.0 mg/(g VSS)時,系統(tǒng)厭氧釋磷量及好氧吸磷量均達(dá)到較大值,系統(tǒng)除磷效果最好,此時磷酸鹽去除率分別為96.5%和89.5%。

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