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        水力停留時間對污水中污染物去除研究

        發布時間:2020-4-1 11:16:47  中國污水處理工程網

          隨著新疆農村人口數量增加及農牧行業的發展,該地區生活用水的需求越來越大,生活污水排放量也急劇增加。生活污水產生高含量的氮、磷等營養元素,直接排放將導致農村環境水體的惡化。直接排放的污水已經成為新疆地區水環境污染的重要來源。農村污水水質具有成分簡單、可生化性好的特點,因此開發適用于農村生活污水水質的處理技術,成為當前需要重點解決的問題。

          目前生活污水處理的工藝包括序批式活性污泥法(SBR)、厭氧 - 缺氧 - 好氧(A/A/O)和生物濾池等,但都由于農村污水的污染源分散、水量變化較大和收集困難等原因,難以在農村地區推廣。氧化溝(OD)工藝因其具有成本低、靈活性強和抗沖擊性能等優勢,在污水處理工藝中應用廣泛。氧化溝工藝主要利用裝置內溶解氧(DO)在水流沿程的衰減程度來實現反應器在空間上厭氧、好氧及缺氧的分布情況,最終完成同步脫氮除磷。國內外對于氧化溝工藝運行的影響因素,如 DO、碳氮比、pH、曝氣、水力停留時間(HRT)等進行了基礎的研究。但是這些研究中針對 HRT 在深度脫氮除磷和工藝控制方面的研究均不夠深入和廣泛。

          HRT 是影響活性污泥系統脫氮除磷性能及微生物種群分布的重要因素,主要是對 COD 的降解和硝酸鹽的釋放以及好氧硝化和磷的去除產生影響。因此,探討 HRT 對氧化溝工藝的影響對于提升運行效果、確定工藝的最優運行參數具有重要意義。

          本研究基于氧化溝裝置進行改進,借助于氧化溝底部曝氣管的合理設置,在反應器內形成缺氧 -厭氧 - 好氧分布,從而改善微生物群落的分布,進而提高氧化溝裝置的污染物降解能力。以模擬污水為研究對象,考察不同 HRT 對反應器中 COD、NH +-N和 TP 去除的影響,分析不同 HRT 對出水水質的影響,從而確定氧化溝工藝的優化運行參數,提高氧化溝工藝對污水中氮和磷等污染物的去除效率,為氧化溝工藝應用于處理實際生活污水提供科學依據。

          1 實驗部分

          1.1 實驗裝置

          實驗裝置采用自行設計的氧化溝,見圖 1。

        圖 1  氧化溝工藝流程

          反應器以有機玻璃為材料,有效體積為 40 L,具體尺寸為 0.8 m×0.2 m×0.35 m,有效水深為 250mm。反應器內設有潛水泵進行泥水混合。混合液從曝氣池溢流至沉淀池固液分離。系統采用蠕動泵完成連續進水和污泥回流,并利用流量計實現曝氣量流速控制。通過底部曝氣管的合理設置,在反應器沿程呈現厭氧 - 缺氧 - 好氧的空間分布。同時利用工藝有效的內循環,使反應器作為好氧厭氧一體化工藝運行。

          1.1 實驗條件

        采用人工配水,設定進水 COD 平均為 300 mg/L, NH +-N、TP 的質量濃度分別為 40、3 mg/L。COD 和 NH +-N 分別通過葡萄糖和 NH4Cl 的投加量來控制, TP 含量通過磷酸二氫鉀調節,添加 NaHCO3 調節堿度,并投加一定比例的微量元素維持微生物生長的良好環境(表 1)。

         

          設定反應器啟動時期的運行參數 HRT 為 24 h,污泥回流體積比為 200%,反應器內 MLSS 的質量濃度為 2.0~2.5 g/L,溫度為 29~30 ℃,污泥停留時間(SRT)為 20 d,曝氣區、缺氧區 DO 的質量濃度分別為(3.8±0.4)、<0.8 mg/L。污泥采自石河子市某污水處理廠的曝氣池。

          當系統啟動完成后,每天定期采集進出口水樣。研究不同的 HRT(8、10、12、14 h)對系統污染物脫除影響,考慮到反應體系的穩定性,每個 HRT 條件運行 1 周。通過檢測進出水中的 COD 和 NH +-N、 TP、NO --N、NO --N 含量等,從而確定污水處理工藝運行的優化 HRT。

          1.1 分析方法

          COD 和NH +-N、NO --N、NO --N、TP 等指標的測定參照國家標準檢測,DO 含量采用溶氧儀測定。

          1 結果與討論

          1.1 啟動期 COD 的變化情況

          反應器啟動過程可分為啟動初期、中期和末期。啟動期間 COD 的去除情況見圖 2。

          由圖 2 可知,啟動初期,進水 COD 為(300±28)mg/L,系統 COD 的去除率始終低于 70%。種泥中含

         

          有部分活性微生物,具有一定的 COD 降解活性。污泥從污水處理廠接種至實驗室后,活性污泥對反應器有一個適應的過程,造成種泥中部分活性污泥死亡,導致去除率較低。隨著污泥的馴化,微生物通過自我調節能力適應環境,需要消耗更多的有機物,COD 的去除率逐漸升高。

          啟動至中期第 4-10 天,系統對 COD 的去除率最高可達到 90%,表明系統中活性微生物總量開始快速增加,馴化后的活性污泥具有良好的 COD 降解性能。但是,該時期的污泥馴化不徹底,有一部分未能適應周圍環境的微生物以及生物絮體會隨著出水流出反應器,使得 COD 的去除率在 80%~90%變化。于鳳慶等采用活性污泥在馴化階段 COD 的去除率為 80%,較本研究偏低且馴化時間偏長。啟動末期,系統對 COD 去除率穩定維持在 90%左右,表明氧化溝工藝已經初步具備處理污水的能力。

          2.2 HRT 對 COD 去除的影響

          圖 3 是 HRT 依次設置為 14、12、10、8 h 條件下的 COD 去除情況。

         

          由圖 3 可知,反應器始終維持良好的除 COD 效率,出水平均 COD 穩定在 50 mg/L 以下。HRT 分別為 8 h 和 10 h 時,COD 去除率高達 90%以上,此時活性污泥和污水混合接觸的時間比較充分,從而有效提高反應器處理污水的能力。此外,系統中的活性微生物需要利用有機物來合成自身儲能物質(PHB),促進有機質充分氧化分解。HRT 由 10 h延長至為 12 h 時,COD 去除率基本沒有變化,始終維持在 90%。進一步延長處理時間至 14 h,COD 去除率有下降的趨勢(86%),并且無法維持穩定狀態。此時 HRT 過長,部分活性污泥發生老化,污泥穩定性降低,不利于活性污泥對有機物質的吸附過程,導致COD 的去除率降低。結果表明,COD 的去除率受 HRT 的影響較小,這與于鳳慶和尹航在利用改進型工藝處理污水的研究結果一致。可能與有機物進入反應器內被稀釋,降低了有機負荷的沖擊有關。具體聯系污水寶或參見http://www.dubaiindexshow.com更多相關技術文檔。

          2.3 HRT 對氮素去除的影響

          HRT 對 NH +-N 和 NO --N 和 NO --N 的去除效果的影響如圖 4 和圖 5 所示。

         

          由圖 4 可知,進水 NH +-N 的質量濃度為 33~ 40 mg/L 時,出水 NH +-N 的質量濃度為 2~5 mg/L。HRT 在 12、10、8 h 的條件下的 NH +-N 平均去除率分別為 97%、96%、96%,并且高于 14 h 時的 90%。隨著 HRT 的減少,污水處理工藝對 NH +-N 去除率呈現上升的趨勢并維持穩定的去除效果。原因是,HRT 為 14 h 的時候,污水混合物在反應器中停留時間較長,對反應器內的活性污泥微生態環境造成沖擊,破壞反應體系中反硝化環境的平衡;HRT 過長時,系統中有機碳含量相對較低,處于厭氧環境中的反硝化細菌的活性受到抑制,導致 NH +-N 去除率較低。隨著 HRT 的降低,促進異養菌的增殖,有利于反硝化反應的進行,同時相對充足的有機碳源提供電子供體,保證了 NH +-N 的高效去除,NH +-N 去除率提高。HRT 繼續減小(8 h),NH +-N 去除率沒有進一步的增長,表明此時系統的脫氮反應已經充分進行,再繼續增加 HRT 只會增加運行能耗。這與王曉蓮等得出優化 HRT 為 8.5 h 實驗結果相似;PAI 等也在 HRT 為 9 h 的條件下 NH +-N 去除效果為佳。考慮到系統工藝對生活污水的處理能力和運行成本,宜取 HRT 為 10 h。

          由圖 5 可知,HRT 從 8 h 增加至 10 h 和 12 h 時,NO3 -N 含量逐漸降低并維持穩定。當 HRT 進一步延長至 14 h,NO --N 產生了積累,并高于 8 h 的 0.011mg/L 的平均質量濃度。這是由于合成的生活污水中氯化銨是唯一的氮源,所以進水 NO --N 和 NO --N含量很小。HRT 為 14 h 時,出水 NO --N 含量比 12 h和 10 h 高,可能原因是 HRT 過長,在好氧區,硝化細菌發生比較徹底的硝化反應,一部分 NO --N 隨出水溢流排出,使得出水中 NO --N 含量較高。這與 HRT 為 14 h 時 NH +-N 去除率呈現降低的趨勢相一致[26]。此時,有機碳含量成為 NH +-N 去除的限制因子。當 HRT 降低,系統污泥回流量增加,在好氧區,硝化細菌將 NH +-N 轉化為 NO --N 或 NO --N;在缺氧區時,反硝化細菌以硝酸鹽為電子受體,葡萄糖為電子供體,將 NO --N 或 NO --N 還原為 N ,并逸出反應器,保證了同步硝化反硝化的脫氮效率。HRT 為 8 h 時,微生物與污水接觸時間短,部分活性污泥隨水流溢流出反應器,導致系統反硝化反應不完全,造成出水硝態氮濃度升高。

        由圖 5 還可知,NO --N 的積累量隨著 HRT 的減少呈現整體下降的趨勢。HRT 降低,活性污泥與污水中的營養物質反應不充分,導致硝化反應中間產物 NO --N 含量的降低。

        2.4 HRT 對 TP 去除的影響

          HRT 對 TP 的去除效果的影響如圖 6 所示。由圖 6 可知,隨著 HRT 降低,TP 去除率整體上呈現出先升高再降低的趨勢,HRT 為 10 h 時,出水TP 平均含量最低,平均去除率為 66%,表明適當增加 HRT 可以促進 TP 的去除。當 HRT 為 14 h 時,硝化細菌與聚磷菌(PAOs)存在競爭,且硝化細菌的生存能力高于 PAOs,造成 PAOs 的活性降低,不利于系統的除磷過程[28]。反硝化細菌優先利用污水中

         

          有機物成長為優勢細菌,PAOs 在厭氧狀態下活性受到抑制,釋磷過程不充分,PHB 的產生量減少,PAOs 釋磷過程中產生的可用于好氧吸磷的能量就相對減少,導致系統除磷效率的下降。經過一段時間后(當 HRT=12 h 和 10 h 時),系統負荷開始升高,在氧化溝厭氧區域環境中,硝化程度降低,這與出水中硝酸鹽含量呈現減小的趨勢相一致。較多的COD 被用于合成PAOs 需要的PHB 等物質,為 PAOs創造了較好的除磷環境;在好氧環境中,活性污泥中的 PAOs 則將較多的磷酸鹽以聚合物的形式儲存在體內,形成富磷污泥,最終以剩余污泥的形式被排出反應器。YIN 等同樣在 HRT 為 10.5 h 除磷效率達到最高,此時系統的硝化效果得到加強,為缺氧區脫磷過程提供較多的電子受體,強化反硝化聚磷菌的除磷能力。為保證氧化溝具有良好的除磷效率,選取HRT 為10 h 為優化的運行條件。

          3 結 論

        以模擬農村生活污水為研究對象,采用改進型氧化溝反應器對污水處理影響因素 HRT 進行研究,通過探究 COD、NH +-N、TP 在不同 HRT 條件下的去除情況,以及氮素的轉化規律。得出如下結論:

          1)HRT 對污水中污染物的去除效率存在影響,對 COD 的去除影響較小,對 TP 的去除影響較大,TP 的去除率隨 HRT 的延長呈現先升高后降低的趨勢;HRT 過長也會造成 NH +-N 去除率的下降,即 HRT 過長會降低氧化溝的脫氮除磷效果。

        2)進水中 NH +-N 在氧化溝反應器內被硝化細菌氧化成 NO --N 和 NO --N,然后在缺氧區內反硝化細菌協同作用下,實現了同步硝化反硝化脫氮過程。

        3)HRT 對氧化溝中活性污泥的脫氮除磷效率有很大影響。綜合考慮氧化溝系統對污水的處理能力和脫氮除磷效率,在進水 COD 為 300 mg/L,NH +-N、TP 的質量濃度分別為 40、3 mg/L 時,采用 HRT 為 10 h 為優化運行條件。此時,反應體系對 COD、 NH +-N 和 TP 的去除率分別為 91%、96%和 66%,其中出水 COD 和 NH +-N 含量滿足 GB 18918-2002的一級 A 標準。(來源:石河子大學化學化工學院)

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