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        CASS工藝改進及對城鎮(zhèn)污水含氮污染物的去除

        2022-12-29 14:27:32鄭麗麗李肖燕馬莉萍梁文艷
        工業(yè)水處理 2022年12期
        關(guān)鍵詞:活性污泥硝化氨氮

        鄭麗麗,劉 闖,王 倩,李肖燕,馬莉萍,梁文艷

        (1.北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計院有限公司,北京 102600;2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600;3.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

        城鎮(zhèn)污水中TN的去除是污水治理的重難點,污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高也要求污水處理廠提升對含氮污染物的處理能力。傳統(tǒng)的周期循環(huán)式活性污泥法(CASS)工藝因占地面積小、運行成本低且可自動化運轉(zhuǎn)而廣泛用于城鎮(zhèn)污水處理〔1〕。然而,城鎮(zhèn)污水普遍存在碳源不足的問題,導(dǎo)致CASS工藝難以實現(xiàn)高效脫氮〔2〕。隨著出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格,有必要開發(fā)高效的生物脫氮系統(tǒng)。

        改變傳統(tǒng)工藝的運行方式,優(yōu)化工藝控制參數(shù),提高CASS工藝的脫氮能力等方法引起研究人員的關(guān)注。CASS反應(yīng)器可根據(jù)污水水質(zhì)的要求,改變進水、曝氣、沉淀等階段的時間,迅速實現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧條件之間的轉(zhuǎn)換,提高污染物的去除效率〔3〕。對于同一種序批式污水處理工藝,不同循環(huán)周期下的脫氮效果也有較大差異〔4〕。曝氣時間是污水處理工藝運行中的最主要影響因素之一,曝氣量會影響氨氮的去除和反硝化處理效果。王加蒙等〔5〕采用序批式活性污泥(SBR)工藝處理生活污水,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加排水比可增加下一周期反應(yīng)器內(nèi)的碳源濃度,進而提高脫氮效果。排水比和回流比也是影響CASS工藝處理效果的重要因素,排水比過大會對工藝內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊,回流比例偏小影響反硝化作用,而排水比太小或回流比例過大會增加工藝運行成本〔6〕。

        硝化液回流可將污水中的碳源優(yōu)化分配至不同處理階段,增強反硝化能力,強化脫氮去除能力。此外,由活性污泥法和生物膜法構(gòu)成的生物膜與活性污泥復(fù)合工藝也可提高系統(tǒng)的脫氮能力〔7〕。趙亮等〔8〕在CASS池內(nèi)投加PVA懸浮填料,研究結(jié)果表明,添加填料后CASS工藝的氨氮去除能力明顯提升。李濟源等〔9〕在傳統(tǒng)CASS工藝中添加一種人工合成填料處理酒精廢水,當(dāng)填料填充比為30%、循環(huán)周期為6 h時,對氨氮的去除率高達96.51%,TN去除率也達到88.81%,顯著高于傳統(tǒng)CASS工藝。Sen YANG等〔10〕發(fā)現(xiàn),固定生物膜活性污泥系統(tǒng)(IFAS)-SBR組合工藝對TN的去除效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SBR工藝。

        筆者在CASS中添加硝化液回流和生物填料開發(fā)了CASS回流工藝(RCASS)與CASS復(fù)合生物膜工藝(IFAS-CASS),比較了CASS、RCASS、IFAS-CASS工藝的處理效果,分析了2種CASS改進工藝的強化作用,研究并確定了RCASS和IFAS-CASS的最優(yōu)運行參數(shù),并對3種工藝的微生物群落結(jié)構(gòu)進行分析。

        1 材料與方法

        1.1 實驗材料

        實驗用水采用人工配水模擬生活污水,COD、TP、NH4+-N、TN分別約為350、4、40、50 mg/L,組成為C6H12O6(333.3 mg/L)、KH2PO4(17.5 mg/L)、NH4Cl(152.8 mg/L)、NaNO3(61.2 mg/L),適當(dāng)添加部分微量元素。

        實驗裝置如圖1所示,尺寸為40 cm×20 cm×30 cm,主體為有機玻璃材質(zhì),有效容積14 L。生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)的容積比為2∶3∶15,生物選擇區(qū)設(shè)有攪拌裝置。RCASS工藝中增加了硝化液回流管道。IFAS-CASS工藝中關(guān)閉硝化液回流,添加1/3體積的聚氨酯(PU)海綿填料,填料尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

        圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

        1.2 實驗設(shè)計

        向CASS反應(yīng)裝置加入3 L污水處理廠好氧活性污泥(MLSS為1 350 mg/L),以20 mL/min的流速泵入模擬污水,在溶解氧為2~4 mg/L、排水比為100%的條件下啟動。運行20 d后出水水質(zhì)穩(wěn)定,反應(yīng)裝置啟動完成。CASS的循環(huán)周期為24 h,進水階段為6 h。

        RCASS工藝的啟動中,硝化液回流比為20%;IFAS-CASS工藝啟動中,硝化液不回流,在裝置主反應(yīng)區(qū)添加聚氨酯海綿填料,填料與主反應(yīng)區(qū)的體積比為1∶3。IFAS-CASS循環(huán)周期為12 h,進水階段設(shè)計時間為4 h,污水流量為35 mL/min,其他啟動條件與CASS工藝一致。當(dāng)出水濃度趨于穩(wěn)定時,可認(rèn)為實驗裝置啟動成功。研究循環(huán)周期、曝氣時間、硝化液回流比對RCASS工藝運行效能的影響;研究循環(huán)周期、曝氣時間、排水時間對IFAS-CASS工藝處理效果的影響;測定反應(yīng)器活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)。在每個周期的進水階段和排水階段取樣,測定COD和TN。

        1.3 分析方法

        COD用快速催化消解法(HJ/T 399—2007)測定,TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)測定,NH4+-N用水楊酸分光光度法(GB 7479—1987)測定,DO用便攜式溶解氧儀測定。微生物群落組成采用MiSeq高通量測序技術(shù)進行研究:分別取活性污泥樣品和聚氨酯海綿填料水洗液于50 mL離心管中,離心速度5 000 r/min,離心時間15 min,將底部活性污泥置于冰箱-20℃冷凍層保存,污泥樣本送至上海美吉生物有限公司進行測序。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 循環(huán)周期對強化去除污染物的影響

        分別設(shè)置循環(huán)周期為6、8、12、24 h(見圖2),研究不同循環(huán)周期條件下3種工藝對污染物的去除效果,整個實驗過程3種工藝的污泥質(zhì)量濃度分別達到2 800、2 900、3 100 mg/L,結(jié)果如圖3所示。

        圖2 不同循環(huán)周期的一周期內(nèi)運行過程Fig.2 Operation process of one cycle in different cycle periods

        由圖3(a)可知,實際運行時3種工藝DO均在2.5~3.2 mg/L波動,充足的溶解氧為好氧微生物提供了好氧環(huán)境,保證硝化作用的順利進行。由圖3(b)可以看出,COD去除率由高到低依次為RCASS>CASS>IFAS-CASS。3種工藝對COD的去除率隨循環(huán)周期的增加而增大,循環(huán)周期為24 h時,平均去除率均高于90%。

        圖3 不同循環(huán)周期下3種工藝的DO變化(a)和COD處理效果(b)Fig.3 DO changes(a)and COD treatment effects(b)of three processes under different cycle periods

        循環(huán)周期對RCASS工藝的影響最大,循環(huán)周期為6、8、12、24 h時,COD平均去除率分別為92.25%、92.3%、94.35%、94.56%,且在12、24 h時,出水COD低于20 mg/L,優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。由于有機物可通過硝化液的回流而被更好地降解利用,因此在所有循環(huán)周期中RCASS出水COD均低于CASS出水〔11〕。但對于IFAS-CASS工藝,出水中的COD均高于CASS工藝,說明添加填料后對COD的降解能力有所減弱。這是因為PU內(nèi)部易形成厭氧區(qū),當(dāng)水力停留時間較短時,COD不能作為碳源被充分利用。此外,1/3的填料填充比對中小型CASS裝置而言比例較大,導(dǎo)致填料在反應(yīng)器內(nèi)的流動程度不高〔10〕,影響了氧的傳遞和利用〔12〕,進而影響COD的進一步降解。

        3種工藝對TN和氨氮的去除率由大到小依次為IFAS-CASS>RCASS>CASS(見圖4)。出水總氮和氨氮均隨循環(huán)周期的延長而降低,其中IFAS-CASS降幅最明顯。循環(huán)周期從6 h增加到24 h時,IFAS-CASS出水TN下降了73.7%,低至4.65 mg/L,而CASS只降低了16.7%。8 h時IFAS-CASS出水TN就能達到城鎮(zhèn)污水處理一級A標(biāo)準(zhǔn)要求,而RCASS需要24 h。循環(huán)周期為6、8 h時,IFAS-CASS出水氨氮平均分別為2.89、1.22 mg/L;循環(huán)周期為24 h時,RCASS和IFAS-CASS出水中的氨氮幾乎一致,結(jié)果表明對于氨氮的處理,采用IFASCASS工藝可以明顯縮短處理周期。

        圖4 不同循環(huán)周期下3種工藝對TN(a)和NH3-N(b)的處理效果Fig.4 TN(a)and NH3-N(b)treatment effects of three processes under different cycle periods

        IFAS-CASS內(nèi)填料的孔隙結(jié)構(gòu)為功能微生物的生長提供了所需的微氧環(huán)境〔13〕,創(chuàng)造了同步硝化反硝化的條件〔14〕,可強化TN和氨氮的去除。在懸浮污泥與填料微生物的共同作用下,IFAS-CASS對總氮的去除效果更顯著。實驗中IFAS-CASS出水氨氮始終維持在較低水平,說明添加聚氨酯海綿填料后,系統(tǒng)內(nèi)世代生長周期較長的硝化細(xì)菌含量有所增加。循環(huán)周期延長后,功能微生物與污水中污染物的接觸時間也有所增加,而CASS與RCASS中沒有大量剩余碳源支撐反硝化反應(yīng)進行,因此其總氮去除效果隨循環(huán)周期的增幅較小。而IFAS-CASS的反硝化作用發(fā)生在整個周期內(nèi),即使沒有充足的碳源,IFAS-CASS內(nèi)填料中的自養(yǎng)反硝化菌也能進行脫氮,自養(yǎng)反硝化菌〔15〕和厭氧氨氧化細(xì)菌〔10〕強化了脫氮效果。此外,循環(huán)周期延長使IFAS-CASS的傳質(zhì)效率大幅提高,系統(tǒng)內(nèi)反硝化細(xì)菌對污染物的降解發(fā)揮了更大作用。

        2.2 曝氣時間對強化去除污染物的影響

        根據(jù)實驗結(jié)果選擇循環(huán)周期為8 h,考察曝氣時間分別為4、5、6 h時2種 改進CASS工藝的處理效果,其運行過程如圖5所示,對COD和TN的去除效果見圖6。

        圖5 不同曝氣時間下的運行過程Fig.5 Operation process with different aeration time

        如圖6(a)所示,RCASS對COD的去除效果高于IFAS-CASS,硝化液回流大大提高了對COD的處理效能。2種CASS改進工藝均有一定抗沖擊負(fù)荷能力,在研究的曝氣時間下對COD去除效果均較好,RCASS的COD去除率高達95%,IFAS-CASS的去除率達到90%左右,且出水COD<50 mg/L,能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。在改進的CASS反應(yīng)器中,較少的曝氣時間就能保證COD的去除。

        圖6(b)中,不同曝氣時間下IFAS-CASS對TN的去除效果都好于RCASS:曝氣時間為4、5、6 h時,RCASS中的出水TN平均分別為16.0、17.9、18.3 mg/L,而IFASCASS的出水TN平均分別低至13.6、14.2、14.8 mg/L。對于IFAS-CASS,曝氣時間為4 h時的TN去除效果優(yōu)于其他曝氣條件,這是因為曝氣時間為4 h時,反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生反硝化作用的缺氧環(huán)境存在時間相對較長。RCASS有類似情況,當(dāng)曝氣時間延長至5、6 h時,出水TN升高,原因在于進入沉淀階段系統(tǒng)內(nèi)沒有充足碳源支撐反硝化作用的進行。

        圖6 不同曝氣時間下2種改進工藝對COD(a)和TN(b)的處理效果Fig.6 Treatment effects of COD(a)and TN(b)in two improved processes with different aeration times

        2.3 排水比對強化去除污染物的影響

        在循環(huán)周期為8 h、曝氣時間為4 h的條件下,設(shè)定排水比分別為30%、50%、90%,考察2種改進CASS強化去除污染物的效果,結(jié)果見圖7。

        由圖7(a)可見,IFAS-CASS對COD的去除效果略低于RCASS,排水比為30%、50%、90%時,IFAS-CASS出水COD平均分別為26.4、28.4、30.0 mg/L,而RCASS出水COD均<25 mg/L。COD去除率隨排水比例的增加而下降,是因為排水比較小時,COD的去除得益于裝置中上一周期污水的稀釋作用;排水比較大時,裝置內(nèi)的污泥可能流出,從而影響出水水質(zhì)。

        圖7不同排水比下2種改進工藝對COD(a)和TN(b)的處理效果Fig.7 Treatment effect of COD(a)and TN(b)in two improved processes with different drainage ratios

        圖7 (b)中,不同排水比下,IFAS-CASS對TN的處理效果均優(yōu)于RCASS。排水比為30%、50%、90%時,IFAS-CASS出水TN平均低于15 mg/L,均能滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)要求,而RCASS尚不能達標(biāo)。在2種CASS改進工藝中,出水TN均隨排水比的減小而降低,并隨排水比的改變在小范圍內(nèi)變化。實驗結(jié)果表明,排水比較小時污水在裝置內(nèi)的停留時間增加,污染物能與微生物充分接觸進而被去除。

        2.4 回流比對污染物強化去除的影響

        在循環(huán)周期為8 h、曝氣時間為4 h的條件下,研究回流比為20%、35%、50%時RCASS對污染物強化去除的效果。實驗結(jié)果表明,硝化液回流比為20%、35%、50%時,出水COD平均為24.5、23.8、23.8 mg/L,COD平均去除率分別為92.48%、92.62%、92.59%??梢钥闯稣{(diào)節(jié)硝化液回流比后RCASS工藝對COD的處理效果差異不大,出水COD均低于25 mg/L,滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。回流比為20%時,COD處理效果相對較差,回流比越大COD的處理效果越好,說明提高硝化液回流比可增加COD去除量,但整體上COD的去除受回流比影響較小。

        硝化液回流比為20%、35%、50%時,出水TN平均為16.5、15.5、14.8 mg/L,平均去除率分別為68.12%、70.23%、72.09%。隨著硝化液回流比的增加,RCASS對TN的去除能力逐漸增加。回流比為50%時,出水中的TN低于一級A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 mg/L。反應(yīng)器內(nèi)回流比例較高時,更多的硝化液回流至缺氧區(qū)相對豐等,反硝化作用加強,TN的處理效果提升。

        2.5 微生物群落特征變化

        為了解3種CASS工藝中微生物群落結(jié)構(gòu),對IFAS-CASS填 料和污泥、CASS污泥和RCASS污 泥4個樣本進行分析,見圖8。

        圖8 不同反應(yīng)器的細(xì)菌門分類水平群落結(jié)構(gòu)Fig.8 Community structure of bacterial phylum classification levels in different reactors

        由圖8可見,4種樣品共有24個菌門,主要包括Actinobacteria(放線菌門)、Proteobacteria(變形菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Chlorobi(綠菌門)、Nitrospirae(硝化螺旋菌門)、Gemmatimonadetes(芽 單 胞 菌 門)、Parcubacteria、Planctomycetes(浮霉菌門)、Verrucomicrobia(疣微菌門),可以看出不同樣品在門水平上的優(yōu)勢物種可能相同,但相對豐度存在明顯差異〔16〕。Saccharibacteri菌門是目前細(xì)菌群落中最大的菌門,在污水中大量存在。Saccharibacteri在降解各種有機物,尤其是糖類化合物中起到重要作用〔17〕。RCASS工藝中Saccharibacteri含量最高,而在IFAS-CASS中其含量最低。在改進的CASS中Proteobacteria(變形菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)豐度增加,說明增加硝化液回流和填料對提高生物群落多樣性起到促進作用,也促進了有機物的降解。放線菌門可將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2O,促進系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化與降解。變形菌門是細(xì)菌中最大的一門,營兼性厭氧及異養(yǎng)生活有利于水中氮的去除。IFAS-CASS中的Actinobacteria和Proteobacteria豐度要高于CASS和RCASS,因此IFAS-CASS可以更好地強化去除含氮污染物。

        在4種樣品中均檢測到Nitrospirae(硝化螺旋菌門),其中的Nitrospira(硝化螺旋菌屬)是常見的硝化細(xì)菌,其在脫氮過程中扮演重要角色,是污水處理過程中不可或缺的微生物〔18〕。Planctmycetes(浮霉菌門)內(nèi)包含厭氧氨氧化細(xì)菌,其作用是促使氨氮與亞硝態(tài)氮發(fā)生反應(yīng)直接生成氮氣,將氮從系統(tǒng)內(nèi)去除。

        3 結(jié)論

        (1)RCASS和IFAS-CASS均 有 強 化CASS去 除總氮的能力。IFAS-CASS中添加填料,減弱了COD的降解能力,卻更有利于總氮的去除。當(dāng)循環(huán)周期為24 h、進 水TN為50 mg/L時,CASS的 出 水TN為20.8 mg/L,而RCASS和IFAS-CASS出 水TN分 別 低至14.8、4.65 mg/L。

        (2)各工藝的處理效果均隨循環(huán)周期的延長而增加;曝氣時間對COD的去除效果影響較小,曝氣時間增加會增加出水中的TN。較小的排水比更利于改進工藝對COD和TN的去除?;亓鞅仍黾涌纱龠MRCASS對COD和TN的去除,回流比為50%時出水COD和TN分別為23.8、14.8 mg/L。在最優(yōu)運行條件下,CASS改進工藝能夠發(fā)揮最佳處理作用,強化TN的去除。

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