2. 甘肃省污水处理行业技术中心, 兰州 730070
2. Technical Center of Sewage Treatment Industry in Gansu, Lanzhou 730070, China
影响污水处理工艺的主要因素有:水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)、溶解氧(DO)、C/N、硝化液回流比和曝气量等.目前对于A2/O反应器在HRT方面的研究较多, 吴昌永等[1]的研究发现HRT为8 h时, 碳源对该系统脱氮除磷的影响较大, Wang等[2]控制HRT为8.5 h时, 缺氧区发生明显的反硝化除磷现象, 脱氮除磷效果良好, 潘欣语等[3]的研究也发现HRT过大会造成除磷效果不佳, 在HRT为8 h时系统整体水处理效果最佳.
A2/O-BAF系统是由A2/O和曝气生物滤池(BAF)组成, 该系统可以分离短泥龄的异养反硝化菌和聚磷菌以及长泥龄的自养硝化菌, 在A2/O中进行反硝化脱氮除磷及COD的去除, 而在BAF中进行NH4+-N的氧化反应, 从而达到更好地同步脱氮除磷效果.陈永志等[4]改变硝化液回流比来提高反硝化除磷效果;彭永臻等[5]用A2/O-BAF工艺处理低C/N生活污水, 研究得出污水中碳源被充分利用, 出水效果稳定良好;黄剑明等[6]的研究发现在低温条件下HRT为9 h时, A2/O-BAF的脱氮除磷效果较佳[7].本研究对A2/O-BAF进行了改良, 在A2/O前端增加了预缺氧段, 旨在提高厌氧释磷效率.HRT对改良式A2/O-BAF双污泥系统中反硝化除磷脱氮影响较大, 但该方面的研究还鲜见报道.
本文以实际低C/N生活污水为研究对象, 探究改良式A2/O-BAF双污泥系统下不同HRT时污染物去除性能、反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例、缺氧段反硝化除磷脱氮(ΔPO43-/ΔNO3--N)正态分布概率密度及累计频率, 以期为该工艺的实际应用提供参考依据.
1 材料与方法 1.1 试验装置及运行程序改良式A2/O-BAF双污泥系统是由进水水箱、A2/O反应器、二沉池、中间水箱和BAF组成, 进水水箱总有效容积为400 L. A2/O反应器总容积60 L, 由有机玻璃制成, 均分10个格室, 各格室依次为预缺氧、厌氧段、缺氧段和好氧段, 其比例为1:2:5:2;每格室之间水流孔存在水位差, 以蠕动泵推流式进水.A2/O反应器设搅拌装置, 好氧段安装有微孔曝气头, 由鼓风机进行曝气, 转子流量计调节曝气量.二沉池为竖流式, 有效容积为28 L. BAF由圆柱形有机玻璃柱制成, 高度3 000 mm, 内径为100 mm, 有效容积23.5 L, 内置鲍尔环填料, 其高度占总高的3/4, 进水方式为上流式, 采用鼓风曝气, 转子流量计控制曝气量, 具体装置见图 1.
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图 1 改良式A2/O-BAF双污泥系统示意 Fig. 1 Modification of the two sludge A2/O-BAF system |
改良式A2/O-BAF双污泥系统在室温(18~20℃)的条件下运行, HRT为9、8、7和6 h时, 预缺氧、厌氧、缺氧和好氧DO分别为0.11、0.08、0.12和2.0mg·L-1左右, BAF(曝气生物滤池)中DO为6~8 mg·L-1, 污泥回流比和硝化液回流比分别为100%和200%, SRT为15 d, 其他具体运行参数见表 1.
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表 1 试验运行方案 Table 1 Operational schemes for experiment |
1.2 试验用水及检测方法
以兰州交通大学住宅区及学生公寓产生的生活污水为研究用水, 具体水质见表 2.
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表 2 试验原水水质 Table 2 Experimental characteristics of influent wastewater |
水样经0.45 μm滤纸过滤后根据APHA标准方法[8]测定COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43-. MLSS和MLVSS采用滤纸重量法测定, SVI通过30 min沉降法测定.
1.3 COD物料衡算分析生化系统中碳平衡指标通常用COD间接表示, 其质量变化情况可以研究碳的物料平衡及利用率, 根据碳平衡计算方法[9]可得反应过程中COD的变化情况.
1.4 反硝化聚磷菌占比根据文献[10, 11]计算得出不同HRT下厌氧释磷速率Ran、缺氧吸磷速率PURan和好氧吸磷速率PURo及反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例(DPAOs/PAOs).
1.5 缺氧段物料衡算根据缺氧段PO43-和NO3--N去除量[6]可得缺氧段反硝化除磷脱氮比例(ΔPO43-/ΔNO3--N).
1.6 污泥产率将改良式A2/O-BAF反应装置运行参数和测量数据代入式(1), 计算可得实际污泥产量ΔX, 代入式(2)计算出实际污泥产率系数Y.
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(1) |
式中, ΔX为实际污泥产量(mg·d-1);Qout为实际剩余污泥排放量(m3·d-1);Qin为实际进水量(m3·d-1);ΔXe为二沉池出水悬浮固体浓度(mg·L-1);X为剩余污泥浓度(mg·L-1).
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(2) |
式中, Y为污泥产率系数(SS/BOD);BODi为进水BOD5浓度(mg·L-1);BODe为二沉池出水BOD5浓度(mg·L-1).
2 结果与讨论 2.1 HRT对系统COD去除性能的影响当总HRT为9、8、7和6 h时, 系统对有机物的去除情况见图 2.当COD平均进水浓度为189.6 mg·L-1时, 出水COD的平均浓度分别为38.6、40.2、41.5和40.7 mg·L-1, 去除率基本维持在77%左右, 出水COD均已达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准, 说明HRT对COD的去除影响较小.当HRT缩短时, 虽然A2/O中污泥浓度降低, 但是BAF中的填料上的生物膜能对COD进一步降解, 从而保证了系统去除有机物的稳定性[12, 13].
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图 2 不同HRT条件下A2/O-BAF系统去除COD特性 Fig. 2 COD removal performance of A2/O-BAFsystemunder different HRT |
HRT的变化对系统NH4+-N的去除效果的影响见图 3.进水平均NH4+-N浓度为60.4mg·L-1时, 不同HRT下NH4+-N的平均出水浓度均低于5mg·L-1, 去除率从96.2%下降到92.3%, NH4+-N整体出水效果保持较好, 计算得出组合工艺中A2/O反应器和BAF对NH4+-N的去除贡献率分别为15%和80%左右, 表明BAF中以硝化细菌为主的生物膜对NH4+-N有较强的抗冲击能力[14].
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图 3 不同HRT对氮去除的影响 Fig. 3 Nitrogen removal efficiency at different HRT |
进水TN浓度在70.0mg·L-1左右, 各HRT下出水TN平均浓度分别为10.5、13.4、15.9和16.5mg·L-1, 平均去除率分别为85.0%、80.2%、75.1%和74.4%.通过COD物料衡算发现, 随着HRT的缩短, 进入缺氧段的碳源的有效利用率根据表 3计算分别是49.6%、46.5%、42.3%和39.7%, 因此TN去除率降低.出水NO3--N的平均浓度从8.1mg·L-1增加到12.3mg·L-1, 出水NO3--N占TN的比值基本维持在70%以上, 这是因为HRT减少导致反硝化不彻底, 出水TN恶化, 这与李茂侨等[15]的研究结果一致.
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表 3 COD的物料衡算1)/mg·d-1 Table 3 Formula of material balance for COD/mg·d-1 |
2.3 HRT对系统磷去除性能的影响
图 4为不同HRT条件下系统TP的去除特性.进水TP的浓度波动范围为2.9~6.8 mg·L-1, 当HRT从9 h缩短到6 h时, 出水TP平均浓度由0.33升高到0.80 mg·L-1、去除率由92.0%下降到84.4%, HRT为7 h和6 h时出水TP出现不达标的情况.
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图 4 不同HRT对TP去除的影响 Fig. 4 TP removal efficiency at different HRT |
分析得出:HRT为9 h和8 h时, 回流污泥中NO3--N浓度较低, 预缺氧段反硝化消耗掉的有机物较少, 在厌氧段聚磷菌可以充分吸收有机物并合成内碳源PHB, 厌氧释磷充分, 为聚磷菌超量吸磷提供驱动力.黄紫龙等[16]的研究发现, 随着HRT的缩短, 厌氧段聚磷菌PHB合成量逐渐减少, 而且回流污泥中较高的硝酸盐含量也会抑制其厌氧释磷[17].
2.4 HRT对聚磷菌特性的影响为了证实不同HRT时反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例, 在不同试验阶段进行小试试验[10, 11].从图 5可以看出, 不同HRT下的最大释磷速率分别为175.6、160.4、110.2和51.9 mg·(g·h)-1, 最大缺氧吸磷速率分别为458.6、343.3、213.6和67.8mg·(g·h)-1, 反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例分别为76.8%、71.7%、56.0%和48.8%.可见本系统中HRT的减少对反硝化除磷不利.彭永臻等[5]的研究也发现HRT越大, 除磷效果越好.有研究显示[18~20], 反硝化除磷速率和PAOs储存内碳源PHB之间存在线性相关性, 又因为HRT与内碳源PHB密切相关[21], 以PHB作为胞内碳源可以促进缺氧段吸磷.HRT较长促进了DPAOs的新陈代谢, 使DPAOs占PAOs的比例提高并占主体地位, 提高了系统的除磷效率.
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图 5 不同工况下厌氧释磷速率、缺氧/好氧吸磷速率及反硝化聚磷菌占聚磷菌的比值 Fig. 5 The Ranmax, PURanmax, PURomax, and DPAOs/PAOs under different operational conditions |
对缺氧段反硝化除磷过程中ΔPO43-和ΔNO3--N变化量进行线性拟合(图 6), 可以看出不同HRT下, ΔPO43-和ΔNO3--N分别波动在1.1~6.8mg·L-1和2.6~7.0mg·L-1之间, 对ΔPO43-与ΔNO3--N的线性关系进行拟合后发现, R2值均低于0.5, 说明采用单一直线难以对ΔPO43-与ΔNO3--N进行线性拟合.因此考虑用概率统计的方法对缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N进行正态分布分析[22], 不同HRT缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N线性拟合后比值分别分布在1.35~1.85、1.14~1.33、1.04~1.13和0.82~0.95之间, 将ΔPO43-与ΔNO3--N进行协方差[23], Cov(ΔPO43-, ΔNO3--N)分别等于0.19、0.08、0.09和0.16, 说明不同HRT下ΔPO43-与ΔNO3--N之间线性关系系数较小, 故将缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N线性拟合结合正态分布, 概率密度函数为:
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图 6 缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N线性拟合关系和正态分布统计 Fig. 6 Linear fitting relationship and normal distribution statistics of ΔPO43-/ΔNO3--N in anoxic section |
得出不同HRT下缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N分别为1.56、1.24、1.09和0.89时占比最高, 累计频率分别为30%、37.5%、33.8%和26%, 由不同HRT下缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N线性拟合后比值分布, 可知缺氧段下ΔNO3--N和ΔPO43-的变化情况对反硝化除磷量影响较大, 根据缺氧段反硝化聚磷原理, 每1 mg·L-1 NO3--N可去除PO43-为1.41 mg·L-1[24], 且当HRT为8 h时, ΔPO43-/ΔNO3--N为1.24时, 反硝化除磷效果较好, 正态分布累计频率更高, 缩小比例范围后更接近理论值.说明实际工艺结合数理方法能更有效地调控工艺参数.
2.5 HRT对系统污泥特性的影响不同HRT下A2/O反应器中污泥特性的变化情况见图 7(a), 当系统HRT从9 h缩短到8 h时, MLSS和MLVSS基本稳定在2 800 mg·L-1和2 000 mg·L-1左右;当继续降低HRT为7 h和6 h时, MLSS分别下降为2 640 mg·L-1和2 492 mg·L-1, MLVSS分别下降为1 875 mg·L-1和1 429 mg·L-1, 在整个试验过程中, f(MLVSS/MLSS)从0.74下降到0.63左右, SVI值从87.1 mL·g-1逐渐下降到61.6 mL·g-1.HRT减小导致进水流量和水力剪切力均增大, 引起污泥絮体破碎, 使得MLVSS/MLSS下降.杨忠林等[25]的研究也认为HRT减小, 进水负荷增大, 微生物的生长受到抑制而衰亡, 导致污泥浓度和活性下降, 潘欣语等[3]的研究也有类似的结果.王娜等[26]的研究发现HRT减小不会影响污泥沉降性能.实际污泥产量持续上升至13 000 mg·d-1, 剩余污泥产率系数Y值则从0.46下降到0.34见图 7(b), 表明合理的HRT下较高的污泥活性能有效降低污泥的产率[27].
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图 7 HRT对污泥特性的影响 Fig. 7 Effect of HRT on sludge characteristics |
(1) HRT的减少导致NH4+-N、TN和TP的去除率下降, 但对COD的去除影响较小, 出水COD均低于42mg·L-1;HRT为9 h和8 h时, NH4+-N、TP、TN的出水均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准.
(2) 当HRT从9 h降低到6 h时, 最大厌氧释磷速率从175.6降低到51.87 mg·(g·h)-1, 最大缺氧吸磷速率从589.62降低到127.76mg·(g·h)-1, 反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例从76.8%降低到48.8%.
(3) 当HRT从9 h降低到6 h时, 缺氧段ΔPO43-/ΔNO3--N的概率密度函数为:
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当HRT为8 h时ΔPO43-/ΔNO3--N为1.24时, 累计频率高达37.5%, 更接近理论值1.41.
(4) A2/O反应器中HRT的减小对活性污泥的性能影响较大, f(MLVSS/MLSS)从0.74逐渐降低到0.63, 剩余污泥产率从0.46下降到0.34, 污泥产量减少.
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