厭氧-需氧廢水處理程序的應(yīng)用及策略

傅 剛

(沈陽(yáng)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110044)

厭氧-需氧廢水處理程序的應(yīng)用及策略

傅 剛

(沈陽(yáng)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110044)

介紹了厭氧-需氧廢水處理程序的優(yōu)越性及其在低溫地區(qū)的應(yīng)用,指出厭氧-需氧廢水處理程序的調(diào)控策略和光電子工業(yè)廢水的厭氧-需氧廢水處理方法·

廢水處理;生化需氧量;總氮;去除率

以犧牲環(huán)境為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),在提高了人民生活水平的同時(shí),也給人民的日常生活帶來(lái)了危害,還令其后的環(huán)境治理付出更加高昂的代價(jià)·從1998年到2007年,光投入治理太湖的資金就超過(guò)百億元,但卻未見(jiàn)明顯成效[1]·治理云南的滇池,從2008年至今已投入120億元,但其水質(zhì)仍未達(dá)到要求·據(jù)滇池管理局透露,還需投入上千億元并經(jīng)不間斷的治理,到2020年方可到達(dá)3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(符合飲用的標(biāo)準(zhǔn))[1]·而安徽巢湖的治理,預(yù)計(jì)投入500億元才能見(jiàn)效·

要解決水體污染問(wèn)題最好的方法是從源頭抓起,就是不讓廢水流入水體中,但這是很難做到的·因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口的增長(zhǎng),工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中排放的廢水在不斷上升·那么,唯一能夠降低水體污染的辦法就是保證廢水在排放到水體之前達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)·這一環(huán)保措施在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到嚴(yán)格執(zhí)行并取得良好效果·但在發(fā)展中國(guó)家,因認(rèn)識(shí)上、經(jīng)濟(jì)上及技術(shù)上存在的問(wèn)題,使得環(huán)境保護(hù)方面的成效并不顯著·

1 厭氧-需氧廢水處理程序的優(yōu)越性

廢水處理是一個(gè)非常重要且非常復(fù)雜的問(wèn)題,不僅在處理級(jí)別上有區(qū)分,在處理方法上也千差萬(wàn)別·因此,對(duì)源于不同產(chǎn)業(yè)的廢水要采用不同的處理方法,即使是同一產(chǎn)業(yè)來(lái)源的廢水,也因其所含成分及濃度的不同,在處理方法及操作程序上都要有所不同,這樣才能達(dá)到預(yù)期效果·

廢水處理中較多采用的微生物學(xué)處理方法是通過(guò)微生物的活動(dòng)將廢水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、無(wú)害的物質(zhì)的過(guò)程·根據(jù)起作用微生物的不同,可分為需氧微生物處理和厭氧微生物處理兩種類型·需氧微生物處理的特點(diǎn)是反應(yīng)速度較快,所需反應(yīng)時(shí)間短,處理系統(tǒng)的建筑容積小,處理過(guò)程中散發(fā)的臭氣較少,是一種較傳統(tǒng)且廣泛應(yīng)用的處理方法·一般生化需氧量(BOD5)質(zhì)量濃度小于500 mg/L的中低濃度有機(jī)廢水,多采用此種方法·而厭氧微生物處理的特點(diǎn)是在處理過(guò)程中無(wú)需另加氧源,故運(yùn)行費(fèi)用較低·它還具有剩余污泥量小、可回收能量(CH4)等優(yōu)點(diǎn)·但相對(duì)于需氧微生物處理來(lái)說(shuō),其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢、時(shí)間長(zhǎng),處理系統(tǒng)的建筑容積較大·對(duì)于有機(jī)污泥和質(zhì)量濃度高的有機(jī)廢水ρ(BOD5＞2 000 mg/L),則采用厭氧微生物處理法效果更好些·

不過(guò),單純的需氧處理和厭氧處理雖各有優(yōu)點(diǎn),但也各有缺點(diǎn)·為突出兩種程序的優(yōu)點(diǎn)和彌補(bǔ)兩者的不足,近年來(lái)在廢水生物學(xué)處理領(lǐng)域?qū)烧呔C合起來(lái)運(yùn)用,開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù),即厭氧預(yù)處理和需氧后處理技術(shù)·該處理技術(shù)的特點(diǎn)是:①高效率地去除有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物;②較低的能源需求;③相對(duì)較短的水力停留時(shí)間;④較多的生物氣體生成;⑤污泥生成量相對(duì)較少[2]·

2 厭氧-需氧廢水處理程序在低溫地區(qū)的應(yīng)用

E.Gasparikova等人針對(duì)斯洛伐克年平均氣溫較低,人口居住分散的特點(diǎn),采用厭氧-需氧相結(jié)合的處理方法取得了較理想的效果·在斯洛伐克,對(duì)于分散居住居民的廢水處理,普遍采用小規(guī)模廢水處理器,其中較廣泛使用的是Johkasous處理器(帶有恒定流量控制體系的厭氧反應(yīng)床和接續(xù)的有氧生物膜反應(yīng)器)·對(duì)該處理器運(yùn)行效果的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明其去除BOD5的效果良好,有70%經(jīng)處理的出水中ρ(BOD5)＜20 mg/L·同時(shí)還發(fā)現(xiàn),BOD5和總氮(T-N)去除率隨處理水循環(huán)次數(shù)的增加而提高·在循環(huán)率為3Q～10Q(Q為入水流量)時(shí),出水中 T-N可控制在15 mg/L·但該設(shè)施在處理飯店和旅館廢水時(shí),會(huì)因入水中油脂含量高而影響B(tài)OD5的去除效果·當(dāng)入水中油脂含量超過(guò)30 mg/L時(shí),經(jīng)該設(shè)施處理的出水則達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)[3]·

調(diào)查還發(fā)現(xiàn),Johkasous設(shè)備的厭氧-需氧生物膜反應(yīng)過(guò)程中,除氮的硝化過(guò)程呈現(xiàn)在一個(gè)有限階段中,不同流量和不同循環(huán)率對(duì)硝化菌的活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生不同的影響·當(dāng)溫度為10℃時(shí),經(jīng)循環(huán)可使硝化作用提高65%·在厭氧處理時(shí)發(fā)現(xiàn)出水中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度升高·特別是在無(wú)循環(huán)的情況下,有氧生物膜反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽氧化抑制及亞硝酸鹽的富集·因此,在小型厭氧-需氧生物膜處理過(guò)程中,為促使VFA的硝化和反硝化作用及生物降解活動(dòng),必須對(duì)處理中的廢水進(jìn)行循環(huán)處理[4]·

在此基礎(chǔ)上,E.Gasparikova等在斯洛伐克南部城市Bratislava進(jìn)行了一次大規(guī)模試驗(yàn),包括兩個(gè)試驗(yàn)型處理器(AN-I和AN-Ⅱ)和7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的中小規(guī)模民用廢水處理設(shè)施·試驗(yàn)用廢水處理器包括1個(gè)初級(jí)沉淀池、1個(gè)厭氧屏蔽系統(tǒng)、1個(gè)有氧區(qū)和1個(gè)二級(jí)沉淀池·在為期兩年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),盡管冬季氣候條件不利,但所有的監(jiān)控參數(shù)(COD,BOD5,SS,NH4-N,NO3-N,NO2-N)的物質(zhì)去除率均很高·COD和BOD5的出水值和去除率均達(dá)到了低負(fù)荷有氧處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)·冬季第一個(gè)月份兩個(gè)試驗(yàn)處理器的硝化作用均極為明顯·之后,隨氣溫降至低限,硝化作用明顯減弱·但從全年的處理效果看,這一低溫階段的影響并不大·這一試驗(yàn)結(jié)果很令人鼓舞,它證明了不僅在熱帶氣候國(guó)家可采用這種廢水處理方法,而且在像斯洛伐克這樣低溫地帶的國(guó)家,同樣可在自然條件下進(jìn)行這一方式的廢水處理·

接下來(lái)他們又對(duì)投入市場(chǎng)應(yīng)用的、按上述原理建造的AS-ANA型廢水處理設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測(cè)·調(diào)查結(jié)果顯示,這一設(shè)備對(duì)于去除有機(jī)物和懸浮固體非常有效·在溫度適宜的情況下,去除營(yíng)養(yǎng)物的效果也很好,且能源消耗要比小型有氧廢水處理器低25%～40%·同時(shí),該處理設(shè)備能降低淤泥的生成,最高可達(dá)40%·

對(duì)AS-ANA型廢水處理設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),若廢水中含油脂過(guò)高或入水量超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷,都會(huì)影響處理效果·廢水流量的波動(dòng)也是一個(gè)干擾因素·另一個(gè)問(wèn)題是操作技術(shù)問(wèn)題,如送風(fēng)機(jī)不能保證向有氧區(qū)輸送氧氣等·

3 厭氧-需氧廢水處理程序的調(diào)控策略

常規(guī)的技術(shù)操作可保證廢水處理達(dá)到基本標(biāo)準(zhǔn),而巧妙的技術(shù)操作則可獲得意外的效應(yīng)·L.Steven等采用水力加載策略,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)廢水流量的內(nèi)部間歇性控制,獲得了除氮最大化的效果·該試驗(yàn)是在美國(guó)俄亥俄州蒙哥馬利縣進(jìn)行的,歷時(shí)380 d·所獲結(jié)果是:在各種運(yùn)行條件下,BOD5和TSS去除效果均很好,出水中兩者的質(zhì)量濃度可保持在10 mg/L以下·若保證廢水即時(shí)流量較低,即使日負(fù)荷量很高,出水中 T-N質(zhì)量濃度也可維持在10 mg/L以下[5]·

這一水力負(fù)荷調(diào)控策略的原理是:在傳統(tǒng)的廢水處理(主要是去除廢水中BOD5和 TSS)基礎(chǔ)上,將有機(jī)氮和氨(總凱氏氮)硝化為硝酸鹽,并進(jìn)一步將硝酸鹽反硝化為氮?dú)?從而使廢水中BOD5和 TKN(總凱氏氮)濃度低于微生物生長(zhǎng)繁殖所需的水平·而這一過(guò)程要求有多種微生物的存在和相應(yīng)的環(huán)境:①將BOD5氧化為二氧化碳和水需要異養(yǎng)菌和有氧條件;②將有機(jī)氮和氨硝化為硝酸鹽需要自養(yǎng)菌和有氧條件,在實(shí)質(zhì)的硝化過(guò)程發(fā)生之前,BOD5必須基本消耗殆盡;③將硝酸鹽反硝化為氮?dú)庖螽愷B(yǎng)菌和厭氧條件,而脫氮微生物需要易降解的碳源·

為獲得多重細(xì)菌和氧化-還原反應(yīng)環(huán)境,人們通常使用多重反應(yīng)池·若采用連續(xù)性反應(yīng)池,在進(jìn)行硝化和反硝化時(shí)必須添加碳源,因?yàn)閺U水進(jìn)入硝化池時(shí),BOD5已大部被消耗掉·在序批式處理系統(tǒng)中,每一處理階段的反應(yīng)環(huán)境也均不相同,包括填料,反應(yīng),沉淀,清池等程序·無(wú)論是哪一種處理程序,都設(shè)有多個(gè)環(huán)境區(qū),這一固有特性可被巧妙地應(yīng)用于廢水加載策略上·特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的廢水來(lái)說(shuō),其流量必然是變化無(wú)常的·為控制廢水處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),則必須控制廢水的加載量·不過(guò)這并不難辦,只是增加一個(gè)等量的儲(chǔ)備池和一個(gè)加載裝置即可·該試驗(yàn)所采用的是現(xiàn)有的廢水處理系統(tǒng),所不同的是采用了30個(gè)由聚酯纖維制成的氈面過(guò)濾網(wǎng)袋,總面積約12.5 m2,用于固體和液體的分離·網(wǎng)袋表面有利于生物層的形成,從而有助于反硝化反應(yīng)·

試驗(yàn)用入水來(lái)自蒙哥馬利縣廢水處理廠的一個(gè)日流經(jīng)量約2 273L的廢水循環(huán)池(主要為民用廢水,工業(yè)廢水僅占10%左右)·向入水池內(nèi)注水根據(jù)需要而定,由一個(gè)電平開(kāi)關(guān)控制,當(dāng)水位下降至約占池中容積的15%左右時(shí)啟動(dòng)·入水池內(nèi)有一潛水泵,每隔20 min排空454.609 L廢水,以便于水的混合及減少表面浮垢的形成·

該試驗(yàn)是分4個(gè)階段進(jìn)行的,目的是獲得除氮最大化的條件·在試驗(yàn)的各階段對(duì)一個(gè)或一系列變量(包括加載量、加載時(shí)間、間歇時(shí)間,即時(shí)流量、日總流量等)加以改變,直到獲得可預(yù)計(jì)的效果為止·表1示出該試驗(yàn)所獲BOD5等4個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果·

表1 Steven等廢水除氮最大化的試驗(yàn)結(jié)果 mg·L-1

4 光電子工業(yè)廢水的厭氧-需氧處理

不僅是民用廢水,工業(yè)廢水也可采用厭氧-需氧程序進(jìn)行處理·T.K.Chen等在臺(tái)灣采用這一程序?qū)怆娮訉W(xué)工業(yè)廢水處理進(jìn)行研究,探索對(duì)高濃度有機(jī)氮工業(yè)廢水處理時(shí),為達(dá)到最大去除率的運(yùn)行條件和注意事項(xiàng)·他們認(rèn)為:用生物學(xué)方法處理高濃度有機(jī)氮工業(yè)廢水時(shí),pH值的控制是至關(guān)重要的·此外,水力停留時(shí)間(HRT)和混合液體的循環(huán)率(MLR)對(duì)有機(jī)氮的去除率均有很大影響[6]·

由于光電子工業(yè)在加工過(guò)程中大量使用有機(jī)溶劑(如顯影劑、清除劑、洗滌劑等),致使廢水中含有大量的有機(jī)氮,如乙醇胺(MEA)和四甲基氫氧化銨(TMAH)·對(duì)于這類廢水的處理最有效的方法就是采用生物學(xué)除氮程序(包括硝化和反硝化作用)·

硝化過(guò)程分兩步將銨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽:第一步由亞硝化單胞菌將銨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽;第二步由硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽·而這兩種硝化菌對(duì)運(yùn)行條件(如pH值、溫度、溶解氧)都很敏感[7]·為獲得最大硝化率,所有這些參數(shù)都應(yīng)保持在特定的范圍內(nèi)·例如:溫度應(yīng)保持在28～33℃之間,硝化過(guò)程的pH值最佳范圍是7～8,而硝化微生物對(duì)低于1 mg/L的氧質(zhì)量濃度則很敏感·反硝化是通過(guò)脫氮微生物將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾膮捬醍愷B(yǎng)過(guò)程,脫氮微生物則需要外來(lái)碳源進(jìn)行生物合成和產(chǎn)生能源·

因此,生物學(xué)除氮過(guò)程的效果取決于硝化微生物和脫氮微生物的活力·與民用廢水不同,光電子工業(yè)廢水中含有高濃度的氮及特殊有機(jī)化合物,他們可能影響到微生物活性,從而影響到生物學(xué)除氮效果·

鑒于這一基本情況,T.K.Chen等對(duì)一家TFT-TCD(薄膜晶體管液晶顯示屏)制造廠的工業(yè)廢水,在不經(jīng)稀釋的情況下進(jìn)行生物學(xué)處理的研究·在近一年的時(shí)間里,總共進(jìn)行了13輪試驗(yàn)·其中8輪試驗(yàn)意在檢驗(yàn)HRT的影響,另5輪試驗(yàn)則為探索MLR的影響·各輪試驗(yàn)中所用廢水的COD質(zhì)量濃度在500～2 500 mg/L之間,T-N質(zhì)量濃度在95～295 mg/L之間,pH值在10～11之間·

因?yàn)橐阎獜U水中 T-N濃度很高,為避免硝化和反硝化活動(dòng)受到抑制,每個(gè)水池的pH值都自動(dòng)控制在7～8,用水浴進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)維持溫度在30℃·用蠕動(dòng)泵以不同的速度將初始廢水注入pH值調(diào)節(jié)池與循環(huán)水進(jìn)行混合,之后泵入?yún)捬醭亍ぴ趨捬醭刂杏脭嚢铏C(jī)以100 r/min進(jìn)行混合·需氧池底部通過(guò)有孔透氣石進(jìn)行充氣,以保持內(nèi)容物的充分混合及維持溶解氧濃度在2 mg/L以上·混合液通過(guò)蠕動(dòng)泵由厭氧池注入需氧池·

試驗(yàn)結(jié)果表明,在適合的 HRT(＞1.7 d)和MLR(＜4Q)的條件下,該處理程序可去除92%～98%的碳源和80%的 TKN,70%的 T-N·

5 結(jié) 論

(1)在對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行生物學(xué)除氮處理之前,很重要的一項(xiàng)工作是鑒別有哪些成分會(huì)對(duì)硝化微生物和脫氮微生物產(chǎn)生抑制作用·該試驗(yàn)中的光電子工業(yè)廢水中具有抑制作用的因素包括有機(jī)氮復(fù)合物(TMAH,MEA)和高pH值·

(2)作為處理未經(jīng)稀釋的光電子工業(yè)廢水的一種方法,厭氧-需氧預(yù)處理程序具有很大的發(fā)展空間·在適合的 HRT(＞1.7 d)和MLR(＜4Q)條件下,出水中銨、硝酸鹽和COD可分別降至20 mg/L、30 mg/L 和80 mg/L·

(3)低比例輸入COD/T-N(＜10)的條件下,提高M(jìn)LR至5Q可以改變碳與硝酸鹽的比例,這對(duì)于完全反硝化是非常必要的·此外,需氧池中碳/氮比值高會(huì)導(dǎo)致不完全反硝化,而有氧池中氨的積累會(huì)抑制硝化作用并降低總氮去除率·

(4)一般來(lái)說(shuō),MLR有一個(gè)最佳值,它可促使完全反硝化并使出水中氮濃度降至最低·該試驗(yàn)中MLR最佳值為4Q·將MLR提高至5Q或6Q,可致氨的積累并造成硝化抑制·

[1] Hu Yinan,Li Jing,Wang Shanshan.Growing Costs[N].China Daily,2010-01-22(6).

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Application of Anaerobic-aerobic Wastewater Treatment Process and Strategies

FU Gang

(Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The advantagesof anaerobic-aerobic wastewater treatment process and the application of it in low temperature region are introduced.The control strategy of anaerobic-aerobic wastewater treatment and the anaerobic-aerobic wastewater treatment of optoelectronics industry are proposed.

wastewater treatment;biochemical oxygen demand;total nitrogen;removal rate

X 703

A

1008-9225(2010)06-0004-04

2010-07-19

傅 剛(1955-),男,遼寧西豐人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授,碩士·

【責(zé)任編輯 張耀華】