小流量分散型污水處理生物反應器試驗研究

Word版本，下載可自由編輯小流量分散型污水處理生物反應器試驗研究1引言(Introduction)簇擁污水是指農(nóng)村社區(qū)、軍隊駐地、高速馬路服務區(qū)、機場、自立別墅區(qū)、旅游風景區(qū)等地處郊區(qū)，分布簇擁，無法納入市政管網(wǎng)籠罩范圍的特定區(qū)域產(chǎn)生的污水，這類污水具有水量小、排放簇擁、水質(zhì)水量波動較大、可生化性好等特點(陳書雪等，2023;呂錫武，2023;陳呂軍，2023;陳汗龍等，2023).簇擁污水不相宜舉行集中處理，應舉行就地處理，就地回用.

按照水量及收集方式的不同，簇擁式污水處理有不同的處理規(guī)模，如在農(nóng)村污水處理中，可分為單戶污水簇擁收集處理模式、聯(lián)戶污水簇擁收集處理模式和村落污水集中收集處理模式(Libralatoetal.,2023;王陽等，2023).因為當?shù)鼐幼∏闆r和經(jīng)濟狀況不同，對污水處理設施的挑選也不相同.

當前小流量簇擁污水常用的生物膜法、穩(wěn)定塘、氧化塘、人工濕地等處理工藝，對污染物的減少有一定的作用，但也面臨著諸多問題.比如，穩(wěn)定塘占地面積大、污泥簡單淤積(劉云國等，2023);人工濕地普通不宜直接處理較高濃度的生活污水，并存在水力負荷低、占地面積大、易受氣候和溫度影響等問題(劉峰等，2023;孫宗建等，2023);凈化槽工藝雖對污水中COD、BOD和NH4+-N等具有較好的處理效果，但設計中較少考慮TN和TP的去除(王昶等，2023);而生物接觸氧化法的填料造價高，增強了投資，另外對生物接觸池內(nèi)布水、布氣的勻稱性有一定要求(趙賢慧等，2023).隨著更嚴格的污水排放標準的出臺，對總磷、總氮等污染物的處理要求也進一步提高，以往簇擁式污水處理設施很難滿足新的要求.

延續(xù)流間歇曝氣工藝在國內(nèi)外均有討論，相對于傳統(tǒng)活性污泥工藝，間歇曝氣工藝可以削減反硝化過程中對碳源的需求，適用于低C/N污水的脫氮(Haoetal.,1996;Fulazzakyetal.,2023).Insel等(2023)討論認為，曝氣停曝的循環(huán)時光和其中曝氣時光的占比對囫圇反應脫氮的過程有重要影響.國內(nèi)對間歇曝氣工藝的討論多集中在現(xiàn)有污水處理廠的提標改造及處理過程中的控制參數(shù)上，如張雯等(2023)討論了間歇曝氣和延續(xù)曝氣對徹低混合反應器脫氮性能的影響，指出間歇曝氣時，因為厭氧階段有利于異養(yǎng)型兼性厭氧菌的代謝活動，故反硝化舉行得較為徹底，對總氮的去除率可以維持在70%以上.金春姬等(2023)對低C/N污水舉行間歇曝氣工藝處理，考察了間歇曝氣周期對污水脫氮的影響，認為曝氣時光應按照進水氨氮負荷保持在0.5h以上，攪拌缺氧的時光應當控制在1h左右.喬海兵等(2023)利用對延續(xù)流間歇曝氣氧化溝的討論，指出循環(huán)周期越小，好氧和缺氧交替頻率越高，系統(tǒng)中的DO水平相對較高，有利于硝化，同時也有利于消退停氣期的短流影響;隨著曝氣時光占比的降低，停氣時光的增強，進水中的有機物進入溝內(nèi)，作為反硝化的外加碳源，從而使反硝化速率加快.然而，對于簇擁式的間歇式曝氣活性污泥工藝應用于簇擁式污水處理還鮮有報道.因為處理成本及水量水質(zhì)條件的制約，討論處理量小、能耗較低的間歇曝氣反應器的處理效能具有重要的現(xiàn)實意義.

本文利用對應用于簇擁型污水處理的間歇曝氣生物反應器舉行生產(chǎn)性實驗討論，考察生物反應器去除COD、氮、磷的效果，以期為其在簇擁式污水處理過程中的應用提供建議.

2材料與辦法(Materialandmethods)

2.1試驗裝置

延續(xù)流間歇曝氣前缺氧生物反應器(以下簡稱“生物反應器”)按照課題組前期討論成績設計加工(Liuetal.,2023;Liuetal.,2023)，詳細如圖1所示.生物反應器整裝在一個集裝箱內(nèi)，總?cè)莘e為27.6m3，其中，混合池為3.2m3，間歇曝氣池為19m3，污泥截留池為2.2m3，終沉池為1.9m3.污水進入混合池舉行混合后進入間歇曝氣池.間歇曝氣池運用溶氧儀在線控制裝置和中控電路(PLC)控制曝氣強度和曝氣時光比.間歇曝氣池與混合池之間利用內(nèi)回流管路相連，利用調(diào)整回流流量控制混合液回流比.污水流經(jīng)間歇曝氣池后，經(jīng)折板或細管與污泥截留池相連，泥水混合物在截流池舉行泥水分別澄清后，上清液流入終沉池舉行進一步澄清并外排，截留的污泥利用污泥回流裝置返回到間歇曝氣池，可使間歇曝氣池保持較高的污泥濃度.終沉池設置污泥排出裝置，將全部沉淀的剩余污泥排出.可利用控制排泥時光，達到控制污泥停歇時光的目的.

圖1生物反應器暗示圖

生物反應器間歇曝氣池利用PLC自動控制曝氣和停曝時光，實現(xiàn)間歇式曝氣.曝氣階段溶解氧濃度由溶氧儀(型號：WTWIQSensorNet2023XTController)控制.當曝氣后溶解氧的濃度達到設定上限值(如2.5mg˙L-1)時，曝氣風機自動停止曝氣，此時混合裝置自動開啟，生物反應器中生物消耗溶氧.當溶解氧濃度下降到設定下限值(如0.5mg˙L-1)時，曝氣風機自動開啟，舉行鼓風曝氣.本討論中利用調(diào)整曝氣時光比、混合液回流比、HRT等組合工況條件，考察了該生物反應器去除COD、氮、磷效果.每個工況維持至少15d，其中，工況Ⅵ維持30d以上，工況Ⅶ維持3個月.工況條件如表1所示.

2.2試驗用水

試驗污水取自山東省日照市某市政生活污水處理廠曝氣沉砂池，經(jīng)提高泵進入反應裝置.生物反應器接種污泥取自此污水廠氧化溝.反應器進水水質(zhì)指標如表2所示.

2.3分析項目及辦法

污水進出水樣品混合勻稱后測定其總COD、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、總磷(TP)，上述各指標所采納的Hach水質(zhì)分析法的序號分離為8000、10072、10031、10020、8190.反應池中污泥濃度(MLSS)采納分量法測定，pH使用便攜式pH計(WTWMulti3220)測定.

3結(jié)果與研究(Resultsanddiscussion)

3.1生物反應器內(nèi)溶解氧濃度變化

生物反應器間歇曝氣池中溶解氧在一個間歇曝氣周期隨時光變化狀況如圖2所示.曝氣階段，池中平均溶解氧濃度由圖中水平虛線標示.以工況Ⅰ為例，曝氣開頭時，池中溶解氧濃度升高，當達到曝氣上限2.5mg˙L-1時，曝氣泵停止工作;當溶解氧達到設定下限0.5mg˙L-1時，曝氣泵自動開啟.如此循環(huán)往復，直到曝氣周期停止，池中平均溶解氧濃度為1.64mg˙L-1.當曝氣階段結(jié)束，進入停曝混合階段，溶解氧需要被消耗10~20min才干進入缺氧階段.傳統(tǒng)活性污泥法要求曝氣池溶解氧濃度不小2.0mg˙L-1，以保證硝化反應的徹低.討論表明，降低反應器溶解氧濃度，可以減小曝氣能耗，如將曝氣溶解氧濃度控制在0.5mg˙L-1，據(jù)估量將節(jié)省10%的運行能耗(Liuetal.,2023).同時低溶解氧濃度可以促使反應器中菌群變化，增進同步硝化反硝化的舉行，提高TN去除率(呂錫武等，2023;吳昌永等，2023;Liuetal.,2023).

圖2不同曝氣和停曝時長曝氣區(qū)溶解氧濃度的變化

3.2生物反應器內(nèi)污泥濃度(MLSS)及污泥體積指數(shù)(SVI)變化狀況

生物反應器在運行期間未從反應區(qū)主動舉行排泥，系統(tǒng)內(nèi)的MLSS是常規(guī)活性污泥污水廠的4倍，可以穩(wěn)定達到10000mg˙L-1以上(圖3).污泥經(jīng)過截留池的沉降，利用污泥回流裝置回到曝氣池，因此，較重的污泥經(jīng)過自動重力遴選保留在生物反應器中.終沉池只對出水舉行澄清，產(chǎn)生的污泥量很少，可以利用排泥裝置排出.MLSS在接種后開頭快速升高，20d左右達到10000mg˙L-1左右.工況Ⅲ因為設備重新移動，使得污泥量削減，但之后很快重新達到穩(wěn)定狀態(tài).污泥體積指數(shù)逐漸升高并穩(wěn)定在80~100mL˙g-1，顯示出良好的污泥沉降性能.在工況Ⅴ和Ⅵ，生物反應器中平均水溫降至10℃以下，沒有浮現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，這與前期討論的結(jié)果全都(Liuetal.,2023).工況Ⅶ進入春、夏季，溫度回升，MLSS達到12000mg˙L-1以上，并隨著污泥量的增多，其污泥體積指數(shù)略有下降.

圖3生物反應器中污泥濃度及污泥沉降指數(shù)比較

3.3對COD的去除效果

生物反應器對COD的去除效果見圖4，各工況的出水COD見表3.可以看出，進水COD波動較大，但生物反應器對COD的去除率在運行期間穩(wěn)定達到90%以上.生物反應器中可以維持很高的污泥濃度，保證其面向水質(zhì)波動變化時具有較好的適應能力.調(diào)節(jié)工況后對COD的去除效果影響不大，可能是由于異養(yǎng)菌對溶解氧的親和力強于自養(yǎng)菌，因此，在溶解氧較低的狀態(tài)下，異養(yǎng)菌將會領先通過氧氣舉行代謝活動，可以較好地代謝水中的COD(殷峻等，2023).

圖4生物反應器進出水COD及去除率

3.4對氮的去除效果

對于NH4+-N的去除，生物反應器在接種后短時光內(nèi)即達到良好的硝化效果(圖5a).工況Ⅰ的曝氣階段平均溶解氧濃度為1.64mg˙L-1，時長為60min，良好的硝化效果顯示其曝氣量充沛，使曝氣階段污水中的氨氮達到充分轉(zhuǎn)化.而在停曝混合階段(時長60min)，進水的氨氮由于生物反應器的稀釋作用，沒有在出水中堆積，使得氨氮達到較好的去除效率，在90%以上.但出水TN因為NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，并沒很好地從系統(tǒng)中脫除，TN出水濃度在20mg˙L-1左右(表3)，去除率在40%左右(圖5c).隨后調(diào)節(jié)停曝時光至90min(工況Ⅱ)，這時曝氣時光比降為0.47(表1)，NH4+-N去除略有波動仍可保持在90%以上，脫氮效率略有提升.當調(diào)節(jié)至工況Ⅲ時，停曝時光增長至150min，曝氣時光比進一步下降至0.33.停曝時光的加長及污泥量變化使生物反應器中硝化反應受到影響，出水的NH4+-N提升，而NO3--N進一步降低.因為生物反應器反硝化作用的加強，脫氮效率進一步提高至50%.在進水流量一定時，可利用調(diào)整曝氣時光比、增強停曝時光，提升系統(tǒng)反硝化效率，進而提升脫氮效率.需要注重的是，曝氣時光過短會造成NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N濃度增強，而過長會造成反硝化階段沒有足夠的碳源舉行反硝化.

圖5生物反應器運行進出水NH4+-N(a)、NO3--N(b)、TN(c)濃度及去除率

隨后工況Ⅳ削減停曝時光至90min，曝氣時光比為0.53，調(diào)低混合液回流比至1.5，生物反應器維持穩(wěn)定的氨氮去除效果，脫氮效率約為55%~60%.與前期工況Ⅱ相比，該工況在保證硝化效果的狀況下，脫氮效率有一定的提高.這是由于減小混合液回流后，回到混合池的混合液攜帶的溶解氧削減，使混合池維持較好的缺氧條件，提高反硝化效果.詳細聯(lián)系污水寶或參見http://.更多相關(guān)技術(shù)文檔。

考慮到曝氣過大會影響脫氮效果，隨后工況Ⅴ減低曝氣上限設定值至1.5mg˙L-1，間歇曝氣池的平均DO濃度降為0.88mg˙L-1，同時調(diào)整流量至50m3˙d-1，調(diào)長停曝時光為110min，曝氣時光比為0.41.此時出水NH4+-N濃度顯然上升，運行階段平均濃度為(10.0±4.3)mg˙L-1(表3).因為池中平均DO濃度降低、HRT減小、曝氣時光比減小，一方面使得NH4+-N硝化反應沒有徹低，另一方面使得NH4+-N在較長的缺氧時段堆積.NO3--N濃度較前期工況顯然降低，TN的去除率略有下降.考慮到冬季微生物的活性較低，為保持較好的硝化效果，調(diào)節(jié)為工況Ⅵ，降低了進水流量并增強了曝氣時長.雖曝氣時光比增長為0.48并提升了HRT，但硝化沒有徹低，NH4+-N的去除效果波動，出水TN仍維持在17~22mg˙L-1，去除率約為50%~70%.當水量變化時，水量的大小影響到養(yǎng)分物質(zhì)輸送的多少，在一定污泥量和呼吸強度狀況下，水量會對出水效果有影響，因此，需要適當?shù)卣{(diào)整間歇曝氣時光比來保證處理效果.冬季脫氮效率的減小，可以利用延伸曝氣時光和污泥齡的方式舉行一定的補償，提升硝化效率，但總氮的脫除仍然受一定的影響，可以考慮添加一定的碳源物質(zhì)舉行補充.

隨后工況Ⅶ將停曝時光稍降低，間歇曝氣池中平均溶解氧濃度為1.0mg˙L-1，保持曝氣時長，繼續(xù)監(jiān)測處理效果3個月.隨著運行時光的加長，生物反應器中種群達到穩(wěn)定，出水NH4+-N、TN都可以達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2023)中的一級A排放標準，NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%.對照工況Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ與前期工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ，當進水流量上升時，可利用同時增強曝氣時光比與循環(huán)時長來提升脫氮效率.

Dey等(2023)利用模擬間歇曝氣生物反應器發(fā)覺，這類反應器最佳曝氣時長應當占囫圇循環(huán)周期的50%~60%，而最佳的循環(huán)周期應當控制在2~3h范圍內(nèi)，在此條件下可以達到較好的脫氮效果.另外，較高的污泥濃度可以增進反應器中反硝化的舉行，Sarioglu等(2023)利用對MBR同步硝化反硝化的討論，提出當反應器中污泥濃度達到較高水平常(25000~30000mg˙L-1)，污泥的衰減可以支持內(nèi)源反硝化;另一方面，較高濃度的污泥可以聚攏形成內(nèi)部的缺氧區(qū)，可以增進同步硝化反硝化的舉行.本討論得到結(jié)果與以上討論結(jié)論相近，差別主要來自于實際應用中污泥濃度與菌群的不同，以及試驗環(huán)境和工況條件的不同.

3.5對磷的去除效果

生物反應器在運行期間未從反應區(qū)主動排泥，沉淀剩余污泥由終沉池排出，經(jīng)由產(chǎn)泥系數(shù)及污泥量計算，生物反應器SRT約為50d.在秋、冬運行期間(工況Ⅰ~Ⅵ)，出水的總磷濃度平均約為1.65mg˙L-1(表3)，對總磷的去除效果約為60%.工況Ⅶ，磷的進水濃度有較大的提高，但出水濃度卻逐漸降至1mg˙L-1以下，滿足國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準1級B標準.隨著生物反應器中污泥濃度的提高，去除率達到80%以上.按照前期討論，間歇曝氣可在混合池創(chuàng)造厭氧和缺