雙級(jí)串聯(lián)變異SBR反應(yīng)器處理堆肥滲濾液的研究

陳計(jì)洋，管錫珺，曹宇浩，宋 潔，陳彥昭，胡文韜(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的迅速提高，人們產(chǎn)生的生活垃圾種類和數(shù)量也是日漸增多[1]，生活垃圾不僅占用土地資源，還會(huì)污染環(huán)境，直接影響人類健康，使得如何合理處理生活垃圾的這一問(wèn)題引起了社會(huì)的高度重視[2].目前生活垃圾的主要處理方式有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥3種，由于堆肥處理工藝簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用適中，且適合于處理易腐有機(jī)物較多的垃圾，所以好氧堆肥是生活垃圾的有效處理方式.然而大部分生活垃圾為廚余垃圾，含水量高，其攜帶的水分成為垃圾滲濾液的主要來(lái)源之一；除此因素外，在露天收集生活垃圾的過(guò)程中降水是不可避免的，這也增加了垃圾的含水量；還有垃圾中含有大量微生物，其降解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物產(chǎn)生的有機(jī)成分也會(huì)滲出，最終形成了一種高濃度有機(jī)廢水——堆肥滲濾液[3].這種液體有機(jī)物濃度高，重金屬含量高，一旦外泄流入地表水，會(huì)產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)和生物作用，所以堆肥滲濾液急需一套專門的處理工藝.本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)組裝的雙級(jí)串聯(lián)變異SBR反應(yīng)器，以間歇進(jìn)水，間歇曝氣[4]的方式運(yùn)行，將COD容積負(fù)荷控制在1.5 kg/(m3·d)的運(yùn)性條件下，通過(guò)分析除碳脫氮效果，尋求最佳的運(yùn)行參數(shù)，然后在該條件下，通過(guò)對(duì)比兩個(gè)不同厚度的葉輪對(duì)堆肥滲濾液的處理效果，得出此反應(yīng)器的最佳運(yùn)行工況.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置為自控進(jìn)水雙級(jí)串聯(lián)變異SBR反應(yīng)器，該反應(yīng)器總?cè)莘e為230 L，兩個(gè)反應(yīng)器的容積分別為150 L(長(zhǎng)×寬×高=0.45 m×0.45 m×0.75 m)和80 L(長(zhǎng)×寬×高=0.35 m×0.35 m×0.65 m)，有效容積分別為120和60 L.為了便于觀察污泥顆粒形態(tài)、曝氣變化、泥水分離狀況以及出水情況，實(shí)驗(yàn)裝置材質(zhì)選用透明有機(jī)玻璃，可以實(shí)時(shí)查看反應(yīng)器的運(yùn)行狀況[5]，以便在處理效果不佳時(shí)及時(shí)調(diào)整方案.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程1—電機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—軸承；4—固定支架；5—進(jìn)氣筒；6—曝氣葉輪；7—溶解氧儀；8—沉淀區(qū)；9—曝氣區(qū)；10—時(shí)間控制器；11—恒流泵；12—排泥口；13—導(dǎo)流管；14—出水口；15—最終出水口；16—導(dǎo)流管

實(shí)驗(yàn)用水儲(chǔ)存于600 L的水箱中，為避免由于沉淀導(dǎo)致水箱上下部分水質(zhì)差異過(guò)大，水箱中設(shè)有攪拌裝置，可以實(shí)現(xiàn)充分混合[6].兩個(gè)變異SBR反應(yīng)器除容積不同外，基本構(gòu)成完全相同.本實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)出水[7]，首先污水通過(guò)恒流泵進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器，待恒流泵停止工作，一級(jí)反應(yīng)器即可曝氣，曝氣結(jié)束后沉淀片刻，然后污水通過(guò)水流通道自下向上進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器，水流通道設(shè)置的目的是防止未處理的水直接進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)器，待進(jìn)水結(jié)束后，二級(jí)反應(yīng)器即可曝氣，曝氣結(jié)束依然需要沉淀后，才可通過(guò)水流通道出水，二級(jí)反應(yīng)器的部分活性污泥回流至一級(jí)反應(yīng)器，且污泥回流比大約控制在40%[8].實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，恒流泵和曝氣裝置的啟動(dòng)均由時(shí)間控制器來(lái)控制.

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本試驗(yàn)用水采用青島市即墨區(qū)溫泉鎮(zhèn)生活垃圾處理廠堆肥滲濾液，定期運(yùn)送到青島理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓，用600 L的水箱儲(chǔ)存，其水質(zhì)特征見表1.

1.3 接種污泥

本實(shí)驗(yàn)所用接種污泥為青島海泊河污水處理廠二沉池回流系統(tǒng)污泥[9]，呈黃褐色，活性比較好，濃度約為5500 mg/L，SVI值約為65 mL/g.其中一級(jí)反應(yīng)器接種量為80 L，二級(jí)反應(yīng)器接種量為45 L[10].

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目及測(cè)試方法

主要檢測(cè)進(jìn)出水的COD、氨氮、總氮、亞硝氮和硝氮濃度，分別用重鉻酸鉀滴定法、納氏試劑分光光度法、過(guò)硫酸鉀氧化法、紫外分光光度計(jì)法和N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法來(lái)測(cè)定；還需要測(cè)定兩級(jí)反應(yīng)器的溶解氧和pH值，分別用溶解氧儀和玻璃電極法測(cè)定.

1.5 污泥馴化

由于滲濾液的水質(zhì)較為復(fù)雜，前8天用自來(lái)水對(duì)滲濾液進(jìn)行稀釋[11]，自來(lái)水所占比例為15%～30%.經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，馴化階段反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)為:周期為3 h，其中進(jìn)水30 min,曝氣2 h，沉淀30 min.此階段水溫為15～20 ℃，pH為7.5～8.2，污泥回流比為30%左右[12].歷時(shí)36 d后，反應(yīng)器的COD總?cè)コ誓芊€(wěn)定達(dá)到93%以上，氨氮總?cè)コ士蛇_(dá)到90%以上,反應(yīng)器已具備一定的抗負(fù)荷沖擊能力.

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及討論

2.1 探求反應(yīng)器在COD容積負(fù)荷為1.5 kg/(m3·d)條件下的最佳運(yùn)行工況

通過(guò)對(duì)污泥馴化階段的反復(fù)調(diào)整，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的特點(diǎn)，制定了3種運(yùn)行工況，見表2，反應(yīng)周期都是6 h[13]，每個(gè)周期進(jìn)水時(shí)間為30 min，每次進(jìn)水量根據(jù)當(dāng)日COD濃度而定，確保COD容積負(fù)荷約為1.5 kg/(m3·d)，然后依次在兩級(jí)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)曝氣，最后沉淀30 min后出水.該階段為第42天到第68天，水溫18～24 ℃，pH為7.3～8.1，污泥回流比為40%.通過(guò)檢測(cè)3種工況下的出水COD濃度和氨氮濃度，對(duì)比COD總?cè)コ屎桶钡側(cè)コ?，進(jìn)而探求COD容積負(fù)荷為1.5 kg/(m3·d)的最佳工況.

表2 COD容積負(fù)荷為1.5 kg/(m3·d)條件下的3種運(yùn)行工況 h

2.1.1 COD去除效果對(duì)比分析

3種運(yùn)行工況下COD的去除效果如圖2所示.從圖2可以看出，工況1的COD總?cè)コ首畹?，處理效果最?第52—56天，隨著進(jìn)水濃度提高，一級(jí)反應(yīng)器COD去除率略有降低，但是總?cè)コ什▌?dòng)不明顯；第62天，進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生明顯變化，一級(jí)反應(yīng)器COD去除率和總?cè)コ识加行》认陆?，但在?4天很快恢復(fù)，這都說(shuō)明了反應(yīng)器可以適應(yīng)水質(zhì)變化的要求.工況2和工況3的COD總?cè)コ氏喈?dāng)，但是考慮到經(jīng)濟(jì)方面，工況3曝氣量大，費(fèi)用會(huì)有所增加，綜合考慮，工況2為最佳選擇.

2.1.2 脫氮效果對(duì)比分析

3種運(yùn)行工況下氨氮的去除效果如圖3所示.從圖3可以看出，進(jìn)水的氨氮濃度在300～450 mg/L，但是碳氮比基本維持在5左右[14]，所以保證了反應(yīng)器的出水水質(zhì)穩(wěn)定.工況1的進(jìn)水氨氮濃度僅在300～320 mg/L，但是出水氨氮濃度在32～40 mg/L，氨氮總?cè)コ蕿?8%左右，而工況2進(jìn)水氨氮濃度約450 mg/L，出水氨氮濃度在29～38 mg/L，氨氮總?cè)コ试?0%～93%，依然可以保持穩(wěn)定的出水水質(zhì)，且在第54天進(jìn)水氨氮濃度急劇上升，雖然對(duì)一級(jí)反應(yīng)器造成了較大沖擊，致使一級(jí)反應(yīng)器的氨氮去除率下降，但是氨氮總?cè)コ什](méi)有受到影響，是因?yàn)槎?jí)反應(yīng)器保證了出水的穩(wěn)定性，表明本實(shí)驗(yàn)裝置具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力.工況1的氨氮總?cè)コ实停治鲈蚴瞧貧鈺r(shí)間不足，溶解氧略低，好氧菌生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致在COD容積負(fù)荷為1.5 kg/(m3·d)條件下硝化反應(yīng)不徹底，所以工況2效果更好.

2.2 不同曝氣葉輪的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)裝置為雙級(jí)串聯(lián)變異SBR反應(yīng)器，歸根到底屬于活性污泥法處理工藝，所以溶解氧的濃度是重要控制條件，而本實(shí)驗(yàn)使用的曝氣裝置是本課題組自主研發(fā)的自吸攪拌式曝氣器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣時(shí)間、葉輪大小以及轉(zhuǎn)速來(lái)控制溶解氧的濃度，以下實(shí)驗(yàn)是通過(guò)選用不同厚度的葉輪，進(jìn)而改變曝氣孔的大小，然后檢測(cè)出水的COD濃度、氨氮濃度、總氮濃度、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，對(duì)比污水處理的效果.本實(shí)驗(yàn)選用了2種不同厚度的曝氣葉輪(具體構(gòu)造如圖4所示)，外徑和內(nèi)徑分別為100和30 mm，厚度(d)分別為2.5和5.0 mm，材質(zhì)均為硬質(zhì)PVC，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格低、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn).兩個(gè)葉輪除了厚度不同，其余方面幾乎無(wú)差異，排除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，更有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析.

圖4 葉輪構(gòu)造1—輪轂; 2—前蓋板; 3—后蓋板; 4—葉片

該階段在COD容積負(fù)荷約為1.5 kg/(m3·d)的條件下進(jìn)行，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)分析，得知工況2處理效果更好，故此階段采用工況2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，穩(wěn)定運(yùn)行18 d.

2.2.1 COD去除效果對(duì)比分析

不同葉輪反應(yīng)器COD的去除效果如圖5和圖6所示.從圖5可以看出，反應(yīng)器進(jìn)水的COD濃度很高，雖然出水濃度在500～900 mg/L，但是COD總?cè)コ室廊环€(wěn)定在97%以上，其中一級(jí)反應(yīng)器的COD去除率就高達(dá)96%，與總?cè)コ什罹嗖淮?，主要是因?yàn)檫M(jìn)水水質(zhì)的可生化性能好，而且一級(jí)反應(yīng)器有效容積大，接種污泥多，去除能力強(qiáng)，故大多數(shù)可降解的有機(jī)污染物可以由一級(jí)反應(yīng)器去除，二級(jí)反應(yīng)器只能去除一級(jí)反應(yīng)器出水剩余的少量有機(jī)物.從圖6可以看出，第86天COD容積負(fù)荷變化幅度較大，導(dǎo)致COD去除率也出現(xiàn)小幅度下降，但是后邊COD容積負(fù)荷繼續(xù)提升，COD去除率并沒(méi)有繼續(xù)下降，說(shuō)明第86天是反應(yīng)器的適應(yīng)期[15].從COD總?cè)コ蕘?lái)看，兩個(gè)葉輪的處理效果差距不大，葉輪2(d= 5 mm)略好一些，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，葉輪1(d=2.5 mm)一級(jí)反應(yīng)器和二級(jí)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速分別為1220和850 r/min; 葉輪2一級(jí)反應(yīng)器和二級(jí)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速分別為1100和600 r/min，所以處理效果相當(dāng)，而葉輪2更加經(jīng)濟(jì)，故從除碳效果來(lái)看，葉輪2為最佳選擇.

2.2.2脫氮效果對(duì)比分析

不同葉輪反應(yīng)器的脫氮效果如圖7—10所示.由圖7得知，兩種葉輪的氨氮總?cè)コ史€(wěn)定在98%左右，處理效果都較好，而圖8中，無(wú)論是一級(jí)反應(yīng)器出水還是二級(jí)反應(yīng)器出水，葉輪2運(yùn)行時(shí)反應(yīng)器的總氮去除率都高于葉輪1運(yùn)行時(shí)反應(yīng)器的總氮去除率.

圖9中葉輪1運(yùn)行時(shí)的一級(jí)反應(yīng)器出水硝態(tài)氮濃度高于進(jìn)水硝態(tài)氮濃度，經(jīng)過(guò)二級(jí)反應(yīng)器處理后出水硝態(tài)氮濃度又有所下降，并且低于一級(jí)反應(yīng)器進(jìn)水硝態(tài)氮濃度，而葉輪2運(yùn)行時(shí)的兩級(jí)反應(yīng)器的出水硝態(tài)氮濃度都低于進(jìn)水硝態(tài)氮濃度，可能是因?yàn)槿~輪2厚度大，則出水孔大，減少對(duì)污泥絮凝體的剪切作用，更有利于帶有氣泡的泥水混合物通過(guò)[16]，且葉輪2轉(zhuǎn)速低于葉輪1，進(jìn)一步減小剪切力，有利于反應(yīng)器缺氧區(qū)的形成，更好地進(jìn)行反硝化反應(yīng)，所以葉輪2運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)器硝態(tài)氮濃度更低.

從圖10中可以看出，葉輪2運(yùn)行中的兩級(jí)反應(yīng)器的亞硝態(tài)氮濃度都高于葉輪1運(yùn)行時(shí)的，經(jīng)查閱有關(guān)資料得知，這是因?yàn)槿~輪2運(yùn)行時(shí)雖然反應(yīng)器出水硝態(tài)氮的濃度低，但是出水孔大，溶解氧濃度高，使得好氧區(qū)可以去除污水中大部分有機(jī)物，所以缺氧區(qū)的碳源并不充足，反硝化反應(yīng)輕微受到限制，導(dǎo)致葉輪2運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)器出水亞硝態(tài)氮略高于葉輪1運(yùn)行時(shí)的，但是從圖中曲線走勢(shì)上看，并沒(méi)有造成亞硝態(tài)氮的積累，所以葉輪2依然是較好的選擇.

3 結(jié)論

從COD、總氮的去除效果方面考慮，COD容積負(fù)荷為1.5 kg/(m3·d)運(yùn)行條件下的3種運(yùn)行工況中，工況2為最佳；兩種厚度的曝氣葉輪運(yùn)行中，葉輪2(d=5.0 mm)運(yùn)行效果較好.即最佳工況為：反應(yīng)周期為6 h，進(jìn)水30 min，一級(jí)反應(yīng)器以曝氣4 h停曝1 h的方式進(jìn)行循環(huán)曝氣，二級(jí)反應(yīng)器以曝氣2 h停曝1 h的方式進(jìn)行循環(huán)曝氣，然后沉淀30 min后出水.該工況下COD總?cè)コ蕿?8.15%，氨氮總?cè)コ蕿?8.54%，總氮總?cè)コ蕿?7.30%.

本實(shí)驗(yàn)用水為堆肥滲濾液，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，水質(zhì)不穩(wěn)定，負(fù)荷波動(dòng)較大，出水COD以及NH3-N濃度雖然濃度較高，但是去除率均呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此本反應(yīng)器有較高的抗沖擊負(fù)荷能力，可以有效地處理高有機(jī)濃度的堆肥滲濾液，并且本工藝運(yùn)行靈活，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，對(duì)工程建設(shè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.