连续流SBR法处理城市污水试验研究

作者:快彩平台网站 | 2020-04-28 00:13

  熊建英 杨海真 顾国维(同济大学环境科学与工程学院) 摘要 采用一种新型污水处理工艺--连续流SBR法,对城市污水生物脱氮除磷进行了试验研究。结果表明:该工艺在总HRT为10 h、容积负荷为 0.55~0.9kgCOD/(m3&·d)、主曝区污泥负荷为0.5~0.7kgCOD/(kgMLSS&·d)时,控制主曝区的DO在0.2~0.5 ...

  摘要采用一种新型污水处理工艺--连续流SBR法,对城市污水生物脱氮除磷进行了试验研究。结果表明:该工艺在总HRT为10 h、容积负荷为 0.55~0.9kgCOD/(m3&·d)、主曝区污泥负荷为0.5~0.7kgCOD/(kgMLSS&·d)时,控制主曝区的DO在0.2~0.5 mg/L,便可获得较好的COD和TP去除效果,出水COD低于50 mg/L,去除率达85%以上,出水TP可降至0.5 mg/L以下,去除率90%,但NH3-N的去除率只有20%左右。上述条件不变,将主曝区的DO提高至1.0~2.0 mg/L后,系统在保持 COD 和 TP高去除率的条件下,NH3-N去除率达90%以上。

  SBR法将有机污染物的生物降解和脱氮除磷等过程集中在一个反应器内完成,处理流程简单、效果好。但由于SBR法是间歇进水和排水,当处理大规模的城市污水时,进出水时间长,反应器体积大,因此很少在大中型城市污水处理厂采用。近年来,留美博士杨企星先生和同济大学顾国维、杨海真等人对SBR工艺进行了改进研究,在国内首先提出了连续流SBR法的新概念(亦称TCBS反应器)。该法一方面充分发挥了SBR反应器高效去除有机污染物并达到脱氮除磷效果的优势,另一方面又克服了间歇进出水问题,达到了连续进水和出水的目的。

  TCBS反应器一个,采用钢板制作,内外抹防腐涂料二层。反应器由多个反应区组成,平面布置参见图1。反应器总有效体积为2.6 m3,各反应区的有效容积如下:

  菌种取自上海曲阳污水处理厂的二沉污泥;原污水取自上海同济新村居民小区的生活污水。

  ?TCBS反应器为连续进水、连续出水,两个序批区交替充当沉淀池周期运行。假定序批区A沉淀出水,则序批区B按缺/厌氧、好氧和静止沉淀等过程进行序批反应。序批区B在进行缺/厌氧和好氧反应的同时,回流混合液到缺氧区(见图1a);静沉阶段,停止混合液回流(见图1b)。回流混合液在缺氧区内进行反硝化脱氮后,自流进入污泥沉淀区,该区的上清液用泵送至主曝区,沉淀下来的浓缩污泥自流进入厌氧区与原污水混合,聚磷菌在此进行磷的释放,吸收低分子脂肪酸并以聚β羟基丁酸(PHB)等形式在体内贮存起来。接着,废水混合液进入主曝区,聚磷菌分解体内的PHB获得能量,过量地吸收周围环境中的正磷酸盐,并以聚磷酸盐的形式在细胞内累积。

  半个周期结束后,序批区A和序批区B的功能交换,剩余污泥在序批区沉淀出水的后期排放。

  由图2可知,三种工况条件下,进水COD的变化范围均较大,而出水COD一直稳定在50 mg/L以下,去除率相当高,达80%以上。稳定运行阶段,工况A、B、C出水COD平均值分别为41.8、37.5、38.4 mg/L,出水BOD5平均值分别为7.2、5.6、5.5 mg/L。对于一般的城市污水来说,不可生物降解的COD约为30~40 mg/L,因此,TCBS反应器对城市污水中有机污染物的去除效果十分理想,能生物降解的COD几乎全部被去除。

  TCBS反应器对城市污水中有机污染物的去除能取得如此好的效果可从以下几个方面解释:?

  由表3可以看到:各反应区中的MLVSS和MLSS之比均为0.75左右,说明污泥活性较好。厌氧区MLSS和主曝区MLSS之比平均为0.65,这与其他生物脱氮除磷工艺如A2/O、UCT等相比提高了15个百分点。厌氧区MLSS浓度高意味着该区MLVSS浓度高,即异养微生物的种类和数量多,那么原污水中较难降解的COD可在某些异养微生物的作用下降解为易降解的COD,然后产酸菌再将其进一步水解为低分子有机酸,聚磷菌在厌氧释磷的同时吸收周围环境中的低分子酸,以PHB或PHA等细胞内贮物的形式在体内储存起来。 ?

  TCBS工艺不设单独的二沉池,系统内的污泥不断地在主曝区、序批区、缺氧区和厌氧区内循环,沉淀区污泥床的过滤阻截作用可使主曝区MLSS维持较高的浓度(>5 000 mg/L)。另外,主曝区采用完全混合方式曝气,池内各点DO相同。高MLSS浓度和完全混合的条件使得主曝区具有较高的降解速率,与A2/O、UCT等处理工艺相比,当污泥负荷相同时,可大大提高曝气池的容积负荷。

  序批区在进行缺氧搅拌和好氧反应时进行内循环。在缺氧搅拌初期,MLSS最高,约是主曝区的1.2倍;在好氧反应末期,由于内循环泵将序批区上一沉淀出水阶段累积的污泥送至缺氧区、厌氧区和主曝区,序批区MLSS有所下降,但仍略高于主曝区,约是主曝区的1.02~1.05倍。

  内循环启动阶段,从主曝区进入序批区的混合液中,有机物浓度已相当低,微生物能利用的外碳源十分有限,因此微生物主要靠内呼吸提供的碳源维持生命活动。在序批反应的后期--静沉阶段,内循环停止,微生物继续利用序批区中的残余氧及NOx进行细胞内呼吸,因而污泥活性下降,稳定性增强,沉降效果好,测得的SVI值只有70~90mL/g,出水中几乎检测不到SS ,从而降低了SS对出水COD的影响。

  序批区在充当沉淀池使用时,相当一个平流式沉淀池,底部污泥层起到生物接触过滤作用。主曝区的混合液从序批区一端的底部进入污泥床,将上一序批反应的上清液从另一端的上部推出反应器,这相当于一个置换过程。由于污泥床的MLSS浓度很高(可达10 g/L),主曝区混合液在流经污泥床时,绝大部分固体颗粒被截留在入口处,污泥床起到了很好的过滤效果,从而保证了出水COD水质。

  由图3可知:工况B的硝化效果很不理想,NH3-N的去除率极低,只有22%左右。这是因为:①主曝区的DO偏低。硝化反应需消耗大量的氧,由于受试验条件的限制,此工况下主曝区和序批区的供氧合用一台空气压缩机,在半个周期的运行中,当序批区处在缺氧反应和静止沉淀时,空压机单独向主曝区供气,此时主曝区的DO最大也只能达到0.8 mg/L;当序批区进行好氧反应时,空压机分流供气,此时主曝区的供氧量降低(DO最低降为0.3mg/L),DO始终低于1.0 mg/L,远小于常规处理系统中曝气池的最适DO值。②曝气时间不够。本试验的硝化反应主要在主曝区内完成,该工况下主曝区的设计HRT为3.44 h(实际HRT只有1.4 h),而一般的硝化反应池设计HRT为6~10 h。③水温偏低。低温条件不利于硝化菌的生长,工况B试验平均水温只有11 ℃,因而硝化菌增殖速率缓慢。

  根据工况B的试验结果与分析,对主曝区DO进行了调整,这即是工况C条件下的试验。由图3可看出:当主曝区的DO提高到1.5~2.0mg/L后,经过一周时间,出水NH3-N就降到10mg/L以下,由此可见主曝区的DO对硝化起着关键作用,这与工况B的分析结果一致。在试验水温从12℃逐渐升至22℃的过程中,出水NH3-N进一步降低,水温为20℃时,出水NH3-N1.0mg/L,因此温度也是影响硝化效果的一个重要因素。

  TCBS反应器在主曝区HRT较短的情况下能取得如此好的硝化效果与主曝区存在生物累积这一特性有关,试验中测得:当序批区用作沉淀出水时,从主曝区流进沉淀池的固体总量约为700g,折算成混合液浓度为1400mg/L,而主曝区实际混合液浓度为5000 mg/L左右,可见在主曝区内存在一个生物累积过程,从主曝区流入沉淀池的混合液所携带的SS量相当少。

  主曝区生物累积性的产生与序批区的污泥床有关,当序批区用作沉淀时,底部的污泥床浓度高,SVI低(约70mL/g),而主曝区的混合液进到该区,流速只有0.21m/min,因此,序批区沉淀出水阶段与其说是一个平流沉淀过程,还不如说是一个生物接触过滤过程,主曝区混合液的SS绝大部分在出口端即被截流下来,继续停留在主曝区内或参与系统的内循环,这既使主曝区的微生物不断积累,也避免了序批区因污泥床过厚而导致污泥随出水流失。

  TCBS反应器排出的剩余污泥是序批区的沉淀污泥,而不是主曝区的混合液,因而主曝区的硝化菌不会随剩余污泥排出系统,且会随着微生物的积累而逐渐占优,因此主曝区的硝化能力特别强。

  工况A试验期间正值中国旧历传统节日—春节,由于居民大量使用洗涤剂,造成试验用原污水的TP偏高,平均达10.8mg/L,COD/TP只有33.8,远小于一般生物除磷所需的C/P比。经TCBS反应器处理后,出水TP平均降到2.5mg/L,去除率为77%,这说明TCBS系统对C/P比较低的水质也能取得较好的生物除磷效果。

  工况B与工况A相比,加大了水力负荷,处理流量由170L/h增为250L/h,主曝区MLSS由2800mg/L增至4500mg/L左右。工况B的硝化效果虽不理想,但从图4可看出:工况B运行稳定时,除磷效果相当好,出水TP?最大为0.33mg/L,最小为0.16mg/L,平均为0.20mg/L,去除率达95%以上。表4为工况B稳定运行条件下TCBS各反应区的水质指标。从表中数据可知,尽管NOx在各反应区的浓度是沿厌氧区、主曝区、序批区逐渐升高,但最高也只有1.6mg/L,回流到厌氧区的浓污泥中几乎不含NOx,因此在厌氧区中不存在反硝化菌与聚磷菌竞争碳源问题,聚磷菌可充分利用低分子有机物进行有效释磷,然后在主曝区过量摄磷,因而除磷效果比较好。

  工况C与工况B相比,提高了TCBS反应器的硝化效果。从图4可看出,工况C同样取得了较好的除磷效果,出水TP普遍低于1.0 mg/L,去除率达90%以上。表5为工况C稳定运行条件下各区域的水质指标。可以看出,工况C条件下,由于硝化效果的好转使得主曝区和序批区的NOx浓度都比较高,序批区最高达11.0 mg/L,但回流混合液经缺氧区和污泥沉淀区后NOx降为0.21 mg/L,因而进厌氧区的NOx仍相当少,几乎为零。可见缺氧区和污泥沉淀区对反硝化脱氮起了重要的作用,它们的存在有效控制了进厌氧区的NOx量。

  工况C厌氧区的释磷速率和主曝区的吸磷速率均高于工况B,这是由于工况C 的试验水温较工况B为高的缘故。与 Stevens等人[1]研究得出的缺氧池和好氧池的吸磷速率相比,工况B条件下主曝区的吸磷速率比缺氧池高10%左右,比好氧池低10%左右;工况C条件下主曝区的吸磷速率比好氧池高25%,这主要是因为工况B运行时,主曝区有四分之一时段的DO接近零(空压机分流供气之故),从而造成吸磷速率偏低。

  在工况C试验期间发现:当系统内出现循环故障(即回流到厌氧区的污泥量过多或过少)时,出水TP浓度会立刻上升,大于1.0 mg/L,有时甚至会超过进水TP浓度,内循环正常后,除磷效果立即好转。这种现象可解释为:由于工况C的硝化效果好,当厌氧区内回流污泥量过多时,随污泥携入的NOx量也相应多,在厌氧区内,首先是反硝化菌获得碳源将NOx还原成气态氮,当NOx耗尽后,聚磷菌才能利用剩余碳源进行有效释磷,因此NOx的存在会抑制磷的有效释放;当回流到厌氧区的污泥量过少时,参与释磷过程的聚磷菌相应少,则在随后的好氧区聚磷菌过量吸磷的能力也就弱。因此,从序批区回流到缺氧区的混合液以及从污泥沉淀区回流到主曝区的上清液必须稳定在设定的流量范围内,以保证适量的(约0.3 Q~0.5 Q)浓缩污泥进厌氧区。

  大量研究认为:生物除磷的关键是在厌氧池内要有足够浓度的低级脂肪酸(VFA),聚磷菌在厌氧释磷的同时吸收VFA,并以PHB的形式在体内贮存起来,为其在好氧环境中的生存提供碳源。聚磷菌在厌氧条件下释放的磷与所吸收的VFA摩尔比为0.3~1.5[2],若厌氧池的VFA过低,则聚磷菌无法在系统中增殖,从而除磷能力下降。为了提高厌氧区的VFA浓度,许多生物除磷工艺都增加了将初沉污泥进行发酵后再送到厌氧池这一系统或直接加外碳源到厌氧池。Marais研究小组及Barnand等人在研究中又发现:NOx也是影响生物除磷效果的一个重要因素,在厌氧池内要保持严格的厌氧条件,不允许存在NOx等化合态的氧,因为某些聚磷菌会利用这种化合态的氧进行吸磷。传统的生物脱氮除磷工艺如A2/O法、UCT法等,厌氧池体积都设计得非常大,其目的就是为了提供良好的厌氧环境。而TCBS反应器在总HRT与传统活性污泥法相近的情况下却可获得相当好的除磷效果,这是因为TCBS反应器独特的设计和流程控制使得厌氧区的NOx几乎为零,VFA浓度可达最大,从而为生物除磷创造了一系列有利条件。

  首先,序批区在进行缺/厌氧、好氧交替的序批反应时,可将部分NOx还原。既然序批区在沉淀出水时相当于一个置换过程,那么在出水末期,也就是在序批反应初期,该区的NOx和MLSS达到最大MLSS大,意味着微生物细胞内呼吸所需的氧多,因此在微生物群体效应的作用下,序批区NOx的浓度有所下降。

  第二,缺氧区的存在使回流混合液中的NOx浓度进一步降低。序批区在反应时,混合液先回流到缺氧区,由于回流混合液中的有机物浓度已很低,在缺氧区内进行的反硝化主要是靠细胞内呼吸。当回流混合液中的NOx浓度较高时,可考虑从厌氧区引(0.1~0.2)Q的混合液进缺氧区,这样做一方面为生物脱氮提供了外碳源,提高了缺氧区的脱氮效率;另一方面聚磷菌可在较短时间的厌氧—好氧(缺氧)循环中进行吸磷、释磷活动。

  第三,污泥沉淀区的存在使得进厌氧区的污泥浓度高,泥量少,这也是TCBS反应器高效除磷的关键。根据表3的数据,通过计算可得:工况B、C条件下进厌氧区的污泥浓度分别为11 147 mg/L和14507mg/L,是回流混合液污泥浓度的2~2.5倍,这就意味着在回流量一定的情况下,进厌氧区的异养微生物和聚磷菌的数量比无污泥沉淀区时要多2~2.5倍。根据Barker和Dold(1970)提出的有机物降解速率与异养微生物浓度呈一级动力学反应的定律,厌氧区的有机物降解速率可提高2~2.5倍,因而可获得较多的VFA,大量的聚磷菌可充分利用VFA进行有效释磷。回流到厌氧区的污泥浓度高,则回流量可相应少,这样随回流污泥带入到厌氧区的NOx也就少,可有效控制厌氧区的NOx,创造绝对的厌氧条件供聚磷菌有效释磷。另外,厌氧区的实际HRT有所提高,保证了原污水中更多的高分子易降解有机物降解为低分子有机物,为聚磷菌提供充足的碳源。再者,进水不会被回流污泥稀释,可维持较高的VFA浓度,促进聚磷菌对VFA的吸收与利用。

  传统的污水处理工艺若以去除有机污染物为主,HRT为4~8h,反应池容积负荷为0.4~0.8gBOD5/(m3&·d);若以脱氮除磷为处理目标,HRT则长达8.5~24h。本试验中,TCBS反应器主曝区的容积负荷可达1.0 kgBOD5/(m3&·d),在总HRT为10 h左右能有效去除有机污染物,并同时达到脱氮除磷效果。Ekama和Marais得出的反应器体积与原污水COD关系表明:泥龄为10~15d、MLSS为3000~3500mg/L时,降解1 kgCOD所需反应器体积为1.0~1.5m3,而TCBS反应器在2月12日—19日的运行中,反应器体积和COD关系为0.68m3/(kgCOD&·d),远小于Ekama等人的研究结果,这主要是因为各反应区域的MLSS浓度均较高,各类生化反应都始终处于高效运行状态,从而提高了整个反应器的容积负荷。

  传统SBR法处理城市污水,HRT一般为15~40 h;ICEAS—SBR法的HRT则为36~50h,BOD5负荷为0.08~0.24kgBOD5/(m3&·d);氧化沟法处理城市污水,好氧HRT一般为16~24h,容积负荷为0.2~0.4 kgBOD5/(m3&·d)。TCBS与上述工艺相比,反应器体积只是它们的20%~50%,这其中的一个主要原因是TCBS省掉了静止排水这一过程,而传统的SBR在排水阶段能利用的反应器体积只有65%,其余的就白白浪费掉了。TCBS连续进水、连续出水的特点使得反应器体积得到了充分利用。

  从以上讨论可知:与传统生物脱氮除磷工艺相比,TCBS反应器可大大节约反应器体积,减少占地面积,投资省,处理效率高,因而在水污染控制领域具有较广阔的应用前景。

  ①TCBS是一种高效率反应器,处理典型城市污水在设计HRT为10h、泥龄为25~30d条件下,可达到同时脱氮除磷的效果,出水COD<50mg/L,TP<1.0mg/L,NH3-N<10mg/L,出水水质均达到我国一级排放标准。?

  ②以除磷为处理目标时,控制主曝区和序批区的DO在0.2~0.5mg/L,便可获得较好的COD和TP去除效果。?

  ③以同时脱氮除磷为处理目标时,主曝区的DO宜为1.5~2.0mg/L,回流到厌氧区的浓缩污泥不得超过0.5Q。

  通讯处: 200002上海市圆明园路133号 上海市政工程设计研究院给排水三所?

  很多时候您的文章总是无缘变成铅字。研究做到关键时,试验有了起色时,是不是想和同行探讨一下,工作中有了心得,您是不是很想与人分享,那么不要只是默默工作了,写下来吧!投稿时,请以附件形式发至请注明论文投稿。一旦采用,我们会为您增加100枚金币。


快彩平台网站