壓力變化對活性污泥脫氮除磷效能的影響

赫俊國，馮靖涵，王越飛，辛?xí)詵|，趙　聰，時　賢

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

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壓力變化對活性污泥脫氮除磷效能的影響

赫俊國，馮靖涵，王越飛，辛?xí)詵|，趙聰，時賢

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

曝氣壓力對活性污泥工藝的運(yùn)行效能具有較大影響，通過改變曝氣壓力，考察了活性污泥系統(tǒng)中硝化反硝化、生物除磷等過程的性能變化，論述了曝氣壓力變化對活性污泥脫氮除磷的強(qiáng)化效果.試驗(yàn)結(jié)果表明，恒定高壓力曝氣和高壓變壓力曝氣均可強(qiáng)化活性污泥對水中污染物的高效快速降解效能.恒定曝氣壓力下，在0.5～0.7 MPa左右時，污染物的去除效果最優(yōu)，COD在3 h內(nèi)降解至100 mg/L以下，去除率大于80%，出水氨氮在15 mg/L以下，去除率在60%以上，出水TP在0.5 mg/L以下，去除率約為95%.高壓變曝氣壓力下，當(dāng)壓力變化間隔為20 min，即總運(yùn)行時長為140 min時，污染物下降趨勢最明顯，出水COD約為100 mg/L左右，去除率大于60%，出水氨氮約20 mg/L左右，去除率約為50%，TP低于0.5mg/L，去除率高于95%.

高壓曝氣；活性污泥；脫氮除磷；去除效能

曝氣壓力是污水生物處理過程中控制脫氮除磷效能的一項(xiàng)重要參數(shù)，同時也是城市污水處理廠主要的耗能貢獻(xiàn)者.一些學(xué)者針對曝氣量對脫氮除磷效能影響開展了大量研究[1-7]，當(dāng)前研究的關(guān)注點(diǎn)集中于降低能耗的低曝氣量下實(shí)現(xiàn)污染水體中營養(yǎng)物的高效去除，但是，從另一角度考慮，通過高壓曝氣強(qiáng)化活性污泥的脫氮除磷效能，實(shí)現(xiàn)污水營養(yǎng)物的短時高效快速去除研究仍處于較低水平.本研究采用可以承受高壓力的反應(yīng)釜替代傳統(tǒng)的SBR工藝，考察高壓曝氣下活性污泥對污水污染物的短時高效去除效能，為通過高曝氣強(qiáng)化污染物快速高效去除的應(yīng)用推廣奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ).

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置為高壓曝氣反應(yīng)裝置(圖1)，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)定制而成，材質(zhì)為不銹鋼.該裝置由高壓強(qiáng)化曝氣池體、電機(jī)、壓力表、磁力耦合器、排氣閥、錨式攪拌槳、出水口以及進(jìn)氣口組成.

圖1　高壓強(qiáng)化曝氣池結(jié)構(gòu)圖

裝置全容積為12 L，有效容積10 L，設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，工作壓力為0.7 MPa，電機(jī)功率355 W，轉(zhuǎn)速0～350 r/min，高壓強(qiáng)化曝氣池內(nèi)與反應(yīng)污水接觸的材質(zhì)為S30408.配有空壓機(jī)為高壓強(qiáng)化曝氣池供氧，由高壓強(qiáng)化曝氣池底進(jìn)氣口進(jìn)氣供氧，空壓機(jī)型號為EC51，進(jìn)氣量為9 L/min，額定排氣壓力0.8 MPa.排氣閥排出的氣體進(jìn)入氣樣室，再經(jīng)過減壓閥控制流速流入便攜式氧氣檢測儀(型號MG01)監(jiān)測排出氣體中氧氣的含量.

1.2試驗(yàn)污泥與進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水來源于哈爾濱工業(yè)大學(xué)二校區(qū)家屬區(qū)實(shí)際生活污水，具體水質(zhì)指標(biāo): COD 為250～365 mg/L，氨氮(NH4+—N)為32～57 mg/L，總氮(TN)為38～62 mg/L，總磷(TP)為3.5～5.9 mg/L，SS為44～82 mg/L，pH為值7.2～7.8.

1.3運(yùn)行操作

本實(shí)驗(yàn)針對高壓曝氣反應(yīng)裝置進(jìn)行兩部分運(yùn)行操作：一是恒定曝氣壓力下考察活性污泥對實(shí)際生活污水的營養(yǎng)物去除效能.具體操作為：取一定量的穩(wěn)定運(yùn)行的脫氮除磷工藝中的好氧反應(yīng)池中的污泥與適量污水倒入高壓強(qiáng)化曝氣池進(jìn)行混合，污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為3.5 g/L.空壓機(jī)為高壓強(qiáng)化曝氣池供氧，通過調(diào)整排氣閥開啟程度，可以控制高壓強(qiáng)化曝氣池在0～0.7 MPa之間的任一壓力條件下運(yùn)行.進(jìn)氣量一定，用轉(zhuǎn)子流量計(jì)監(jiān)測不同壓力條件下排氣閥的出氣量，用便攜式氧氣檢測儀監(jiān)測排氣閥出的氣體中氧氣的含量.首先控制壓力表示數(shù)為0 MPa，即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下用空壓機(jī)曝氣運(yùn)行，每天早晚各運(yùn)行1次，每次3.0 h，監(jiān)測進(jìn)出水處理效果，當(dāng)處理效果穩(wěn)定后，每隔0.5 h取樣，監(jiān)測COD、NH4+—N、NO3-—N、TP，連續(xù)監(jiān)測若干天，直至達(dá)到穩(wěn)定去除效果，即標(biāo)志污泥馴化成功.當(dāng)處理效果穩(wěn)定后，每隔0.5h取樣，監(jiān)測處理效果.如此試驗(yàn)，分別考察曝氣壓力為0.2、0.4、0.6 MPa時.

二是變曝氣壓力下考察活性污泥對實(shí)際生活污水的脫氮除磷效能.具體操作步驟：取一定量的穩(wěn)定運(yùn)行的脫氮除磷工藝中的好氧反應(yīng)池中的污泥與適量污水倒入高壓強(qiáng)化曝氣池進(jìn)行混合，污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為4.0 g/L.空壓機(jī)為高壓強(qiáng)化曝氣池供氧，通過調(diào)整排氣閥開啟程度，以0.1個MPa為變化單位，控制高壓強(qiáng)化曝氣池在0.1～0.7 MPa梯度壓力條件下運(yùn)行，每個壓力狀態(tài)運(yùn)行10 min后泄壓，并將污泥取出待下次試驗(yàn)繼續(xù)使用，每天進(jìn)行兩次梯度壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)監(jiān)測進(jìn)出水COD、NH4+—N、NO3-—N、TP指標(biāo)，達(dá)到穩(wěn)定后即說明污泥馴化成功.進(jìn)而調(diào)節(jié)曝氣壓力變化間隔時間分別為15 min和20 min，考察不同時間間隔下活性污泥的脫氮除磷效能.

1.4檢測方法

采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法對水樣中COD、NH4+—N、NO3-—N、TP指標(biāo)進(jìn)行檢測，pH、溫度、DO等指標(biāo)等利用WTW(pH/oxi340i)手提式多參數(shù)測定儀測定[8].

2　結(jié)果與討論

2.1恒定曝氣壓力下污水營養(yǎng)物去除效能

2.1.1COD去除效果

見圖2.

圖2　不同壓力條件下COD去除效果

在0.1～0.7 MPa的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增大，COD的去除效果明顯提高.可能由于試驗(yàn)中的一些難以避免的誤差，在壓力增加或時間延長的情況下，有時COD降解效果并未顯著增加，但總體來看，COD隨壓力與時間變化降解規(guī)律明顯，因此并不影響試驗(yàn)效果.在0.0 MPa條件下運(yùn)行時，COD由進(jìn)水的234 mg/L降解到93 mg/L，污泥負(fù)荷為0.24 kg COD/kg MLSS·d.加壓至0.7 MPa運(yùn)行時，COD由245 mg/L降解至33 mg/L，此時污泥負(fù)荷增加至0.56 kg COD/kg MLSS·d.

2.1.2氨氮去除效果

見圖3.

圖3　不同壓力條件下氨氮去除效果

在所有壓力條件下，隨著壓力的增加，NH4+—N的去除效果有了明顯的提高.可能由于試驗(yàn)中的一些難以避免的誤差，在壓力增加或時間延長的情況下，有時氨氮降解效果并未顯著增加，但總體來看，氨氮隨壓力與時間變化降解規(guī)律明顯，因此并不影響試驗(yàn)效果.即隨著壓力的增加，NH4+—N的整體降解效果變好.但改善效果并沒有COD隨壓力變化那么明顯.分析其原因，主要因?yàn)樵撛囼?yàn)中污水沒有經(jīng)過厭氧段、缺氧段來降解COD，導(dǎo)致試驗(yàn)中COD值偏高，而硝化細(xì)菌屬于自養(yǎng)型，在系統(tǒng)內(nèi)競爭不過異養(yǎng)菌，因此影響了硝化作用.即便如此，隨著壓力的增加，仍可以達(dá)到很理想的硝化效果.當(dāng)壓力為0.7 MPa時，污泥質(zhì)量濃度約為2.87 g MLSS/L條件下，經(jīng)過3.0 h的曝氣，氨氮質(zhì)量濃度可以從36.21 mg/L降解到11.82 mg/L.

2.1.3NO3-—N轉(zhuǎn)化情況

見圖4.

圖4　不同壓力條件下NO3-—N轉(zhuǎn)化情況

隨著壓力的逐漸增加，NO3-—N的轉(zhuǎn)化率有明顯地提高，可能由于試驗(yàn)中的一些難以避免的誤差，在壓力增加或時間延長的情況下，有時NO3-—N的轉(zhuǎn)化效果并未增加，但總體來看，隨壓力與時間變化試驗(yàn)規(guī)律明顯，因此并不影響試驗(yàn)效果.特別是壓力比較大運(yùn)行時間比較長時，COD已經(jīng)被大部分降解后，自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌開始活躍起來.NH4+—N的硝化效果更明顯，在圖中體現(xiàn)為此時折線的斜率更陡.結(jié)合3的數(shù)據(jù)得到NH4+—N的降解量遠(yuǎn)大于NO3-—N的產(chǎn)生量，分析原因?yàn)榇蟛糠值幢晃⑸锢茫糠职钡D(zhuǎn)化為了NO2-—N.

2.1.4TP 去除效果

見圖5.

圖5　不同壓力條件下TP的去除情況

在0.1～0.7 MPa的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的逐漸增加，TP的去除情況有明顯地提高，在該實(shí)驗(yàn)條件下，壓力變化對TP的去除影響較NH4+—N更明顯.可能由于試驗(yàn)中的一些難以避免的誤差，在壓力增加或時間延長的情況下，有時TP降解效果并未增加，但總體來看，TP質(zhì)量濃度隨壓力與時間變化降解規(guī)律明顯，因此并不影響試驗(yàn)效果.當(dāng)壓力為0.7 MPa時，在1.5 h內(nèi)，TP質(zhì)量濃度就可以從8.2 mg/L降解到0.3 mg/L.可見該試壓達(dá)到的壓力不會對除磷菌產(chǎn)生影響，除磷效果良好.

2.2變曝氣壓力運(yùn)行對污水營養(yǎng)物去除效能

2.2.1COD去除效果

見圖6.

圖6　變壓力運(yùn)行時COD去除情況

COD的降解效果隨著曝氣壓力的升高呈現(xiàn)顯著下降趨勢，壓力梯度間隔為10 min的批次試驗(yàn)中，在第70 min時，COD質(zhì)量濃度已從320 mg/L下降到約250 mg/L以下.壓力梯度間隔為15 min的批次試驗(yàn)中，在第105 min時，COD質(zhì)量濃度已下降至225 mg/L左右.在壓力梯度間隔為20 min試驗(yàn)中，經(jīng)過140 min的變壓力運(yùn)行，COD質(zhì)量濃度已下降至100 mg/L左右.上述結(jié)果說明曝氣壓力的升高顯著增強(qiáng)了活性污泥對有機(jī)物的降解效能.

2.1.2氨氮去除效果

見圖7.

圖7　變壓力運(yùn)行時氨氮變化情況

氨氮質(zhì)量濃度隨著曝氣壓力的升高呈現(xiàn)顯著下降趨勢，可以看出在曝氣壓力梯度間隔為10 min時，氨氮質(zhì)量濃度在70 min內(nèi)從約45 mg/L降至33 mg/L.在曝氣壓力梯度間隔為15 min時，氨氮質(zhì)量濃度在105 min內(nèi)從約48 mg/L降至30 mg/L左右.在曝氣壓力梯度間隔為20 min時，氨氮質(zhì)量濃度在140 min內(nèi)從約45 mg/L降至22 mg/L.曝氣壓力的升高極大促進(jìn)了氨氮的氧化效率，此過程主要氨氧化細(xì)菌(AOB)為主要的功能微生物，進(jìn)行氨氮的生物氧化過程.

2.1.3NO3-—N轉(zhuǎn)化效果

見圖8.

圖8　變壓力運(yùn)行時硝態(tài)氮變化情況

相對應(yīng)的，硝態(tài)氮含量隨著曝氣壓力的升高呈現(xiàn)顯著升高趨勢，可以看出在曝氣壓力梯度間隔為10 min時，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在70 min內(nèi)從約0 mg/L上升至12mg/L.在曝氣壓力梯度間隔為15min時，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在105 min內(nèi)從約0 mg/L增加至16 mg/L左右.在曝氣壓力梯度間隔為20 min時，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在140 min內(nèi)從約0 mg/L升高至21 mg/L.曝氣壓力的升高極大促進(jìn)了硝態(tài)氮的氧化效率，形成硝酸鹽的積累.

2.1.4TP去除效果

見圖9.

圖9　變壓力運(yùn)行時TP變化情況

TP質(zhì)量濃度隨著曝氣壓力的升高呈現(xiàn)顯著下降趨勢，可以看出在曝氣壓力梯度間隔為10 min時，TP質(zhì)量濃度在70 min內(nèi)從約7 mg/L降至2 mg/L.在曝氣壓力梯度間隔為15 min時，TP質(zhì)量濃度在105 min內(nèi)從約8 mg/L降至0 mg/L左右.在曝氣壓力梯度間隔為20 min時，TP質(zhì)量濃度在140 min內(nèi)從約6.4 mg/L降至約0.01 mg/L.曝氣壓力的升高極大促進(jìn)了TP的轉(zhuǎn)化效率，此過程主要聚磷菌為主要的功能微生物，在好氧條件下對水體中P素進(jìn)行吸收代謝，曝氣壓力的升高顯著促進(jìn)了聚磷菌的好氧吸磷速率.

3　結(jié)　論

1) 恒定高壓力曝氣可顯著強(qiáng)化活性污泥對污水污染物的高效快速降解效能，曝氣壓力在0.5～0.7 MPa左右時，活性污泥對污水污染物的去除效果達(dá)到最優(yōu)，COD質(zhì)量濃度在3 h內(nèi)降解至100 mg/L以下, 氨氮質(zhì)量濃度在15 mg/L以下，TP質(zhì)量濃度在0.5 mg/L以下.

2) 高壓變曝氣壓力亦可強(qiáng)化活性污泥對污染物的降解效能，當(dāng)壓力變化間隔為20 min，即總運(yùn)行時長為140 min時，污染物下降趨勢更為明顯，出水COD質(zhì)量濃度約為100 mg/L左右，氨氮質(zhì)量濃度約20 mg/L左右，TP質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L.

3) 通過提高曝氣壓力強(qiáng)度可以強(qiáng)化水體污染物的生物去除代謝過程，進(jìn)而縮短污染物降解時間，這可為今后受污染水體中特殊污染物的快速去除提供了一個新思路.

[1]吉芳英, 胥馳, 萬小軍, 等. 曝氣量對側(cè)流除磷分段進(jìn)水 SBR脫氮除磷的影響[J]. 中國給水排水, 2010, 26(19): 5-9.

[2]彭趙旭, 彭永臻, 吳昌永, 等. 曝氣量對 SBR工藝同步脫氮除磷的影響研究[J]. 中國給水排水, 2008, 24(3): 13-16.

[3]王佳偉, 周軍, 甘一萍, 等. 溶解氧對 A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響及解決方法[J]. 給水排水, 2009, 35(1): 35-37.

[4]吉芳英, 金展, 郭倩, 等. 溶解氧對低碳源污水一體化處理工藝脫氮除磷的影響[J]. 給水排水, 2014, 40(5): 129-133.

[5]郭海燕, 郭禎, 柳志剛, 等. 不同曝氣強(qiáng)度下SBMBBR和SBR脫氮除磷性能對比研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012(03): 568-576.

[6]趙衛(wèi)兵, 陳天虎, 張強(qiáng), 等. 溶解氧對Biolak型A～2O工藝脫氮除磷性能的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014, 11: 2754-2758.

[7]HOSSEINI M, KHOSHFETRAT A B, SAHRAEI E,etal. Continuous nitrifying granular sludge bioreactor: Influence of aeration and ammonium loading rate [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2014, 92: 869-878.

[8]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

High pressure aeration enhancing nitrogen and phosphorus removal efficiency of activated sludge system for treating domestic wastewater

HE Jun-guo, FENG Jing-han, WANG Yue-fei, XIN Xiao-dong, ZHAO Cong, SHI Xian

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Aeration pressure has a positive impact on the performance of activated sludge process. This paper investigated the performance of nitrification, denitrification and biological phosphorus removal process in an activated sludge system for treating domestic wastewater under different aeration pressures. The enhancing effect on nutrients removal efficiency was illustrated under high aeration pressure. Results showed that an optimal performance was achieved when the aeration pressure ranged from 0.5 to 0.7 MPa under the constant aeration pressure operation with the operational time of 3 h. Effluent COD was below 100 mg/L (removal efficiency exceeded 80%). Ammonium nitrogen was less than 15mg/L in effluent (removal efficiency maintained at 60%). Effluent TP was kept at 0.5 mg/L with the removal efficiency of 95%. When the internal time of aeration pressure change was 20 min (total operation time was about 140 min), an obvious nutrients removal trend emerged under the varying aeration pressure operation. Effluent COD was kept at 100 mg/L (removal efficiency exceeded 60%). Ammonium nitrogen was less than 20 mg/L in effluent (removal efficiency was about 50%). Effluent TP was less than 0.5 mg/L with the removal efficiency of 95%.

high pressure aeration; activated sludge system; nitrogen and phosphorus removal; removal performance

2015-09-29.

國家科技重大專項(xiàng)(2013ZX07201007-002-01)

赫俊國(1970-)，男，博士，教授，研究方向：污水生物處理.

X703

A

1672-0946(2016)04-0435-05