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        溫度對(duì)高負(fù)荷活性污泥法的影響及動(dòng)力學(xué)分析

        2021-07-20 05:53:44孫意忱孫小然程文靜萬俊鋒王巖
        應(yīng)用化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:降溫反應(yīng)器污泥

        孫意忱,孫小然,程文靜,萬俊鋒,王巖

        (鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450001)

        100多年來,活性污泥法在污水處理中扮演著重要角色[1]。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的興起,僅從污水中去除污染物已不滿足社會(huì)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)污水資源化越來越受到人們的重視[2]。與傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)相比,具有生物吸附和生物轉(zhuǎn)化作用的高負(fù)荷活性污泥法(HRAS)可快速地從污水中捕獲有機(jī)物。近些年來,HRAS是實(shí)現(xiàn)碳源捕獲、能量回收的熱門工藝[3-5]。在對(duì)HRAS的研究中,對(duì)溶解氧(DO)、泥齡(SRT)、水力停留時(shí)間(HRT)等工藝參數(shù)的研究已有報(bào)道[6],但對(duì)溫度的研究很少??紤]到溫度會(huì)影響微生物的生長、繁殖和胞外聚合物(EPS)的分泌[7],本研究探究溫度對(duì)HRAS的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        乙酸鈉,食品級(jí);硫酸銨、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、碳酸氫鈉、硫酸亞鐵、硫酸鎂、氯化鈣均為分析純;進(jìn)水為人工配制的模擬廢水,化學(xué)組成見表1,化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)分別為1 000 mg/L和50 mg/L,污泥來源于周口棗花淀粉廠內(nèi)循環(huán)工藝的厭氧顆粒污泥與實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的顆粒污泥。

        表1 進(jìn)水的化學(xué)組成Table 1 Chemical characteristics of the synthetic water

        ACO-002型空氣曝氣泵;SYC-1015D型恒溫循環(huán)水箱;SX-5-12型馬弗爐;LZB-6型氣體流量計(jì);KG316T型可編程邏輯控制器;BT100-2J型蠕動(dòng)泵;PLD-1205型隔膜排水泵;AUY220型分析天平;哈希DRB-200型COD消解儀;哈希DR1010型COD測定儀;U-1810型紫外可見分光光度計(jì);ICS-900型離子色譜儀;WTW Multi 3410型手持式多參數(shù)測定儀。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置 與傳統(tǒng)的HRAS不同,本研究使用SBR反應(yīng)器作為HRAS的反應(yīng)裝置,使得反應(yīng)器的體積大幅度減小。見圖1,反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制作,有效容積為1.3 L,內(nèi)徑50 mm,高700 mm;在器壁垂直方向上距離底部 50,350,650 mm處分別設(shè)置進(jìn)水口、出水口和溢流口。反應(yīng)器上端敞口、下端密閉,并在下端設(shè)置曝氣口。

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

        此外,反應(yīng)器還搭配有恒溫循環(huán)水箱、蠕動(dòng)泵、出水水泵、曝氣泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、高壓氮?dú)馄亢蜁r(shí)控開關(guān)等裝置。

        1.2.2 反應(yīng)器運(yùn)行 兩種污泥經(jīng)過清水清洗、去除掉雜質(zhì)后混合接種到反應(yīng)器中。研究中,準(zhǔn)備了對(duì)照組(R1) 與實(shí)驗(yàn)組(R2) 兩組反應(yīng)器,R1的溫度保持在25 ℃;R2的溫度在反應(yīng)器啟動(dòng)階段設(shè)定為25 ℃,待反應(yīng)器穩(wěn)定后從30 ℃上升至35 ℃,最后上升至40 ℃。反應(yīng)器的時(shí)間控制見表2,反應(yīng)器的周期為360 min,10 min的進(jìn)水結(jié)束后開始15 min的厭氧反應(yīng)階段(此過程中向反應(yīng)器通入N2使污水混勻),隨后進(jìn)行60 min的好氧反應(yīng)階段(此過程中曝氣量不變),待10 min的沉降結(jié)束后,于1 min內(nèi)排出反應(yīng)器內(nèi)500 mL的上清液,最后反應(yīng)器進(jìn)入長達(dá)284 min的微曝氣階段(每30 min進(jìn)行一次混勻)。反應(yīng)器SRT設(shè)置為4 d。此設(shè)置實(shí)現(xiàn)了交替飽食和饑餓的動(dòng)態(tài)環(huán)境,有利于微生物在接觸階段大量吸收易生物降解的有機(jī)物。

        表2 HRAS運(yùn)行時(shí)間安排Table 2 The time table of HRAS

        1.3 檢測方法

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同溫度下的COD、TN去除

        反應(yīng)器運(yùn)行450 d,按溫度不同,將實(shí)驗(yàn)組R2分為4個(gè)階段:(1)溫度25 ℃的啟動(dòng)階段;(2)溫度升至30 ℃的實(shí)驗(yàn)階段;(3)溫度升至35 ℃的實(shí)驗(yàn)階段;(4)溫度升至40 ℃的實(shí)驗(yàn)階段。本研究著重研究了40 ℃條件下HRAS去除水中COD、TN的效率。

        2.1.1 溫度對(duì)HRAS去除COD和TN效果的影響 MLVSS的變化見圖2。污泥在培養(yǎng)過程中由顆粒狀變?yōu)樾鯛?;反?yīng)器的結(jié)構(gòu)使部分污泥在沉降時(shí)堆積在出水口上方,導(dǎo)致排水時(shí)會(huì)排出不定量污泥,使MLVSS不穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)后期,R1的MLVSS基本保持在1.25~3.37 g/L,R2的MLVSS基本保持在1.03~3.36 g/L。

        圖2 反應(yīng)器內(nèi)MLVSS濃度Fig.2 MLVSS concentration in the reactor

        由圖3(A)可知,溫度升高后,出水COD僅小幅下降。R1出水COD在穩(wěn)定期后平均值為95.60 mg/L, 中值為75.69 mg/L,COD去除率平均值為90.44%,中值為92.43%;R2在溫度上升到40 ℃ 的高溫階段,出水COD平均值為71.60 mg/L,中值為53.44 mg/L,COD去除率平均值為92.84%,中值為94.66%。R1和R2兩組反應(yīng)器均能去除污水中90%以上的COD。

        圖3 反應(yīng)器出水中COD與TN濃度Fig.3 COD and TN concentrations in the effluent

        由圖3(B)可知,HRAS出水中TN較不穩(wěn)定,且隨著溫度升高,HRAS去除TN的能力下降。穩(wěn)定期結(jié)束后,R1出水TN平均值為12.39 mg/L,中值為11.61 mg/L;而在升溫至40 ℃的過程中,R2內(nèi)微生物受到高溫的影響,使得出水TN持續(xù)升高。在溫度保持在40 ℃階段,出水TN平均值為21.21 mg/L, 中值21.23 mg/L。

        2.1.2 溫度對(duì)HRAS降解COD和TN動(dòng)力學(xué)的影響 本研究針對(duì)不同溫度條件下一個(gè)周期中HRAS內(nèi)COD、TN的動(dòng)力學(xué)變化做了比較分析。

        COD對(duì)比結(jié)果見圖4(A),在不同的溫度條件下,HRAS內(nèi)COD呈一致的變化趨勢(shì)。由于SBR反應(yīng)器的進(jìn)水特點(diǎn),進(jìn)水后HRAS內(nèi)COD較污水COD(1 000 mg/L)有大幅的降低。在厭氧階段,HRAS內(nèi)COD緩慢下降。好氧階段開始后,HRAS內(nèi)COD快速下降。在此階段,好氧微生物活性達(dá)到最大,大量捕集有機(jī)物來進(jìn)行新陳代謝和生長繁殖,使污水COD快速下降。在45~55 min時(shí),COD下降變慢,表明HRAS已基本完成COD去除。在微曝氣階段,HRAS反應(yīng)器內(nèi)DO小于0.5 mg/L,COD較穩(wěn)定,可判斷此階段HRAS內(nèi)環(huán)境較為平穩(wěn),無劇烈生化反應(yīng)發(fā)生。在周期末期觀察到COD緩慢增長,推測該階段微生物處于饑餓的內(nèi)源性呼吸狀態(tài),分泌了屬于TB-EPS的高分子聚合物[8]。

        圖4 一個(gè)周期中HRAS內(nèi)COD、TN濃度Fig.4 The concentration of COD and TN in HRAS in one cycle

        對(duì)比發(fā)現(xiàn),溫度的提高使HRAS的COD去除速率和去除量顯著提高。在40 ℃條件下,HRAS可在45 min內(nèi)去除污水中95% COD;而在25 ℃時(shí),在55 min內(nèi)HRAS僅能去除污水中81% COD。高溫增加了微生物的活性,加快了污染物分子的運(yùn)動(dòng)速率,進(jìn)而增加了污染物分子與EPS接觸的機(jī)會(huì),從而提高了微生物捕獲污染物分子的能力。

        2.2 快速降溫對(duì)HRAS內(nèi)動(dòng)力學(xué)變化的影響

        溫度對(duì)微生物的影響是多方面的,會(huì)影響到微生物的種群結(jié)構(gòu)、酶活性、胞外聚合物等多個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)意在不改變反應(yīng)器內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)的前提下,探究溫度對(duì)HRAS的影響。本實(shí)驗(yàn)將R2的溫度由40 ℃降至25 ℃且保持3 d,于降溫前及降溫后3 d分別進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)檢測。

        2.2.1 COD 降溫前后HRAS內(nèi)的COD濃度的動(dòng)力學(xué)結(jié)果見圖5,降溫前后HRAS內(nèi)的COD濃度在厭氧階段出現(xiàn)了較為明顯的區(qū)別。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,微生物的吸附能力隨溫度的降低而提高[9],而厭氧微生物在短時(shí)間內(nèi)難以快速降解有機(jī)物,所以降溫后,厭氧階段HRAS內(nèi)的COD由于更活躍的生物吸附作用而明顯低于降溫前。由于好氧反應(yīng)階段開始時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的COD濃度有很大的差別,所以降溫前后,HRAS在好氧反應(yīng)階段的COD變化趨勢(shì)有很大不同。微曝氣階段,降溫前后HRAS內(nèi)的COD都保持在較低水平。

        圖5 降溫前后一個(gè)周期中HRAS內(nèi)COD濃度Fig.5 COD concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

        接下來擬合在好氧階段不同反應(yīng)時(shí)間去除的COD的經(jīng)驗(yàn)方程。首先假設(shè):(1)厭氧階段反應(yīng)器的內(nèi)的COD去除主要是由于生物吸附;(2)好氧階段開始時(shí),反應(yīng)器內(nèi)的COD皆為可降解溶解性COD;(3)在好氧階段,反應(yīng)器內(nèi)的污水處于完全混合狀態(tài)。

        滿足以上假設(shè)后,好氧反應(yīng)階段有機(jī)污染物的生物降解過程可用Monod方程來描述:

        (1)

        式中S——在反應(yīng)過程中不同時(shí)刻時(shí),HRAS反應(yīng)器內(nèi)的COD濃度,mg/L;

        X——在反應(yīng)過程中HRAS反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的質(zhì)量濃度,g/L;

        t——HRAS反應(yīng)器在好氧反應(yīng)階段的工作時(shí)間,min;

        K——反應(yīng)速率常數(shù);

        Ks——飽和常數(shù)。

        張玉環(huán)等指出,式(1)可適當(dāng)簡化,在好氧階段,HRAS工藝的有機(jī)物降解服從1級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系式[10]:

        (2)

        式中Sr——當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)HRAS反應(yīng)器去除的COD,mg/L;

        K1=KX/2.3。

        將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2),并利用最小二乘法估計(jì)得出K′。最后分別求出在降溫前K=0.015;降溫后K=0.1。故可求得經(jīng)驗(yàn)回歸方程:

        降溫前:Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)

        降溫后:Sr=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min)

        將實(shí)際去除的COD與經(jīng)驗(yàn)回歸方程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果見圖6。

        由圖6可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)回歸方程的模擬結(jié)果較為接近。其中,降溫前的實(shí)際Sr與擬合Sr的平均相對(duì)誤差為13.76%,R2=0.990;降溫后的實(shí)際Sr與擬合Sr的平均相對(duì)誤差為3.96%,R2=0.994。表明經(jīng)驗(yàn)回歸方程的精度高,以此方程建立的動(dòng)力學(xué)模型可以較好地反應(yīng)降溫前后HRAS在好氧反應(yīng)階段的COD去除規(guī)律。

        圖6 降溫前(A)、降溫后(B)好氧階段實(shí)際去除COD與回歸模型的對(duì)比Fig.6 Comparison of actual removal of COD in aerobic stage and regression model before(A) and after(B) cooling

        2.2.2 TN HRAS降溫前后一個(gè)周期中反應(yīng)器內(nèi)TN變化見圖7。在厭氧階段,反應(yīng)器內(nèi)存在混勻過程,因此反應(yīng)器內(nèi)TN在前2 min出現(xiàn)了上升;在后13 min,反應(yīng)器內(nèi)TN緩慢下降,降溫前后厭氧階段HRAS的TN去除率分別為8.83%和14.05%。

        圖7 降溫前后一個(gè)周期中HRAS內(nèi)TN濃度Fig.7 TN concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

        反應(yīng)器在好氧階段處于高DO環(huán)境,在硝化作用和生物吸附的共同作用下,HRAS反應(yīng)器內(nèi)TN明顯下降,降溫前后好氧階段HRAS的TN去除率分別為41.73%和31.21%。

        在微曝氣階段,反應(yīng)器內(nèi)變?yōu)榈虳O環(huán)境。降溫前反應(yīng)器內(nèi)的TN保持平穩(wěn),微曝氣階段開始和結(jié)束時(shí)的TN僅變化了0.02 mg/L;降溫后反應(yīng)器內(nèi)的TN持續(xù)下降,而硝酸根、亞硝酸根濃度依然小于0.09 mg/L。推測在此條件下下,硝化菌和反硝化菌可以在低活性的狀態(tài)下完成硝化、反硝化反應(yīng)。

        3 結(jié)論

        (1)溫度對(duì)HRAS出水COD影響較小,對(duì)出水TN影響較大,溫度越高出水TN越高。

        (2)在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi),溫度越高HRAS越早完成COD去除。40 ℃時(shí),HRAS可在進(jìn)水后45 min 內(nèi)完成污水中95% COD的去除,而在25 ℃時(shí),在55 min 內(nèi),HRAS僅能去除污水中81%的COD。

        (3)在實(shí)驗(yàn)的COD范圍內(nèi),40 ℃時(shí)HRAS的COD去除可用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)描述,平均相對(duì)誤差為13.76%,R2=0.990;降溫到25 ℃后方程變?yōu)镾r=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min),平均相對(duì)誤差為3.96%,R2=0.994。

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