ABR-生物接觸氧化工藝處理低碳氮比污水的碳源調(diào)配

黃繼國，高文翰，夏婷婷，叢喜彬，蘇君,

(1. 吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春，130021；2. 中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春，130021)

近年來，城市生活污水呈現(xiàn)出低碳氮比的趨勢[1]，所面臨的主要問題是如何以最低的代價(jià)提高脫氮效率[2]。目前，我國城市污水處理廠普遍采用缺氧/好氧(A/O)脫氮工藝。盡管 A/O工藝采取缺氧前置、回流等措施，對碳源調(diào)配起到一定的促進(jìn)作用，在一定程度上提高了碳源利用率和脫氮效率，但在實(shí)際工程中脫氮效率仍普遍低于 70%[3]，而且一旦進(jìn)水m(COD)/m(N)過低，脫氮率將下降到50%以下，不能保證出水TN濃度達(dá)標(biāo)。Carrera等[4]研究表明，生物脫氮受進(jìn)水m(COD)/m(N)影響。在生物脫氮系統(tǒng)中，39%的有機(jī)物被氧化消耗，脫氮所需m(COD)/m(N)至少為7.1。李德豪等[5]對一體化A/O反應(yīng)器研究表明：當(dāng)m(COD)/m(N)為7.5左右時，具有較高的TN去除效果，TN去除率達(dá)到 70%。當(dāng)碳源不足時，可以通過投加碳源的方法提高脫氮效率[6-8]。王之暉等[9]對A/O工藝脫氮的研究表明：當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為3.5～4.0，投加碳源量為221.58 mg/L時，脫氮效果最佳，但是投加碳源勢必增加運(yùn)行費(fèi)用[5]。針對傳統(tǒng)A/O工藝脫氮效率低、碳源利用不充分的現(xiàn)狀，試驗(yàn)將通過改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)來提高系統(tǒng)對碳源的利用率，以達(dá)到在不外加碳源的條件下取得最高脫氮效率的運(yùn)行效果。在改進(jìn)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)方面，試驗(yàn)將傳統(tǒng) A/O工藝缺氧段改為厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)多隔室結(jié)構(gòu)，并在好氧段設(shè)置軟性填料，形成ABR-生物接觸氧化新型工藝。相較于傳統(tǒng)A/O工藝，改進(jìn)后的工藝具有的獨(dú)特分格式結(jié)構(gòu)和推流式流態(tài)，促使每個隔室內(nèi)馴化培養(yǎng)出與流至該隔室污水 COD濃度相適應(yīng)的微生物群落[10-12]，有效提高了對不同濃度下碳源的利用率，同時反應(yīng)器好氧區(qū)軟性填料的設(shè)置，增大了微生物與水中污染物的接觸面積，有利于氧的轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力[13]。在改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高系統(tǒng)碳源利用率。本文作者考察水力停留時間(HRT)、回流比(R)、溫度(t)對系統(tǒng)碳源利用率的影響，探求系統(tǒng)利用碳源的最佳運(yùn)行條件，并確定本工藝在不同m(COD)/m(N)條件下對TN的去除效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水采用人工模擬配制，保證了進(jìn)水各項(xiàng)污染指標(biāo)的穩(wěn)定，同時配合試驗(yàn)的不同階段調(diào)整碳源(葡萄糖)的投加量以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)水m(COD)/m(N)。試驗(yàn)啟動和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化階段保持進(jìn)水ρ(COD)≈300 mg/L，ρ(TN)≈60 mg/L。

試驗(yàn)期間進(jìn)水成分及配比見表1。

表1 試驗(yàn)用水配比Table 1 Quality of experimental water

試驗(yàn)所用活性污泥取自長春市西郊污水處理廠的A/O生物池，經(jīng)20 d馴化培養(yǎng)后投加到反應(yīng)器各隔室正常運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用改進(jìn)的 ABR-生物接觸氧化復(fù)合式反應(yīng)器，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

反應(yīng)器由玻璃制成，長為60 cm，寬為15 cm，高為35 cm(其中保護(hù)高5 cm)，有效容積為27 L。反應(yīng)器由豎向?qū)Я靼宸譃槲甯羰?，ABR缺氧區(qū)和好氧區(qū)部分所占容積比為3:2。ABR缺氧區(qū)隔室上設(shè)排氣口，底部折流板起角為45°；好氧區(qū)隔室內(nèi)懸掛軟性填料，底部設(shè)曝氣頭，由小型曝氣機(jī)進(jìn)行曝氣。

整個反應(yīng)器放置在恒溫水浴槽內(nèi)，采用溫控加熱棒控制水浴溫度。原水由30 L高位水箱進(jìn)入ABR缺氧區(qū)，依次通過3個隔室后進(jìn)入到好氧區(qū)，好氧區(qū)部分出水再經(jīng)回流泵返回到 ABR缺氧區(qū)，形成回流。進(jìn)水和回流軟管分別設(shè)閥門和流量計(jì)以控制 HRT和回流比R。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置的啟動采用連續(xù)進(jìn)水的方式，根據(jù)污泥生長狀況和污水處理效果，分階段降低HRT，提高反應(yīng)器進(jìn)水 COD容積負(fù)荷。啟動階段試驗(yàn)用水中的m(COD)/m(N)為5，啟動溫度t=25 ℃，混合液回流比R=2。整個過程共歷時30 d。

在反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，保持進(jìn)水水質(zhì)不變，依次改變反應(yīng)器運(yùn)行的水力停留時間HRT、回流比R和溫度t，考察在不同運(yùn)行條件下反應(yīng)器進(jìn)出水COD和TN濃度，確定反應(yīng)器利用碳源的最佳運(yùn)行條件。最后，在最佳條件下，調(diào)整進(jìn)水 COD質(zhì)量濃度，確定本工藝對不同m(COD)/m(N)條件下污水的處理效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響碳源調(diào)配運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

為確定不同運(yùn)行條件下反應(yīng)器對污水的處理效果和碳源利用情況，采用的考察指標(biāo)為COD和TN去除率，以及 Δρ(TN)/Δρ(COD)。

COD去除率η( C OD)和TN去除率η(TN)計(jì)算式如下：

式中：ρ( C ODin)為進(jìn)水 COD質(zhì)量濃度，mg/L；ρ( C ODout)為出水COD質(zhì)量濃度，mg/L；ρ( T Nin)為進(jìn)水TN質(zhì)量濃度，mg/L；ρ( T Nout)為出水TN質(zhì)量濃度，mg/L。

碳源利用率以消耗單位質(zhì)量COD所去除的TN量即 Δρ( T N ) /Δρ(COD)來表征， Δρ( T N ) /Δρ(COD)越高，表明碳源利用越充分，計(jì)算式如下：

式中：Δρ(TN)為進(jìn)出水 TN質(zhì)量濃度變化，mg/L；Δρ(COD)為進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度變化，mg/L。

2.1.1 HRT對碳源調(diào)配的影響

在反應(yīng)器溫度t為25 ℃，回流比R為2的條件下，調(diào)節(jié)進(jìn)水流速，控制HRT在4～12 h內(nèi)變化，經(jīng)3～5 d系統(tǒng)穩(wěn)定后測得不同HRT下反應(yīng)器進(jìn)出水的COD和TN質(zhì)量濃度，分別計(jì)算去除率和 Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同HRT下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.2 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different HRTs

由圖2可以看出：COD的平均去除率隨著水力停留時間的增大而緩慢升高，去除率保持在80 %以上，最終達(dá)到95.6 %。這表明系統(tǒng)在較低的HRT下即對COD具有較高的去除率。TN的平均去除率隨停留時間的變化趨勢為先升高后降低。當(dāng)HRT為10 h時，TN的去除率最高，達(dá)到68.2 %。Δρ( T N ) /Δρ(COD)與TN去除率的變化趨勢相似，二者具有一定的相關(guān)性。當(dāng)HRT為10 h時， Δρ( T N ) /Δρ(COD)最大，達(dá)到0.167 5。

其原因主要是由于隨著HRT的增大，污水在硝化和反硝化階段的停留時間均得到延長，反應(yīng)較為充分。同時由于碳源在反硝化階段停留時間的增加，有利于反硝化過程獲取更多的碳源，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了碳源的合理調(diào)配，提高了碳源利用率。當(dāng)停留時間繼續(xù)增大時，好氧區(qū) COD去除較為充分，回流于反硝化區(qū)的碳源逐漸不足，因此，導(dǎo)致TN去除率和系統(tǒng)碳源利用率下降。

2.1.2 回流比對碳源調(diào)配的影響

在反應(yīng)器溫度t為25 ℃，HRT為10 h的條件下，通過調(diào)節(jié)回流管閥門改變回流比，使回流比R在1～3.5內(nèi)變化，經(jīng)3～5 d系統(tǒng)穩(wěn)定后測定不同回流比條件下反應(yīng)器進(jìn)出水的COD和TN質(zhì)量濃度，分別計(jì)算去除率和 Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同回流比下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.3 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different reflux ratios

由圖3可看出：COD去除率受回流比變化的影響較小，主要在85%～95%范圍內(nèi)變化，出水COD比較穩(wěn)定，均低于50 mg/L。TN的去除率隨著混合液回流比的增大，出現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當(dāng)混合液回流比R為 2.5時，TN的去除率最高，達(dá)到 69.8%。Δρ( T N ) /Δρ(COD)隨回流比的變化情況與TN去除率基本相符，在R為2.5時達(dá)最大值，為0.167 0。

回流比是硝化-反硝化過程中重要的控制變量，對碳源調(diào)配起著重要作用。反應(yīng)器通過回流將好氧段出水回流到 ABR缺氧段，使得好氧段未消耗的碳源重新進(jìn)入缺氧反硝化段，從而增加反硝化段碳源含量，實(shí)現(xiàn)了對硝化和反硝化過程中碳源的有效調(diào)配。但是，回流比過高和過低均對系統(tǒng)有不利影響：回流比過低時回流碳源較少，造成缺氧段的反硝化潛力不能充分利用，起不到理想的調(diào)配效果，出水TN濃度難以達(dá)標(biāo)；回流比過高時一方面增加運(yùn)行費(fèi)用，另一方面使好氧區(qū)部分溶解氧進(jìn)入缺氧區(qū)從而破壞反硝化環(huán)境[14]。所以，從脫氮的角度考慮，要把回流比控制在合適的范圍內(nèi)，系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)較高的碳源利用率和理想的脫氮效果。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)運(yùn)行的最佳回流比R為2.5。

2.1.3 溫度對碳源調(diào)配的影響

在反應(yīng)器HRT和回流比R分別為10 h和2.5的條件下，調(diào)節(jié)控溫加熱器，使水浴溫度在10～30 ℃內(nèi)變化，經(jīng)3～5 d系統(tǒng)穩(wěn)定后測定不同溫度下反應(yīng)器進(jìn)水和出水的COD和TN質(zhì)量濃度，分別計(jì)算去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.4 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different temperatures

由圖4可看出：COD和TN的去除率隨著溫度的升高而增大。當(dāng)溫度t為30 ℃時，TN的去除率最高，達(dá)到74.3%。Δρ( T N ) /Δρ(COD)也隨溫度升高而增大，在溫度為30 ℃時取得最大值0.168 9。

溫度和系統(tǒng)硝化-反硝化速率有密切關(guān)系。在脫氮過程中，通過改變溫度調(diào)配碳源，實(shí)際上是通過溫度的改變適當(dāng)抑制硝化過程對碳源的消耗，同時促進(jìn)反硝化過程對碳源的利用。研究表明[15]，硝化反應(yīng)的適宜溫度為 20～30 ℃，反硝化反應(yīng)的適宜溫度為20～40 ℃。當(dāng)溫度過低(小于15 ℃)時，硝化和反硝化速率都極低，影響反應(yīng)速率和碳源的利用。而溫度過高(大于30 ℃)，會出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象。這可能是由于亞硝酸鹽還原酶較硝酸鹽還原酶對溫度更為敏感，一旦溫度不適宜，則其受到的抑制作用要大于硝酸鹽還原酶，進(jìn)而造成亞硝酸鹽的積累。對于本試驗(yàn)，在溫度為30 ℃的條件下，系統(tǒng)碳源利用率最高，碳源在硝化和反硝化過程中的調(diào)配處于最優(yōu)。

綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)改變時，碳源利用率和TN去除率的變化趨勢呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性；當(dāng)反應(yīng)器HRT為10 h，R為2.5，溫度為30 ℃時，系統(tǒng)對碳源的調(diào)配達(dá)到最優(yōu)，碳源利用率和 TN去除率也最高。

2.2 對不同m(COD)/m(N)污水的去除效果

為保證本工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用，試驗(yàn)出水標(biāo)準(zhǔn)采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級 B 標(biāo)準(zhǔn)，即ρ(COD)＜60 mg/L，ρ(TN)＜20 mg/L。

調(diào)整進(jìn)水的 COD濃度，以測定最佳運(yùn)行條件下反應(yīng)器對不同m(COD)/m(N)污水中TN的去除率。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同m(COD)/m(N)條件下TN平均去除率的變化Fig.5 Changes of average removal rate of TN with different m(COD)/m(N) ratios

由圖5以看出：TN的平均去除率隨著進(jìn)水m(COD)/m(N)的減小而迅速降低。

當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為2～4時，TN的平均去除率在39.5%～55.4%之間，均低于60%，處理效果不理想。這表明，ABR-接觸氧化工藝不適合處理污水m(COD)/m(N)極低的情況。

當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)約為5時，TN平均去除率達(dá)到71.3%，出水TN質(zhì)量濃度小于20 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為6～7時，TN平均去除率達(dá)到80%以上，最高為82.1%，出水TN質(zhì)量濃度小于15 mg/L。由此可以看出：系統(tǒng)存在穩(wěn)定高效的脫氮作用。

對比傳統(tǒng)A/O工藝，若使TN去除率達(dá)到70%以上，所需進(jìn)水m(COD)/m(N)一般至少為8，而改進(jìn)后的ABR-生物接觸氧化工藝在進(jìn)水m(COD)/m(N)為5時，即可達(dá)到與傳統(tǒng)A/O工藝相同的脫氮效果(TN去除率70%以上)。

ABR-生物接觸氧化工藝能夠在較低m(COD)/m(N)條件下實(shí)現(xiàn)較高TN去除率的原因主要是其相對于傳統(tǒng)A/O工藝強(qiáng)化了脫氮功能，有效提高碳源利用率。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 好氧段通過設(shè)置豎向?qū)Я靼澹娱L了水力停留時間，有利于世代時間較長的硝化細(xì)菌生長。同時懸掛軟性填料，提高系統(tǒng)生物量濃度，增大污水與微生物的接觸面積，好氧區(qū)硝化效率顯著升高，由傳統(tǒng)A/O工藝的85%左右提升至90%以上[16]。

(2) 缺氧段采用ABR形式，水流呈局部完全混合而整體推流的流態(tài)，不僅有利于提高反應(yīng)器的容積利用率，而且在每個隔室中可以馴化培養(yǎng)出與污水水質(zhì)、環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落，充分發(fā)揮反硝化菌群的活性。碳源在沿程各隔室內(nèi)得到有效利用，提高了碳源利用率。

(3) 通過設(shè)置回流和調(diào)節(jié) HRT，實(shí)現(xiàn)碳源在硝化和反硝化段之間的轉(zhuǎn)移，對碳源進(jìn)行合理的調(diào)配，使系統(tǒng)硝化和反硝化作用處于動態(tài)的平衡。

(4) 系統(tǒng)中不同的微生物群落要求不同的適宜溫度。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度適當(dāng)抑制好氧過程微生物的代謝，減少好氧段對碳源的消耗，同時促進(jìn)反硝化細(xì)菌的繁殖代謝，加強(qiáng)缺氧反硝化段對碳源的利用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了碳源的合理利用。

3 結(jié)論

(1) 采用 ABR-生物接觸氧化工藝對低碳氮比污水進(jìn)行處理，相對于傳統(tǒng)A/O工藝，進(jìn)一步提高了碳源利用率，在進(jìn)水m(COD)/m(N)為5時即可達(dá)到TN去除率 70%的處理效果(傳統(tǒng) A/O工藝進(jìn)水m(COD)/m(N)至少為8)，實(shí)現(xiàn)了碳源的合理調(diào)配，一定程度上解決低碳氮比污水脫氮中碳源不足的問題。

(2) 當(dāng)工藝運(yùn)行條件發(fā)生改變時，系統(tǒng)碳源利用率與TN去除率的變化趨勢基本相符；當(dāng)反應(yīng)器HRT為10 h，R為2.5，溫度為30 ℃時，系統(tǒng)對碳源的利用率和TN去除率均達(dá)到最高。

(3) TN的平均去除率隨著進(jìn)水m(COD)/m(N)的減小而迅速降低。當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為 2～4時，TN的平均去除率低于 60%，處理效果不理想；當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為5時，TN的平均去除率達(dá)到71.3%，出水TN質(zhì)量濃度小于20 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)進(jìn)水m(COD)/m(N)為6～7時，去除率達(dá)到80%以上，出水TN質(zhì)量濃度小于15 mg/L。

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