低溫下微膨脹活性污泥法處理生活污水的研究

劉旭東,張躍瀚,王海曼,趙昊然

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

污泥微膨脹是在低溶解氧條件下處理活性污泥,使絲狀菌過(guò)度繁殖,在污泥負(fù)荷與溫度等條件的控制下,使SVI值保持在150 ～250 mL/g,出水水質(zhì)與節(jié)能都較正常活性污泥更有優(yōu)勢(shì)[1-3]。微膨脹活性污泥法的啟動(dòng)受眾多因素影響,其中溫度、pH、溶解氧質(zhì)量濃度均為重要因素。筆者在7～20 ℃不同低溫條件下,啟動(dòng)微膨脹活性污泥,分析低溫下微膨脹活性污泥法對(duì)污染物的去除效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

筆者采用4個(gè)容積為6L的SBR1,SBR2,SBR3,SBR4裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見圖1)。

圖1 SBR裝置Fig.1 Single SBR device

1.2 反應(yīng)器啟動(dòng)

采用厭氧-好氧-缺氧運(yùn)行模式,反應(yīng)器的運(yùn)行周期為8 h,每天運(yùn)行3個(gè)周期,每個(gè)周期內(nèi)進(jìn)水、厭氧段、曝氣段、缺氧段、沉淀段、出水、閑置的時(shí)間分別為 10、120、200、60、60、10、20 min。并在后置缺氧段投加甲醇作為反硝化碳源[4-5]。初始溫度分別控制在20 ℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

反應(yīng)器進(jìn)水均采用人工模擬生活污水。配置藥劑為:葡萄糖投加量為0.2～0.4 g/L;氯化銨為0.08～0.15 g/L;磷酸二氫鉀為0.018～0.03 g/L;碳酸氫鈉為0.4～0.6 g/L;硫酸鎂為0.08 g/L;氯化鈣為0.05 g/L。

1.4 實(shí)驗(yàn)污泥

SBR反應(yīng)器中使用的污泥來(lái)自沈陽(yáng)北部污水處理廠的二沉池。先用人工模擬生活污水悶爆,7 d左右活性污泥SVI值穩(wěn)定在95～105 mL/g,將此狀態(tài)活性污泥投入實(shí)驗(yàn)。

1.5 分析項(xiàng)目和檢測(cè)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 微膨脹活性污泥法的啟動(dòng)條件

2.1.1 20 ℃時(shí)的啟動(dòng)條件

SBR1溫度保持在20 ℃。污泥負(fù)荷為0.4 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度控制在0.3 mg/L,運(yùn)行6個(gè)周期,污泥SVI值從95～105 mL/g升至210～235 mL/g。SBR小試對(duì)絲狀細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖有較大的抑制作用,故將污泥負(fù)荷調(diào)低,降至0.24 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度不變,觀察14 d,SVI值逐漸降至143～150 mL/g,在第10天穩(wěn)定,成功啟動(dòng)微膨脹活性污泥狀態(tài)。

2.1.2 15 ℃時(shí)的啟動(dòng)條件

SBR2反應(yīng)器污泥負(fù)荷為0.4 kg/(kg·d)保持不變,DO質(zhì)量濃度控制在0.3 mg/L,溫度調(diào)至15 ℃,運(yùn)行6個(gè)周期,污泥SVI值從95～105 mL/g升至225～265 mL/g。SBR小試對(duì)絲狀細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖有較大的抑制作用,故將污泥負(fù)荷調(diào)低,降至0.18 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度不變,觀察14 d,SVI值逐漸降低,第9天降172 mL/g,在第11天趨于穩(wěn)定,成功啟動(dòng)微膨脹活性污泥狀態(tài)。

2.1.3 10 ℃時(shí)的啟動(dòng)條件

SBR3反應(yīng)器污泥負(fù)荷為0.4 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度控制在0.3 mg/L,溫度降至10 ℃,運(yùn)行6個(gè)周期,污泥SVI值從100 mL/g左右迅速升至366 mL/g,且污泥仍繼續(xù)惡化膨脹,通過(guò)改變DO濃度等方法無(wú)法改變污泥惡化膨脹狀態(tài)。將惡化的活性污泥重新進(jìn)行悶爆,DO質(zhì)量濃度為3 mg/L,溫度調(diào)至25 ℃,惡化膨脹狀態(tài)逐漸得到恢復(fù),悶爆第10天,SVI降至168 mL/g。繼續(xù)悶爆36個(gè)周期,使污泥恢復(fù)至最初狀態(tài),SVI值非常穩(wěn)定保持在100 mL/g左右[6]。重新測(cè)試10 ℃溫度下微膨脹活性污泥法能否成功啟動(dòng)。分析之前污泥負(fù)荷過(guò)高導(dǎo)致低溫條件下絲狀菌過(guò)度繁殖,故將反應(yīng)器溫度調(diào)至10 ℃,污泥負(fù)荷降到0.08 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度保持不變,調(diào)整好參數(shù)后觀察污泥狀態(tài)。3 d后SVI值升至180 mL/g,繼續(xù)反應(yīng)10 d,污泥持續(xù)惡化膨脹,SVI提升至峰值288 mL/g,然后緩慢下降,最終SVI值保持在185～195 mL/g.次反應(yīng)器溫度降幅過(guò)大導(dǎo)致污泥惡化膨脹速度過(guò)快。

對(duì)SBR2中處于微膨脹狀態(tài)的污泥進(jìn)行悶爆,與之前悶爆條件一致,7 d后污泥SVI穩(wěn)定在100～105 m L/g,將SBR2溫度降低到10 ℃,污泥負(fù)荷不變化,DO質(zhì)量濃度降低到0.3 mg/L,第6個(gè)周期污泥SVI值增加到288 mL/g,惡化膨脹速度明顯低于由20 ℃驟降至10 ℃的過(guò)程。而且將DO質(zhì)量濃度提升至3 mg/L進(jìn)行悶爆后,無(wú)需改變溫度也可恢復(fù)沉降性能較好的污泥狀態(tài)。因此降溫幅度對(duì)微膨脹狀態(tài)的影響較大,降溫幅度與污泥SVI值成正相關(guān),降溫幅度越大,微膨脹狀態(tài)污泥SVI值越高,且活性污泥惡化情況越嚴(yán)重。

2.1.4 7 ℃時(shí)的啟動(dòng)條件

由于溫度降幅影響污泥活性,過(guò)大的降幅會(huì)導(dǎo)致污泥惡化速率提高,且7 ℃的低溫條件不適合絲狀菌生長(zhǎng)繁殖,減少溫度降幅,故SBR4依舊保持20～10 ℃的降幅,當(dāng)溫度穩(wěn)定10 ℃后降低污泥負(fù)荷至0.03 kg/(kg·d),DO質(zhì)量濃度不變。3 d后SVI值升至283 mL/g,污泥結(jié)構(gòu)松散,為防止活性污泥惡化,DO質(zhì)量濃度提升至0.5 mg/L;3 d后SVI升至315 mL/g,提升速度明顯減慢;第8天達(dá)到了峰值317 m L/g,然后開始下降,繼續(xù)觀察10 d后活性污泥SVI穩(wěn)定在230～235 mL/g。

2.2 小幅度連續(xù)降溫對(duì)污泥狀態(tài)的影響

為驗(yàn)證連續(xù)降溫和溫度驟降對(duì)污泥狀態(tài)的影響,使用SBR1,采用人工配置生活污水馴化的污泥進(jìn)行連續(xù)降溫實(shí)驗(yàn),分別由20 ℃降至15 ℃,10 ℃后成功啟動(dòng)微膨脹活性污泥法(見圖2)。

圖2 連續(xù)降溫污泥SVI值變化曲線Fig.2 Sludge SVI value change curve in continuous cooling test

在20 ℃條件下,污泥負(fù)荷控制在0.22 kg/(kg·d),控制DO質(zhì)量濃度0.3 mg/L,反應(yīng)10 d,第2天SVI增至212 mL/g,第3天達(dá)到峰值后開始下降,在第8天基本維持在148 mL/g左右;DO質(zhì)量濃度保持不變,降溫至15 ℃,將污泥負(fù)荷調(diào)制0.18 kg/(kg·d),SVI值不斷升高,66個(gè)周期后達(dá)到了峰值192 mL/g,開始下降并在30個(gè)周期后活性污泥狀態(tài)穩(wěn)定,SVI穩(wěn)定在161 mL/g;繼續(xù)降溫并調(diào)節(jié)污泥負(fù)荷值,連續(xù)降溫更有利污泥達(dá)到微膨脹狀態(tài),且由于受到的溫度波動(dòng)幅度較小,在極低溫度下可通過(guò)不采取悶爆的措施逐漸恢復(fù)微膨脹狀態(tài),但連續(xù)降溫具有不可逆性,故與單獨(dú)裝置降溫相比,單獨(dú)降溫更有利于對(duì)污染物去除效果的研究。污泥負(fù)荷為0.08 kg/(kg·d)時(shí),污泥在第50天SVI穩(wěn)定為187 mL/g。

2.3 微膨脹狀態(tài)下溫度對(duì)污染物去除率的影響

2.3.1 對(duì)COD去除率的影響

在SBR1中進(jìn)行小幅連續(xù)降溫試驗(yàn),系統(tǒng)取得了較好的污染物去除效果(見表3)。COD質(zhì)量濃度與去除率隨時(shí)間變化如圖3所示。

表3 低溫條件下COD平均進(jìn)水出水質(zhì)量濃度Table 3 Average concentration of COD in and out water at low temperature

圖3 COD質(zhì)量濃度與去除率隨時(shí)間變化Fig.3 COD mass concentration and removal rate changes with time under cooling conditions

在4個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行條件下,COD平均去除率分別為88%,84.3%,75%,47.8%。由此可得出結(jié)論,微膨脹狀態(tài)下,SBR小試溫度控制在20～10 ℃,溫度越低COD出水質(zhì)量濃度越高,去除率越低[7-12]。溫度控制在10～7 ℃,污泥惡化膨脹,COD出水濃度升高,去除率進(jìn)一步降低。

表4 低溫條件下平均進(jìn)水出水質(zhì)量濃度Table 4 Average concentration of in and out water at low temperature

圖4 降溫條件下質(zhì)量濃度與去除率隨時(shí)間變化情況Fig.4 Changes of mass concentration and removal rate with time under cooling conditions

在4個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行條件下,氨氮平均去除率分別為82.3%,78.3%,51.9%,37.6%。由此可得出結(jié)論,微膨脹狀態(tài)下,氨氮去除率受溫度影響較大,溫度越低,氨氮去除率越低。

表5 低溫條件下平均進(jìn)水出水質(zhì)量濃度Table 5 Average mass concentration of in and out water at low temperature

圖5 降溫條件下質(zhì)量濃度與去除率隨時(shí)間變化情況Fig.5 Changes in the mass concentration and removal rate of over time under cooling conditions

2.3.4 對(duì)TN去除率的影響

SBR1的TN去除率為62%;SBR2,TN的去除率為59%;SBR3的TN的去除率為54%;SBR4的TN的去除率為44%。溫度降低,硝化細(xì)菌生長(zhǎng)速率變慢,硝化反應(yīng)速度變慢,TN出水濃度變高,去除率降低。不同溫度下各污染物去除情況如圖6所示。

圖6 不同溫度下微膨脹狀態(tài)對(duì)污染物的去除情況Fig.6 Pollutant removal rate at a slightly expanded state at different temperatures

2.4 低溫微膨脹狀態(tài)下提高去除率方法

保持SBR2,SBR3運(yùn)行,好氧段調(diào)至240 min,12 d后分別在10 ℃和7 ℃的條件下保持微膨脹狀態(tài)穩(wěn)定。氨氮出水質(zhì)量濃度降低,兩個(gè)反應(yīng)器平均去除率分別達(dá)到了73%和58%(見圖7)。

圖7 改善條件后單周期的質(zhì)量濃度變化Fig.7 In single-cycle mass concentration changes after improving conditions

3 結(jié) 論

(1)降溫幅度影響活性污泥膨脹,降幅小則膨脹速度慢,且降幅越大,活性污泥惡化越嚴(yán)重。

(2)污泥沉降狀態(tài)受降溫方式影響,連續(xù)降溫比溫度驟降更能降低污泥惡化膨脹狀態(tài)。