低溶解氧條件下處理模擬城市污水的研究

王雪微，左金龍，李 雪，鄂睿峰，楊鑫國(guó)，陳大祥，王笑悅

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，哈爾濱 150076)

低溶解氧條件下處理模擬城市污水的研究

王雪微，左金龍，李 雪，鄂睿峰，楊鑫國(guó)，陳大祥，王笑悅

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，哈爾濱 150076)

采用SBR工藝，在低溶解氧條件下，對(duì)活性污泥處理污水的效果進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溶解氧質(zhì)量濃度穩(wěn)定在DO=1 mg/L，進(jìn)水0.5 h，兼氧攪拌0.5 h，曝氣3 h時(shí)，達(dá)到最佳去除率.這時(shí)反應(yīng)器出水的COD、氨氮和磷酸鹽的平均質(zhì)量濃度分別為48.46、7.65、0.42 mg/L，其去除率分別為82.73%、80.66%和92.18%.

低溶解氧；活性污泥；SBR工藝

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，隨著人口的繼續(xù)增加，所產(chǎn)生的生活污水量也急劇上升，城市污水組成中大部分來(lái)源于城市居民產(chǎn)生的廢水.城市生活污水主要包括廚房用水、糞便用水、洗滌用水、公共區(qū)域用水等[1]，城市生活污水受居民的生活條件、生活習(xí)慣、生活方式影響.一般情況下，城市生活污水的COD在300 mg/L左右，氨氮質(zhì)量濃度大概在35 mg/L左右，磷酸鹽在5 mg/L左右，pH值一般在7左右[2].如果大量的生活和工業(yè)污水不經(jīng)處理就直接排放到河流中，會(huì)造成嚴(yán)重的水污染.因此，城市污水的處理研究迫在眉睫，那么處理城市污水的研究主要涉及COD、氨氮以及磷酸鹽中磷的去除[3].

在城市污水處理工藝中普遍采用活性污泥法，而DO(溶解氧)又是活性污泥法中最重要的影響因子.在提倡節(jié)能環(huán)保的大形勢(shì)下，有研究提出處理污水在低DO的條件下可取得一定的效果[4]，還能節(jié)約能源.因此低溶解氧條件下，研究城市污水具有一定的實(shí)用意義.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

WT600-2J恒流泵(Longer Pump)；00000249電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)；DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海-恒科技有限公司)；DSX恒速數(shù)顯攪拌器恒速數(shù)(杭州儀表電機(jī)有限公司)；JJ-1增力電動(dòng)攪拌器(上海梅香儀器有限公司)；721E可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司)；ACO-002電磁式空氣壓縮機(jī)(浙江森森實(shí)業(yè)有限公司)； SHZ-D(3) 循環(huán)水式真空泵(河南鞏義市英峪予華儀器廠)；KS01可編程時(shí)控器(溫州大華儀器儀表有限公司)；量筒；濾紙；玻璃棒；抽濾漏斗.

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

氯化銨，葡萄糖，碳酸氫鈉，氯化鈣，硫酸鎂，碳酸鎂，磷酸二氫鉀，磷酸，N-(1-奈基)-乙二胺二酸鹽，鄰苯二甲酸氫鉀，重鉻酸鉀，濃硫酸，硫酸汞，碘化鉀，氯化汞，氫氧化鉀，酒石酸鉀鈉，硫酸銀，鉬酸銨，三氯甲烷.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本試驗(yàn)采用人工模擬污水.人工模擬污水，水質(zhì)穩(wěn)定，并易于在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)需要適時(shí)調(diào)整配水的組分，有利于進(jìn)行基礎(chǔ)研究[5].

1)主要成分：磷酸二氫鉀、葡萄糖、氯化鈣、氯化銨、碳酸鎂、碳酸氫鈉等.

2)營(yíng)養(yǎng)元素：C、N、P、Ca、Mg.

3)調(diào)節(jié)pH值質(zhì)：碳酸氫鈉.

4)配水水質(zhì)：所配污水水質(zhì)情況見(jiàn)表1.

表1 污水水質(zhì)表

2.2 實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)中涉及到的分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

1)COD：分析方法為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法重鉻酸鉀法；2)NH4+—N：分析方法為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法鈉氏試劑分光光度法；3)PO43-—P：分析方法為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法鉬銻抗分光光度法.

2.2.2 SV(污泥沉降比)和MLSS(混合液懸浮固體質(zhì)量濃度)的測(cè)定和計(jì)算方法

1)從反應(yīng)器中取1 L剛曝氣完成的污泥混合液，置于1 000 mL清潔的量筒中.2)取樣完成后，將量筒放回實(shí)驗(yàn)室指定地點(diǎn)，用玻璃棒將量筒中的污泥混合液攪拌均勻后靜置；3)靜置30 min后記錄沉淀污泥層與上清液交界處的刻度值V(污泥所占體積mL)，計(jì)算SV值為V/1 000(%)；4)準(zhǔn)備好的定量濾紙?jiān)?03～105 ℃的干燥箱內(nèi)烘干2 h至恒重，在干燥器中冷卻30 min后稱重，記為m1.5)將濾紙平鋪在抽濾漏斗上，并將測(cè)定過(guò)沉降比的1 L量筒內(nèi)的污泥全部倒入烘干的濾紙，過(guò)濾(用水沖凈量筒，并將水也倒入濾紙)，(沒(méi)有抽濾瓶時(shí)，也可以取少量曝氣池活性污泥，體積記為V1(mL)，如200 mL或300 mL采用漏斗過(guò)濾).6)待完全過(guò)濾后將載有污泥的濾紙放在103～105 ℃的干燥箱中烘干2 h至恒重，在干燥器中冷卻30 min后稱重，記為m2.7)計(jì)算MLSS值，為(m2-m1)/V1的值，單位為mg/L[6].

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目所用各標(biāo)線如圖1～3所示.

圖1 COD標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖3 磷標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

在低溶解氧條件下運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量，使溶解氧質(zhì)量濃度穩(wěn)定在1 mg/L.進(jìn)行周期運(yùn)行：進(jìn)水0.5 h，兼氧攪拌0.5 h，曝氣3 h[7].對(duì)污泥進(jìn)行馴養(yǎng)，一天運(yùn)行4個(gè)周期，一個(gè)周期6 h.一周后正常運(yùn)行.30 min進(jìn)水，30 min攪拌，3 h的曝氣好氧，30 min沉淀，30 min排泥、排水，1 h系統(tǒng)閑置.分別測(cè)定、記錄每一時(shí)段COD、氨氮、磷酸鹽的質(zhì)量濃度，繪制圖表，得出結(jié)論.

3 結(jié)果與討論

3.1 低溶解氧時(shí)SBR工藝活性污泥的效果

3.1.1 低溶解氧時(shí)SBR工藝活性污泥對(duì)COD的處理效果

由圖4可知，進(jìn)水COD平均值為280.67 mg/L，在反應(yīng)器運(yùn)行第30 min時(shí)，COD平均質(zhì)量濃度為114.31 mg/L，此半個(gè)小時(shí)為兼氧階段，菌群處于“饑餓狀態(tài)”，大量分解污水中有機(jī)物，所以COD質(zhì)量濃度急劇下降.反應(yīng)器運(yùn)行30～210 min為好氧階段，此階段菌群利用有機(jī)物趨于飽和狀態(tài)，COD下降較緩慢，最后趨于平穩(wěn).COD出水平均質(zhì)量濃度為48.46 mg/L.活性污泥對(duì)COD的去除率達(dá)到82.73%，去除效果明顯.

圖4 COD的去除效果

3.1.2 低溶解氧時(shí)SBR工藝活性污泥對(duì)氨氮的處理效果

由圖5可知，進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為39.56 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行前為30 min為兼氧階段，在兼氧階段前30 min氨氮處理效果不明顯，反應(yīng)器運(yùn)行30～210 min為好氧階段，從好氧階段開(kāi)始，由于細(xì)菌的反硝化作用使氨氮質(zhì)量濃度急劇下降[8-10]；細(xì)菌的硝化作用使得氨氮的質(zhì)量濃度進(jìn)一步下降，最終趨于平穩(wěn).出水氨氮質(zhì)量濃度為7.65 mg/L.活性污泥對(duì)氨氮的去除率為80.66%，去除效果明顯.

圖5 氨氮的去除效果.

3.1.3 低溶解氧時(shí)SBR工藝活性污泥對(duì)磷酸鹽的處理效果

由圖6可知，進(jìn)水磷酸鹽平均質(zhì)量濃度為5.37 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行前為30 min為兼氧階段，在兼氧階段聚磷菌微生物利用分解胞內(nèi)聚磷(同時(shí)釋放磷)產(chǎn)生能量吸收廢水中的有機(jī)物，并且在胞內(nèi)合成聚羥基丁酸，釋放磷酸鹽，所以磷酸鹽質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)；反應(yīng)器運(yùn)行30～210 min為好氧階段，聚磷微生物利用分解胞內(nèi)的聚羥基丁酸產(chǎn)生的能量吸收磷[11].

圖6 磷酸鹽中磷的去除效果

微生物吸收磷量超過(guò)釋放磷的量，所以磷酸鹽質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì).出水磷酸鹽平均質(zhì)量濃度為0.42 mg/L.活性污泥對(duì)氨氮的去除率為92.18%，去除效果明顯.

3.2 活性污泥SVI的結(jié)果討論

污泥的SVI值是污泥體積指數(shù)，SVI值能較好地反映出活性污泥的松散程度和凝聚沉降性能，SVI=混合液30 min沉降后污泥容積/污泥干重=(SV%×100)/MLSS.良好的活性污泥SVI常在50～120之間.SVI值過(guò)低，說(shuō)明污泥活性不夠，可能是水體中營(yíng)養(yǎng)元素缺失導(dǎo)致.SVI過(guò)高的污泥，說(shuō)明可能發(fā)生污泥膨脹.

本實(shí)驗(yàn)活性污泥的SVI值變化情況如圖7所示.

圖7 污泥的SVI變化圖

由圖7可知，本次試驗(yàn)過(guò)程中活性污泥的SVI值在50～60之間，說(shuō)明污泥活性良好，營(yíng)養(yǎng)比例正常[12]，污泥沒(méi)有發(fā)生膨脹.

4 結(jié) 論

在SBR反應(yīng)器中，對(duì)污泥進(jìn)行培養(yǎng)，得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)活性污泥對(duì)污水的處理效果可知，經(jīng)處理后，COD出水平均質(zhì)量濃度為48.46 mg/L，去除率達(dá)到72.73%；出水氨氮質(zhì)量濃度為7.65 mg/L，去除率為80.66%；出水磷酸鹽平均質(zhì)量濃度為0.42 mg/L，去除率為92.18%.

2)污泥的SVI值在50～60之間，說(shuō)明污泥活性良好，營(yíng)養(yǎng)比例正常，污泥沒(méi)有發(fā)生膨脹.

[1] 王嘯宇, 崔 楊, 陳玫君. 中國(guó)水污染現(xiàn)狀及防治措施[J]. 甘肅科技, 2013, 29(13): 34-35.

[2] 魏 艷, 阮晨蕾. 我國(guó)水環(huán)境污染現(xiàn)狀及處理措施[J]. 北方環(huán)境, 2012, 25(3): 173-174.

[3] 歸顯揚(yáng). 水體富營(yíng)養(yǎng)化及其防治對(duì)策研究[J]. 廣州化工, 2012, 40(13): 12-13.

[4] 胡林林, 王建龍, 文湘華, 等. 低溶解氧條件下生物脫氮研究中的新現(xiàn)象[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2003, 8(4): 444-447.

[5] LI A J, LI X Y, YU H Q. Aerobic sludge granulation facilitated by activated carbon for partial nitrification treatment of ammonia-rich wastewater [J]. Chemical Engineering Journal, 2013, 218(15): 253-259.

[6] 暴瑞玲. 低溫條件下好氧顆粒污泥同步脫氮除磷效能及其過(guò)程研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[7] 候兆超. 低溶解氧SBR運(yùn)行性能及優(yōu)化控制研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué), 2011.

[8] DOAN T V, LEE T K, SHUKLA S K,etal. Increased nitrous oxide accumulation by bioelectrochemical denitrification under autotrophic conditions: Kinetics and expression of denitrification pathway genes [J]. Water Research, 2013, 47(19): 7087-7097.

[9] PAN Y, NI B J, BOND P L,etal. Electron competition among nitrogen oxides reduction during methanol-utilizing denitrification in wastewater treatment [J]. Water Research, 2013, 47(10): 3273-3281.

[10] 格根圖雅, 張 穎,馬國(guó)紅. 廢水生物脫氮處理方法研究[J]. 北方環(huán)境, 2011, 23(10): 158-160.

[11] 高景峰, 陳冉妮, 蘇 凱, 等.好氧顆粒污泥同時(shí)脫氮除磷實(shí)時(shí)控制的研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010, 30(2): 180-185.

[12] 盧然超, 張曉健, 張 悅, 等. SBR工藝污泥顆?；瘜?duì)生物脫氮除磷特性的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 21(5): 577-581.

Study on process of simulation urban wastewater treatment with low dissolved oxygen

WANG Xue-wei, ZUO Jin-long, LI Xue, E Rui-feng, YANG Xin-guo, CHEN Da-xiang, WANG Xiao-yue

(Research Center on Life Sciences and Environmental Sciences, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

The waste water treatment effect of activated sludge under low dissolved oxygen conditions studied using SBR technology. The results indicated that the best removal rate was achieved when the dissolved oxygen concentration was stabilized at 1 mg/L, the time of influent was half an hour, the mixing of facultative anaerobic was also half an hour, and the aeration was 3 hours.Under this conditions, the average concentrations of COD, ammonia nitrogen and phosphate in the reactor effluent were 48.46 mg/L, 7.65 mg/L and 0.42 mg/L, respectively, and the removal rates were 82.73%, 80.66% and 92.18%, respectively.

low dissolved oxygen; activated sludge; SBR technology

2015-10-28.

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201355)

王雪微(1992-)，女，碩士，研究方向：水處理技術(shù)與工藝.

左金龍(1970-)，男，博士，教授，研究方向：水處理技術(shù)與工藝.

X703

A

1672-0946(2017)01-0019-03