低溶解氧條件下分段進(jìn)水對SBR工藝脫氮除磷效果的影響研究

王珍寶，施春紅，黃曉龍，姜　凱

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.北京科技大學(xué)工業(yè)典型污染物廢物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

目前，城市生活污水多采用活性污泥法處理，但在運(yùn)行過程中存在弊端：其一是剩余活性污泥處理問題，微生物進(jìn)行新陳代謝，2/3的能量用于細(xì)胞合成，造成剩余污泥增值迅速，其處理費(fèi)用占整個運(yùn)行成本一半以上；其二是能耗問題，活性污泥工藝處理城市污水過程中電耗費(fèi)用占常規(guī)運(yùn)行成本的1/3以上。針對城市生活污水處理中產(chǎn)生活性污泥的問題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，如閆駿等[1]研究表明，人為控制低碳氮比(C/N)，應(yīng)用同步硝化反硝化原理[2]，限制微生物對碳源的需求，保持同等處理效果下，可降低污泥產(chǎn)率；陳麗麗[3]的研究表明，通過控制活性污泥系統(tǒng)處于低溶解氧(DO)狀態(tài)，會產(chǎn)生微污泥膨脹，可使處理效果提高，同時降低了能耗；Meng等[4]研究表明，低DO狀態(tài)下，活性污泥產(chǎn)率的下降可使活性污泥量也有所減少[4]；胡遠(yuǎn)志等[5]研究表明，選用SBR反應(yīng)器，在低DO條件下，采用二段進(jìn)水方式，可提高聚磷菌和反硝化細(xì)菌對進(jìn)水中碳源的競爭力，避免了外加碳源，同時降低了運(yùn)行成本。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，開展了低DO條件下分段進(jìn)水SBR運(yùn)行模式的試驗(yàn)研究，對比分析了4種低DO條件下傳統(tǒng)SBR工藝與分段進(jìn)水SBR運(yùn)行模式的脫氮除磷效果，為分段進(jìn)水處理城市生活污水提供理論依據(jù)和實(shí)踐建議。

1　材料與方法

1. 1　試驗(yàn)裝置與運(yùn)行

試驗(yàn)裝置見圖1。該裝置由有機(jī)玻璃制成，高400 mm，直徑190 mm，有效容積為11.3 L；在SBR反應(yīng)器壁上設(shè)有出水口(距離底部200 mm)，反應(yīng)器底部設(shè)置排泥管；以微孔曝氣盤進(jìn)行曝氣，采用鼓風(fēng)曝氣，以轉(zhuǎn)子流量計(jì)(LZB-3WB，常用雙環(huán)熱工儀表有限公司)調(diào)節(jié)曝氣量；通過加熱器(300W，德國EHEIM GmbH&Co.Kc)控制水溫，通過蠕動泵(BT300K，保定創(chuàng)銳泵業(yè)有限公司)控制出水。SBR反應(yīng)器運(yùn)行方式如下:2周期/d，一段采用進(jìn)水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥；二段采用進(jìn)水—缺氧—好氧—缺氧攪拌—進(jìn)水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥，詳見表1。

圖1　試驗(yàn)裝置圖Fig.1　Experimental device diagram

1. 2　進(jìn)水水質(zhì)和接種污泥

SBR反應(yīng)器的進(jìn)水采用人工配水方式，取原水稀釋再加NaCl、K2HPO4、鄰苯二甲酸氫鉀和葡萄糖等進(jìn)行配水(原水取自城市生活區(qū)的化糞池污水)，試驗(yàn)期進(jìn)水水質(zhì)見表2。接種污泥取自某污水處理廠二沉池回流污泥，SBR反應(yīng)器初始活性污泥濃度為2 000 mg/L。

表1　不同進(jìn)水方式SBR反應(yīng)器的運(yùn)行時間安排Table 1　SBR reactor operation schedule for different influent modes

表2　SBR反應(yīng)器試驗(yàn)期進(jìn)水水質(zhì)Table 2　Water quality of SBR reactor in the test period

1. 3　分析方法

2　結(jié)果與分析

2.1　不同低溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式對有機(jī)物去除效果的影響

2.1.1對CODCr去除效果的影響

試驗(yàn)在厭氧/缺氧—好氧和厭氧/缺氧—好氧—缺氧—好氧條件下運(yùn)行SBR反應(yīng)器，通過控制氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)好氧段DO濃度，研究傳統(tǒng)SBR工藝和分段進(jìn)水SBR兩種運(yùn)行模式對CODCr的去除效果，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

(1) 一段進(jìn)水方式，SBR反應(yīng)器從啟動期到穩(wěn)定期，采用4種不同DO條件(DO濃度分別為1.0 mg/L、0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L)，其運(yùn)行結(jié)果[見圖2(a)、(b)、(c)、(d)]顯示，SBR反應(yīng)器穩(wěn)定出水中CODCr濃度分別為12.6 mg/L、10.0 mg/L、2.2 mg/L和9.6 mg/L，CODCr平均去除率分別為89%、92%、98%和92%。這是因?yàn)橐欢芜M(jìn)水在C/N<5、碳源不足和低DO條件下，SBR反應(yīng)器發(fā)生了活性污泥微膨脹[6]，污泥微膨脹主要是發(fā)生絲狀菌膨脹[7]，在低DO濃度下，絲狀菌比菌膠團(tuán)細(xì)菌更容易獲得DO使其生長繁殖，當(dāng)DO濃度<1.5 mg/L時，隨著DO濃度的降低，絲狀菌數(shù)量增加，吸附和吸收的有機(jī)質(zhì)增加，CODCr出水濃度降低，其去除率提高。

圖2　不同溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對CODCr的去除效果Fig.2　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on CODCr removal under different dissolved oxygen conditions

(2) 二段進(jìn)水方式，采用4種不同DO條件下，SBR反應(yīng)器出水CODCr濃度相比一段進(jìn)水分別上升到18.1 mg/L、19.2 mg/L、24 mg/L和22.8 mg/L，CODCr去除率分別減少了17%、18%、21%和22%。這是因?yàn)槎芜M(jìn)水增加了有機(jī)物負(fù)荷梯度和DO濃度梯度，抑制了絲狀菌的生長繁殖，相比一段進(jìn)水降低了CODCr的去除率。該試驗(yàn)結(jié)果與鞏有奎等[8]、趙娜[9]、劉山虎等[10]的研究結(jié)果有出入，當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L時，CODCr的去除效果削減得最少，異氧菌和絲狀菌生長相比其他低DO條件下更好。

2.1.2對總氮(TN)去除效果的影響

試驗(yàn)采用4種不同低DO條件下，考察了一段和二段兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對TN的去除效果，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　不同溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對TN的去除效果Fig.3　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TN removal under different dissolved oxygen conditions

由圖3(a)可見，當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L時，經(jīng)一段和二段進(jìn)水處理穩(wěn)定后，一段和二段出水中TN均值分別為17.4 mg/L、12.7 mg/L，TN去除率分別為45%、62%；當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L左右時，活性污泥發(fā)生微膨脹，為同步硝化反硝化(SND)提供了理想條件，部分氮通過SND[12-13]轉(zhuǎn)化，降低了對碳源的需求量，從而提高了TN的去除率。

由圖3(b)、(c)、(d)可見，當(dāng)DO濃度分別為0.8 mg/L、0.5 mg/L和1.5 mg/L時，一段和二段出水中TN均值分別為19.5 mg/L、18.6 mg/L、21.6 mg/L和13.0 mg/L、14.4 mg/L、13.1 mg/L，TN去除率均值分別為38%、41%、31%和54%、50%、52%。從有利于TN去除效率的角度來看，一段進(jìn)水條件下對DO濃度的排序?yàn)?.0 mg/L>0.5 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L，二段進(jìn)水條件下對DO濃度的排序?yàn)?.0 mg/L>0.8 mg/L>1.5 mg/L>0.5 mg/L。由此可見，在低DO條件下處理低C/N生活污水，二段進(jìn)水比一段進(jìn)水對TN的去除效率更高，該研究結(jié)果與劉晨等[14]的研究結(jié)果基本相似。

2.1.3對總磷(TP)去除效果的影響

試驗(yàn)采用4種不同DO條件下，考察了一段和二段兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對TP的去除效果，其試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4　不同溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式的SBR對TP的去除效果Fig.4　　　　Effect of SBR reactors of two water feeding patterns on TP removal under different dissolved oxygen conditions

由圖4可見，一段和二段穩(wěn)定期出水中TP均值分別為3.3 mg/L、3.4 mg/L、3.5 mg/L、3.6 mg/L和2.6 mg/L、2.8 mg/L、2.9 mg/L、3.05 mg/L，TP去除率分別為25.5%、21.8%、21%、18.5%和44.7%、40%、37.7%、33.7%；二段進(jìn)水方式比一段進(jìn)水方式TP的去除效率更好，且在4種DO條件下，當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L時，TP去除率提高了20.2%；結(jié)合圖4和圖3進(jìn)行分析，二段進(jìn)水比一段穩(wěn)定期出水TN濃度更低，這是因?yàn)橄鯌B(tài)氮進(jìn)行反硝化吸收的能源更低，從而提高了聚磷菌吸收VFA的比例。

2.2　不同低溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式對活性污泥性能的影響

試驗(yàn)采用4種不同DO條件下，考察了一段和二段兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對活性污泥SVI和MLSS的去除效果，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

在不外加碳源、進(jìn)水C/N<4、有機(jī)負(fù)荷為0.1～0.2 kgCOD/(kgMLSS·d)時，SBR反應(yīng)器中活性污泥處于微膨脹狀態(tài)。根據(jù)鞠宇平等[15]、陳瀅等[16]、侯兆超[17]的研究表明，在此負(fù)荷下，當(dāng)DO濃度在0.3～0.7 mg/L之間時，SVI濃度可在150～200 mg/L內(nèi)保持穩(wěn)定。

由圖5可見，在一段進(jìn)水方式下，當(dāng)DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應(yīng)器中活性污泥的SVI濃度維持在140～250 mg/L以內(nèi)，SVI濃度隨DO濃度的升高而升高；SBR反應(yīng)器的污泥齡SRT控制在45 d，MLSS濃度在800～1 500 mg/L以內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定，表觀上活性污泥產(chǎn)率降低，實(shí)現(xiàn)了污泥減量化，該研究結(jié)果與徐宇峰[18]的研究結(jié)果基本相似。在二段進(jìn)水方式下，當(dāng)DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應(yīng)器中活性污泥的SVI濃度穩(wěn)定在120～160 mg/L以內(nèi)，相比一段進(jìn)水SVI濃度有所降低，活性污泥沉降性能有所改善；當(dāng)DO濃度為1.5 mg/L時，SBR反應(yīng)器中活性污泥的SVI濃度穩(wěn)定為100 mg/L；當(dāng)DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時，MLSS濃度在700～1 000 mg/L之間，相比一段進(jìn)水MLSS濃度更低。

圖5　　　　不同溶解氧條件下兩種進(jìn)水方式的SBR反應(yīng)器對活性污泥SVI和MLSS的去除效果Fig.5　　　　Effect of SBR reactor of two water feeding patterns on the removal of SVI and MLSS of activated sludge under different dissolved oxygen conditions

3　結(jié)　論

針對傳統(tǒng)生物法處理低C/N生活污水存在曝氣量過量、有機(jī)碳源不足和脫碳效率低等問題，本文提出了新型SBR運(yùn)行模式(低DO、分段進(jìn)水SBR工藝)，該模式通過控制曝氣量，實(shí)現(xiàn)了低DO，避免了DO過飽和，并優(yōu)先利用原水中的可生物降解的CODCr而減少了外加碳源。

(1) 傳統(tǒng)SBR工藝中，CODCr去除率達(dá)90%以上，與之相比二段進(jìn)水方式下其去除率下降了20%。

(2) 采用4種不同DO(DO濃度分別為1.5 mg/L、1.0 mg/L、0.8 mg/L和0.5 mg/L)條件，在一段進(jìn)水方式下，當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L時，SBR反應(yīng)器對TN去除效率最佳，二段進(jìn)水方式下其TN去除率為62%，比一段進(jìn)水提高了17%。

(3) 采用4種不同DO條件，在二段進(jìn)水方式下，當(dāng)DO濃度為1.0 mg/L時，SBR反應(yīng)器對TP的去除效果最佳，TP去除率達(dá)45%；SBR反應(yīng)器中活性污泥MLSS濃度從2 000 mg/L衰減到1 000 mg/L，在表觀上活性污泥的產(chǎn)率降低，實(shí)現(xiàn)了污泥減量化；當(dāng)DO濃度在0.5～1.0 mg/L之間時，SBR反應(yīng)器中活性污泥的SVI濃度穩(wěn)定在100～150 mg/L以內(nèi)，活性污泥發(fā)生了微膨脹。

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