厭氧折流板反應(yīng)器預(yù)處理生活污水研究

張安龍， 吳冰華， 王家宏

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院, 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的迅速提高及生活條件的明顯改善，居民用水量日益加大，使得生活污水排放量不斷增加.生活污水主要包括沖廁污水、生活洗滌污水、廚房污水和人畜糞便污水等，其主要特征有：(1)污水日排放量較??；(2)間歇排放，水質(zhì)水量隨季節(jié)、晝夜變化大，日變化系數(shù)達(dá)到3.5～5.0；(3)基本不含重金屬和有毒有害物質(zhì)，但其中含有大量氮磷等污染物質(zhì)；(4)懸浮物濃度較高，有機(jī)物濃度低；(5)B/C在0.5左右，屬于易降解污水[1]；(6)管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全.若不加處理而直接排放，不但污染水體，增加市政管網(wǎng)建設(shè)的負(fù)擔(dān)，還浪費(fèi)了大量的再生水水源.據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%以上的生活污水或糞便廢水被直接排放到地下或江河湖泊[2].

目前，成熟的生活污水處理技術(shù)如序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)、生物膜反應(yīng)器等[3]，由于投資大、能耗高、運(yùn)行費(fèi)用高、管理難度大等原因，在農(nóng)村難以推廣應(yīng)用，因此尋求一種高效節(jié)能的廢水處理工藝十分必要.與傳統(tǒng)好氧工藝相比，厭氧工藝具有以下特點(diǎn)：(1)不需要曝氣系統(tǒng)，大大降低了造價(jià)和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用；(2)水力條件良好，能有效降解有機(jī)物，具有污泥消化池的功能，剩余污泥產(chǎn)生量少，能實(shí)現(xiàn)污水、污泥一次處理.厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是MCCARTY及其合作者在厭氧生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)出來的一種新型高效厭氧反應(yīng)器，由于分割多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)使其具有良好的水力特性、耐沖擊負(fù)荷及良好固體截留能力[4,5].近年國內(nèi)外對(duì)ABR的研究較為活躍，但一般局限于處理高濃度有機(jī)廢水的研究，對(duì)低濃度生活污水的研究在國內(nèi)報(bào)道很少，僅在國外有個(gè)別運(yùn)行先例[6-9].Mahmoud N等的研究證明ABR在處理生活污水方面具有很好的效果[10].將厭氧處理和以人工濕地為代表的生態(tài)處理相結(jié)合，是因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理的農(nóng)村廢水處理方法.ABR作為預(yù)處理單元，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗沖擊能力，降低有機(jī)負(fù)荷和懸浮物濃度，從而提高后續(xù)生態(tài)處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷，減緩堵塞問題，提高使用壽命.

本實(shí)驗(yàn)采用厭氧折流板反應(yīng)器對(duì)生活污水進(jìn)行預(yù)處理，研究了不同水力停留時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷對(duì)反應(yīng)器出水水質(zhì)的影響，為其在實(shí)際工程中應(yīng)用提供理論性指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水取自陜西科技大學(xué)生活區(qū)排放的生活污水，經(jīng)粗篩網(wǎng)過濾后作為試驗(yàn)用水.試驗(yàn)用水水質(zhì)情況如表1所示.

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)情況

1.2 指標(biāo)測(cè)定方法

CODCr:重鉻酸鉀滴定法[11]；NH4-N：納氏試劑分光光度法[11]；TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[11]；TP:鉬酸銨分光光度法[11]；SS:干熱恒重法(105 ℃烘干稱重)[11]；溫度:水銀溫度計(jì).

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧折流板反應(yīng)器(ABR，Anaerobic Baffled Reactor)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.ABR由有機(jī)玻璃制成，有效容積為21.6 L.反應(yīng)器分為3個(gè)隔室，每個(gè)隔室由上下流室組成，隔室下部的折板角度為135 °，以減少水流死角，實(shí)現(xiàn)布水均勻.反應(yīng)器上部進(jìn)水，上部出水.反應(yīng)器安裝在恒溫水浴箱中，通過WMZK-01型溫度控制儀控制溫度在(35±1)℃.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.4 反應(yīng)器的啟動(dòng)

ABR反應(yīng)器內(nèi)的接種污泥取自西安市某污水處理廠的厭氧池，污泥濃度MLSS為31.2 g·L-1，其中MLVSS占53.6%，在(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每隔兩天加一次新鮮營養(yǎng)液，同時(shí)每隔2 h攪拌一次，發(fā)現(xiàn)有大量氣泡產(chǎn)生時(shí)，則污泥培養(yǎng)成熟.污泥培養(yǎng)成熟后，將污泥量為反應(yīng)器體積1/10的成熟污泥加入到ABR反應(yīng)器中，其中第一隔室投放相對(duì)多些，剩余污泥均勻投入二三隔室，添加新鮮營養(yǎng)液，靜置1 d.

采用低負(fù)荷啟動(dòng)方式.啟動(dòng)初期間歇進(jìn)水，固定水力停留時(shí)間為24 h，每天進(jìn)水10 h， 20天后開始連續(xù)進(jìn)水，廢水流量控制在1.5 L·h-1左右.40天后反應(yīng)器底部污泥呈灰白色，顯微鏡觀察到大量產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌.60天后，ABR反應(yīng)器的各隔室都形成穩(wěn)定的污泥床，污泥呈黑褐色，出水較清澈，CODCr的去除率穩(wěn)定在63%左右，說明此時(shí)ABR反應(yīng)器已經(jīng)成功啟動(dòng).

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳水力停留時(shí)間的確定及其容積負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

在進(jìn)水水質(zhì)保持不變的情況下，研究系統(tǒng)的最佳水力停留時(shí)間HRT，進(jìn)而在最佳反應(yīng)條件下，考察不同容積負(fù)荷對(duì)生活污水處理效果的影響.

2.1.1 最佳水力停留時(shí)間的確定

不同水力停留時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示.

從圖2可知，隨著水力停留時(shí)間的增加，出水CODCr濃度逐漸降低，CODCr的去除率逐漸提高.這主要是因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間的延長(zhǎng)，使微生物與水中的有機(jī)物充分接觸，從而有效降解水中有機(jī)污染物，達(dá)到出水CODCr濃度降低的效果.但當(dāng)HRT大于6 h時(shí)，CODCr去除率變化不大，基本穩(wěn)定，即厭氧反應(yīng)在一定程度上不受反應(yīng)時(shí)間的控制，這與厭氧的去除機(jī)理有關(guān)，在這一階段主要是相對(duì)分子質(zhì)量較大的有機(jī)污染物的分解過程，從形式上和性質(zhì)上發(fā)生變化，而在數(shù)量上變化較小[12].Yu[13]的研究結(jié)果表明，要達(dá)到去除SS的目的，HRT必須大于5 h.由圖3可知，當(dāng)HRT=6 h時(shí)，SS可以得到較好的去除，且隨著HRT的增加，去除率不斷增大.綜合考慮處理效果與投資費(fèi)用，選取6 h為最佳水力停留時(shí)間.

圖2 水力停留時(shí)間對(duì)CODCr去除效果的影響

圖3 水力停留時(shí)間對(duì)SS去除效果的影響

2.1.2 容積負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

水力停留時(shí)間固定為6 h，通過改變進(jìn)水CODCr濃度，容積負(fù)荷隨之變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，提高進(jìn)水有機(jī)物濃度對(duì)CODCr和SS去除率影響不大，說明ABR反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.這主要因?yàn)锳BR獨(dú)特的隔室結(jié)構(gòu)，折流板迫使水流上下折流，改善了泥水接觸效果，提高了COD的去除率，更適合于低濃度有機(jī)廢水(如生活污水)的厭氧處理.

圖4 容積負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

2.2 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)進(jìn)出水水質(zhì)分析

在最佳工藝條件(水力停留時(shí)間為6 h)下，連續(xù)運(yùn)行40 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示.

2.2.1 對(duì)CODCr的去除效果

由圖5可知，生活污水進(jìn)水CODCr波動(dòng)較大(100～450 mg/L)，經(jīng)過ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后，CODCr平均去除率穩(wěn)定在68.1%左右，說明該工藝對(duì)生活污水具有較好的預(yù)處理效果.

圖5 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)ABR進(jìn)、出水中CODCr及其去除率的變化

2.2.2 對(duì)懸浮物SS的去除效果

ABR反應(yīng)器作為處理低濃度生活污水的預(yù)處理階段，對(duì)懸浮物SS的處理效果如圖6所示.由圖6可知，由于微生物對(duì)大分子物質(zhì)的吸附及降解作用，經(jīng)ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后，水中SS得到較高的去除.雖然進(jìn)水懸浮物的波動(dòng)較大，但經(jīng)ABR預(yù)處理后，出水SS較低，且基本穩(wěn)定在40 mg·L-1以下.進(jìn)水懸浮物SS質(zhì)量濃度越高，其去除率越高，由此可知，ABR系統(tǒng)對(duì)懸浮物SS具有良好的截留效果.

圖6 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)ABR進(jìn)、出水中SS及其去除率的變化

2.2.3 對(duì)氨氮和總氮的去除效果

在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運(yùn)行40 d，進(jìn)出水氨氮及總氮的濃度均隔天測(cè)定，測(cè)定結(jié)果分別如圖7、圖8所示.

圖7 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)ABR進(jìn)、出水中氨氮質(zhì)量濃度的變化

由圖7可知，ABR反應(yīng)器對(duì)氨氮基本沒有去除效果，氨氮濃度略微下降主要是由微生物的同化作用和厭氧氨氧化造成.ABR反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率甚至出現(xiàn)負(fù)值，主要由于水體中的有機(jī)氮在厭氧條件下通過厭氧菌的作用轉(zhuǎn)化為氨氮，從而使氨氮含量上升；而氨氮在無氧或缺氧條件下無法向NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化，因而難以去除.

圖8 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)ABR進(jìn)、出水中總氮質(zhì)量濃度的變化

由圖8可知，ABR反應(yīng)器對(duì)TN的去除效果很小，對(duì)TN的平均去除率僅為13.2%.總氮的去除主要是由微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)及厭氧反硝化作用變?yōu)榈獨(dú)庠斐傻?

對(duì)有脫氮要求的生活污水處理系統(tǒng)，ABR必須與好氧處理單元聯(lián)用，組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)才能有效除氮.

2.2.4 對(duì)總磷的去除效果

在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運(yùn)行40 d，進(jìn)出水總磷的濃度均隔天測(cè)定，測(cè)定結(jié)果和圖9所示.

圖9 最佳工藝條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)ABR進(jìn)、出水中總磷質(zhì)量濃度的變化

由圖9看出，ABR反應(yīng)器的除磷效果不好，去除率僅為4.3%左右，主要是由微生物的同化作用造成的.ABR同其他厭氧反應(yīng)器一樣，只能產(chǎn)生釋磷作用(將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為磷酸鹽)，對(duì)有除磷要求的生活污水處理系統(tǒng)，ABR也必須與好氧處理單元聯(lián)用，組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)(含排泥過程)才能有效去除磷.

3 結(jié)束語

(1)隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，CODCr去除率逐漸提高，但當(dāng)HRT大于6 h時(shí)，CODCr去除率基本穩(wěn)定；當(dāng)HRT=6 h時(shí)，SS可以得到較好的去除，且隨著HRT的增加，去除率不斷增大.綜合考慮，ABR反應(yīng)器的最佳水力停留時(shí)間選為6 h.

(2)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的變化對(duì)CODCr、SS去除率的影響不大，說明ABR反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.

(3)在最佳工藝條件下，ABR作為生活污水的預(yù)處理單元，對(duì)生活污水中CODCr、SS的去除率分別穩(wěn)定在68.1%、88.3%左右，實(shí)現(xiàn)了較好的預(yù)處理效果，且與好氧處理工藝相比，大大降低了處理成本.但ABR處理系統(tǒng)的脫氮除磷作用很小，氮磷的去除主要是由水中微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)造成的.

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