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污泥龄对A A工艺反硝化除磷效能的影响

浏览量:4530 发布时间:2019-09-08


  近年来,反硝化除磷技术已成为污水处理研究领域热点问题,反硝化除磷技术不但减少了聚磷菌胞内聚羟基烷酸的无谓消耗、减少需氧量、降低(reduce)能耗,达到了“一碳二用”的目的,解决了传统工艺中脱氮和除磷两个过程在碳源争夺问题上的矛盾,并且减少了剩余污泥排放量,在满足深度污水处理要求前提下,降低了运行费用。
  污水中磷的去除是以排放剩余污泥来实现的,如果污泥龄SRT维持较短则可能导致MLSS浓度变低,没有办法保证系统的正常运行,过高的SRT会对工艺的除磷效果产生影响,因此,合理地控制SRT是污水除磷关键。泥龄不仅体现(tǐ xiàn)了微生物的生长环境和世代周期,而且影响污泥系统的处理效率(efficiency)、出水水质和产泥量。目前,国内外学者关于污泥龄对反硝化除磷效果的影响有一定的研究,但关于污泥龄对NO2--N作为电子受体的反硝化除磷机理的深入研究较少。
  笔者以厌氧/缺氧SBR为研究对象,分析了SRT对NO2--N作为电子受体反硝化除磷系统运行效能的影响,并探明了SRT与反硝化除磷机制的关联性,为NO2--N作为电子受体的反硝化除磷技术提供参考。中空纤维膜纺丝机通过膜技术进行水处理,应用于制药、酿造、餐饮、化工、市政污水回佣、医院、小区污水会用、造纸等生产生活污水处理。膜分离技术是一种广泛应用于溶液或气体物质分离、浓缩和提纯的分离技术。膜壁微孔密布,原液在一定压力下通过膜的一侧,溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液,而大分子溶质被膜截留,达到物质分离及浓缩的目的。膜分离过程为动态过滤过程,大分子溶质被膜壁阻隔,随浓缩液流出,膜不易被堵塞,可连续长期使用。
  1 试验方法
  1.1 试验装置
  试验采用图 1所示SBR系统。两级SBR是采用有机玻璃制成,两个SBR分别单独进水,N-SBR出水中NO2--N作为电子受体投加到A2-SBR缺氧段进行反硝化吸磷。亚硝化反应器N-SBR有效容积3 L,通过微氧曝气实现短程硝化,每天运行2个周期,每个周期3 h;反硝化除磷反应器A2-SBR有效容积35 L。以沈阳北部污水处理(chǔ lǐ)厂沉降池污泥作为接种污泥,MLSS为3 000~4 000 mg/L,进水采用瞬时加入,通过搅拌器使泥水混合均匀,系统的进水、搅拌、曝气、加药、排水等工序均由时控器和电子阀控制。首先采用厌氧/缺氧运行模式将传统聚磷菌污泥驯化为反硝化除磷污泥,之后转入正常运行,每天运行2个周期,每个周期5.5 h,日处理污水量60 L,SRT为20 d,每个周期运行步骤:瞬时进水、厌氧2.0
  H、缺氧2.5
  H、沉淀0.5
  H、排水0.5 h。

 
图 1 SBR系统(system)
1―A2SBR进水箱;2―NSBR反应器;3―电动搅拌机;4―曝气泵;5―气体流量计;6―曝气头;7―时间继电器;8―电磁阀;9―液体流量计;10―A2SBR进水管;11―A2SBR排水管;12―排泥口;13―A2SBR反应器;14―NSBR进水箱;15―NSBR出水管。膜生物反应器膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池,在生物反应器中保持高活性污泥浓度,提高生物处理有机负荷,从而减少污水处理设施占地面积,并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥(MLSS)浓度可提升至8000~10,000mg/L,甚至更高;污泥龄(SRT)可延长至30天以上。
  1.2 试验水质
  试验用水取自东北大学校园家属楼下水管道实际生活污水,污水COD 140.5~248.5 mg/L,NH4+-N 25.3~33.2 mg/L,TN 26.2~34.7 mg/L,TP 2.8~5.6 mg/L,pH 7.2~7.8。
  1.3 分析方法
  COD采用Sepectro Flex 6600型COD快速测定仪测定;亚硝态氮采用N--乙二胺分光光度法测定;T
  P、poly-P采用钼锑抗分光光度法测定;混合液挥发性悬浮固体采用重量法测定;pH采用pH计测定,聚-β-羟基(hydroxyl)链烷酯酸采用气相色谱法测定〔6〕。
  2 结果与讨论
  2.1 无排泥情况除磷效果
  SRT的大小直接影响着污水的处理效果,SRT较短将对生物除磷量产生影响,导致系统中生化反应发生变化,因而需要控制污泥龄恰当,既要保证污水除磷效果又要维持较高污泥浓度。为了大致确定系统的SRT,考察了SBR连续36 d无排泥情况(Condition)下系统的脱氮除磷效果,进而确定更佳的SRT,试验过程中保持进水磷质量浓度2.78~5.73 mg/L,COD 145.06~227.66 mg/L,电子受体NO2--N质量浓度12~14 mg/L,pH 7.3~7.6,温度25 ℃左右,系统每天运行2个周期。
  由图 2可以看出,连续36 d不排泥,系统(system)仍有处理效果,没有发生出水磷浓度大于进水的情况,但除磷效果不是很稳定,除磷率在48.00%~86.75%波动。系统运行第24天之前,出水磷质量浓度均小于1 mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准,平均去除率为80.67%,系统运行到第26天后,除磷效果逐渐变差,除磷率开始下降,到第36天时,出水磷质量浓度为2.68 mg/L,磷去除率为48.00%,由此可推断,在系统不排泥的情况下,仍有除磷效果,但连续运行超过24 d后,除磷效果开始下降。这与传统除磷理论认为泥龄越短除磷效果越好的说法不一致,因为厌氧/缺氧条件下生长的反硝化聚磷菌DPAOs比传统聚磷菌PAO生长速率慢,所以其SRT比PAOs的长,这与石玉明等结论相同〔7, 8〕。

图 2 无排泥系统除磷效果

图 3为系统无排泥连续运行36 d情况下的脱氮及COD去除效果。

 图 3 无排泥系统(system)CO
  D、NO2--N去除效果

  从图 3可以看出,COD的去除率在84.02%~92.71%变动,出水平均COD为22.91 mg/L,不排泥连续运行对COD去除并没有太大影响。碳源是微生物(Micro-Organism)生长需要量更大的营养元素,在反硝化除磷系统(system)中,乙酸作为能源吸收到胞内以PHB形式进行储存以便用于缺氧吸磷,即使在DPAOs生长受到抑制的情况下,其他异养菌同样能吸收碳源作为能源维持自身的新陈代谢,对污水中的COD仍有去除〔9, 10〕。在36 d的反应过程中,NO2--N去除率为75.83%~88.75%,NO2--N平均出水质量浓度为2.01 mg/L,在反硝化除磷反应过程中,亚硝酸盐作为反硝化除磷反应的电子受体被去除,此外,系统中存在着传统反硝化菌同样能够发生反硝化反应,进而NO2--N得到去除。
  2.2 泥龄对系统运行效果影响
  2.2.1 泥龄对除磷(P)的影响
  在系统运行稳定的情况下,考察SRT分别为10、16、24、32 d时对污水的处理(chǔ lǐ)效果,每种条件下运行1个SRT周期,每天运行2个周期,反应过程中进水COD为180~240 mg/L,TP为2.8~5.2 mg/L,缺氧段滴加NO2--N质量浓度为13~15 mg/L,试验过程中保持温度为25~27 ℃,pH为7.5~7.7,4个SRT周期的排泥量分别为1.0、0.5、0.5、0.5 L,在此期间测定脱氮除磷及COD去除效果,并且测定污泥性能指标,结果见图 4。膜生物反应器膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池,在生物反应器中保持高活性污泥浓度,提高生物处理有机负荷,从而减少污水处理设施占地面积,并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥(MLSS)浓度可提升至8000~10,000mg/L,甚至更高;污泥龄(SRT)可延长至30天以上。

图 4 不同SRT对除磷效果影响
  由图 4可以看出,系统在不同SRT条件下运行均有除磷效果,并没有出水磷浓度大于进水的情况(Condition)发生,SRT=10 d时,除磷率较低,TP平均去除率为60.69%,出水平均TP质量浓度为1.58 mg/L,分析认为反硝化聚磷菌(fungus)DPB生长速率较慢,世代周期比较长,当SRT小于其世代周期时,过早地排放剩余污泥,会使污泥中的DPB流失,DPB在微生物种群中所占的比例减小,逐渐成为非优势菌种影响除磷效果;此外,进水有机物浓度固定,SRT较小的情况下,污泥有机负荷变大,厌氧结束后会有大量未被利用的外碳源COD进入缺氧段,传统反硝化菌及其他异养微生物吸收外碳源大量生长繁殖,从而抑制了DPB利用内碳源PHB进行反硝化吸磷〔11, 12〕。SRT提高到16 d时,系统除磷效果有所提高,去除率较SRT=10 d时提高了12.4%,出水平均TP质量浓度为1.18 mg/L。当SRT=24 d时,系统除磷效果更佳,TP平均去除率为89.66%,出水平均TP质量浓度为0.23~0.98 mg/L,随着SRT的延长,在厌氧段DPB充分吸收外碳源并以PHB的形式储存于体内,使得在缺氧段没有外碳源存在时,DPB仍可利用PHB进行缺氧吸磷反应。可见,随着系统SRT变大,除磷率提高,这与传统观点认为SRT越小,除磷效果越好的观点并不一致。SRT继续提高到32 d的时候,系统出水除磷效果恶化,除磷率下降到59.25%,出水平均TP质量浓度下降到0.58 mg/L,其原因是随着SRT的增大,污泥浓度变大,污泥有机负荷降低,在厌氧释磷过程中并没有足够的外碳源可供吸收,造成了“无效释磷”的发生,在缺氧段没有充足的内碳源PHB可供利用,缺氧吸磷受阻〔12〕。
  由此可见,选择合适的SRT对除磷至关重要,SRT既不能过大导致系统内有机负荷变低,又不能过小致使有机负荷过高,根据除磷效果认定,本系统更佳SRT取24 d。
  2.2.2 泥龄对碳源利用的影响
  图 5是系统厌氧释磷缺氧吸磷过程中碳源的利用情况。
 图 5 不同SRT对碳源的利用
  由图 5可知,SRT=10 d时,厌氧段系统对外碳源利用率较低,厌氧末端系统出水COD偏高,平均为73.7 mg/L,随着SRT的延长,微生物吸收外碳源量增加,出水平均COD降低,SRT为16、24、32 d时,系统厌氧出水平均COD分别为41.6、37.4、、33.7 mg/L。分析认为SRT过小时,会出现DPB随着剩余污泥排出的情况,系统内聚磷(P)菌含量变少,不足以提供足够的能源吸收乙酸于胞内,出水COD偏高,此外,当SRT很小时MLSS小,反应器中微生物处于营养过剩的环境中活性低;而适当延长SRT,微生物处于营养缺乏的增殖后期,其活性较强,为了维持自身的生命活力、新陈代谢,需要吸收利用大量有机物〔13, 14〕,因此SRT为16、24 d时,系统COD去除效果提高。SRT为10~24 d时,虽然不同SRT对厌氧出水COD有影响,但缺氧出水COD并无影响,出水平均COD均低于20 mg/L。SRT为10、16、24 d时,厌氧末端胞内PHB含量比较相近,出水平均COD分别为90.05、84.93、86.06 mg/L,SRT=32 d时,厌氧末端PHB质量浓度较低,为56.45 mg/L,原因是SRT较长时,污泥有机负荷偏低,胞内转化为PHB量少。随着SRT的延长,缺氧末端PHB含量呈先升高后降低的趋势,SRT较小时,污泥有机负荷高,厌氧结束后残余的碳源进入缺氧段,异养菌优先吸收外碳源进行生化反应,反硝化聚磷菌吸收内碳源PHB进行缺氧吸磷受到抑制,因而缺氧末端PHB含量高。随着SRT的逐渐增大,污泥有机负荷变小,厌氧段外碳源被彻底吸收转化为PHB,缺氧段几乎没有残余的外碳源存在,PHB作为内碳源被聚磷菌充分吸收利用,出水PHB含量降低。当SRT延长到32 d时,系统中老化死亡的微生物残骸含量过高,聚磷菌活性降低,出水COD偏高,PHB不能被充分利用而剩余。
  2.2.3 泥龄对污泥浓度及除磷机制影响
  表 1是SRT为10、16、24、32 d的生物除磷反应器在不同泥龄条件下运行过程中,污泥浓度和胞内聚合物的含量变化情况。

  从表 1可以看出,污泥龄SRT与污泥浓度MLSS和MLVSS成正相关性,随着SRT的延长,MLSS和MLVSS逐渐上升,厌氧段MLSS由SRT为10 d时的1 560 mg/L增加到32 d时的3 648 mg/L。缺氧段MLVSS由SRT为10 d时的1 342 mg/L增加到32 d时的2 214 mg/L。厌氧段SRT的变化对PHB的合成量并无太大影响,理论上随着SRT的增大,PHB含量应该提高,但是在SRT延长的同时污泥浓度MLVSS也增大,所以单位质量污泥的PHB合成量并无明显差别,SRT为10、16、24 d时,PHB含量分别为45.7、51.6、53.8 mg/g;随着SRT的增大,厌氧末端系统内poly-P含量呈下降趋势(trend),SRT越长,MLVSS越大,聚磷菌释磷越充分,厌氧末端污泥中poly-P含量越少,SRT为10、16、24、32 d时,poly-P含量分别为34.7、28.9、23.1、13.1 mg/g。缺氧吸磷过程中,PHB作为碳源和能源被消耗进行吸磷反应,SRT=10 d时,缺氧末端系统中PHB含量较高为25.9 mg/g,poly-P含量较低为48.3 mg/g,分析认为厌氧段残余的外碳源进入缺氧段,微生物优先吸收外碳源,因而聚磷菌利用内碳源反硝化吸磷被抑制。SRT=24 d时,观察到污泥沉降性能、镜检菌胶团状态稳定,泥水界面清晰,缺氧末端PHB含量和poly-P合成量分别为6.3、79.4 mg/g,PHB消耗量越多,说明反硝化吸磷反应进行更加完全,吸磷彻底。SRT=32 d时,缺氧末端聚磷菌胞内缺氧吸磷PHB消耗量小,聚磷含量降低为31.8 mg/g。具体参见
  3 结论
  反硝化除磷系统连续36 d不排泥,系统仍有处理效果,反硝化和COD去除并没有受到影响(influence),但到第26天后除磷效果逐渐变差,除磷率开始下降。
  SRT既不能过大导致系统内有机负荷变低,又不能过小致使有机负荷过高,SRT=24 d时,除磷效果更佳,TP平均去除率为89.66%,TP出水质量浓度为0.23~0.98 mg/L。
  SRT为10~24 d时,SRT与厌氧末端出水COD呈反比,而对厌氧末端PHB浓度影响不大,随着SRT的延长,缺氧末端PHB浓度呈降低(reduce)的趋势,SRT=32 d时,出水COD变高。
  SRT与污泥浓度呈正比,随着SRT的升高,厌氧末端污泥PHB含量呈升高趋势、poly-P含量呈下降趋势,缺氧末端污泥PHB含量呈下降趋势、poly-P含量呈上升趋势,SRT=24 d,厌氧末端污泥PHB和poly-P含量分别为53.8、23.1 mg/g;缺氧末端污泥PHB和poly-P含量分别为6.3、79.4 mg/g。 

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