厭氧/缺氧/好氧序批式反應(yīng)器處理養(yǎng)殖尾水的脫氮除磷性能研究

楊名帆，石婷宇，羅國芝,2,3，譚洪新,2,3，劉文暢,2,3

(1上海海洋大學(xué) 上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2 上海市水產(chǎn)動(dòng)物良種創(chuàng)制與綠色養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306;3 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306)

目前，國內(nèi)現(xiàn)階段的污水處理技術(shù)主要分為兩大類：生物法和物理化學(xué)法[1]。物理化學(xué)法分為化學(xué)沉淀法[2]、電絮凝法[3]、結(jié)晶法[4]、吸附法[5]等。生物法分為微生物法[6]和水生生物法[7]。在日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)下，生物法和物理化學(xué)法相結(jié)合的處理方式成為主流。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，養(yǎng)殖方式逐漸向著集約化工廠化的養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變[8]。養(yǎng)殖魚類所產(chǎn)生的排泄物等都會(huì)使水體中的氮、磷等逐漸積累，致使水體惡化[9]。

普通的厭氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工藝可以實(shí)現(xiàn)污水的同步脫氮除磷效果，并且具有運(yùn)行方便、成本低、水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time，HRT)短等優(yōu)點(diǎn)[10]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

A2/O工藝流程圖如圖1所示。

自制A2/O-SBR反應(yīng)器有效體積為77 L，共有4個(gè)格室。其中：第1個(gè)為厭氧格；第2個(gè)為缺氧格，缺氧、厭氧格都分別有一根攪拌電機(jī)來進(jìn)行污泥的充分?jǐn)嚢?，控制厭氧格溶?Dissolved Oxygen，DO)約為0 mg/L，缺氧格DO約在0.2 mg/L以下；第3、4格為好氧格，在好氧格中，每個(gè)分別由2個(gè)曝氣盤來提供微生物所需的氧氣，通過氣體流量計(jì)控制好氧池的DO在2～5 mg/L[14]。厭氧、缺氧、好氧格室比例為1∶1∶2。在反應(yīng)器中加入取自上海海洋大學(xué)3號(hào)門循環(huán)水養(yǎng)殖工程研發(fā)平臺(tái)中的生物絮團(tuán)替代污水廠處理的厭氧段活性污泥，混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS)為2 000～3 000 mg/L，保持反應(yīng)器的攪拌電機(jī)攪拌速率為80～120 r/min，使得反應(yīng)器中污泥始終不沉降。整個(gè)試驗(yàn)過程通過蠕動(dòng)泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)始終保持進(jìn)水150 mL/min，保持水力停留時(shí)間(HRT)為8.8 h，厭氧、缺氧、好氧、沉淀階段分別為2.6、2.6、5.2、1 h，放出上清液，污泥齡控制在15 d。平時(shí)通過便攜式多功能參數(shù)水質(zhì)分析儀(Multi 3430，WTW，德國)來控制反應(yīng)器的pH在7.00～8.00，溫度(T)在25 ℃左右，監(jiān)測(cè)厭氧/缺氧/好氧格的DO在正常范圍內(nèi)運(yùn)行，A2/O-SBR反應(yīng)器流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1 進(jìn)水；2 原水箱；3 蠕動(dòng)泵；4 厭氧格；5 缺氧格；6 好氧格；7 電磁攪拌器；8 曝氣頭；9 羅茨鼓風(fēng)機(jī)；10 氣體流量計(jì)；11 出水；12 二沉池；13 剩余污泥；14 內(nèi)回流；15 外回流

1.2 反應(yīng)器的啟動(dòng)

利用A2/O-SBR反應(yīng)器，以硝酸鹽氮為電子受體富集反硝化聚磷菌，分三階段[15]在上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命科學(xué)學(xué)院室溫24～30℃進(jìn)行試驗(yàn)。

第一階段是聚磷菌的活化，取之前試驗(yàn)剩下的好氧除磷效果的活性污泥接種到新的BFT中，MLSS控制在 2 500 ～3 500 mg/L之間，以每周期約6.5 h，按照進(jìn)水時(shí)間10 min，絮團(tuán)厭氧釋磷時(shí)間為2.6 h，好氧聚磷時(shí)間為2.6 h，沉淀池加上排水時(shí)間為40 min方式啟動(dòng)運(yùn)行反應(yīng)器，每天運(yùn)行3周期，這個(gè)階段污泥齡(SRT)控制在15 d左右，厭氧格氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potential，ORP)控制在-150～-220 mV，好氧格控制在 80～100 mV，共運(yùn)行15周期為后面兩個(gè)階段的反硝化聚磷菌的富集做好準(zhǔn)備。

第二階段是反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs)的富集，將第一階段培養(yǎng)出來的高效的好氧聚磷污泥，用進(jìn)水10 min，厭氧釋磷2.6 h，沉淀30 min，排水10 min 即先進(jìn)行(1)厭氧釋磷2.6 h；(2) 40 min沉淀排水；(3)加入不含COD(不添加乙酸鈉)的模擬含磷尾水(表1)，泥水混合后水中的COD質(zhì)量濃度<40 mg/L，同時(shí)向系統(tǒng)投加一定量的硝酸鉀藥品將使N∶P=2∶1，缺氧聚磷2.6 h；(4)40 min沉淀排水。該階段每天運(yùn)行3周期，污泥濃度控制在2 500～3 500 mg/L，污泥齡為15 d左右，缺氧格ORP控制在-100～-150 mV，厭氧格ORP控制在-150～ -220 mV，共運(yùn)行20 d。本階段的目的是去除常規(guī)的反硝化菌(僅有反硝化作用而無聚磷作用)，對(duì)利用硝酸鹽氮為電子受體的反硝化聚磷菌進(jìn)行選擇性富集。

第三階段是保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，用進(jìn)水時(shí)間20 min，厭氧釋磷時(shí)間為 2.6 h，缺氧聚磷時(shí)間為2.6 h沉淀格沉淀時(shí)間為30 min，排水時(shí)間為10 min的方式運(yùn)行，即將第二階段富集到反硝化聚磷菌的污泥與人工合成尾水(表2)混合后，進(jìn)行厭氧釋磷2.6 h，向系統(tǒng)投加一定量的硝酸鉀其濃度為N∶P=2∶1 進(jìn)行缺氧格聚磷2.6 h，最終經(jīng)30 min沉淀排水。該段污泥濃度為3 500 mg/L左右，泥齡控制在15 d左右，每天運(yùn)行3周期，共運(yùn)行15 d，該階段目的是在第二階段反硝化聚磷菌已經(jīng)富集到一定量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步保持體系的穩(wěn)定性，測(cè)定除磷率可達(dá)80%以上。

1.3 配置模擬養(yǎng)殖尾水

養(yǎng)殖尾水具有高硝酸鹽氮的特征[16]，試驗(yàn)用的模擬養(yǎng)殖尾水通過乙酸鈉提供碳源維持碳氮比，硝酸鉀提供氮源質(zhì)量濃度控制在50 mg/L，磷酸二氫鉀提供磷含量質(zhì)量濃度控制在10 mg/L，通過鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH，具體配方[17]如表1所示。

表1 模擬養(yǎng)殖尾水配方

1.4 生物絮團(tuán)廢水和循環(huán)水養(yǎng)殖尾水指標(biāo)

試驗(yàn)所用的循環(huán)水尾水和生物絮團(tuán)尾水取自上海海洋大學(xué)3號(hào)門循環(huán)水養(yǎng)殖工程研發(fā)平臺(tái)正常運(yùn)行的1號(hào)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的羅非魚養(yǎng)殖槽，利用抽水泵抽取養(yǎng)殖槽水體，取出后沉淀30 min，取出上清液200 L作為試驗(yàn)用水，其中pH為7.49±0.5，其他指標(biāo)如表2所示。

表2 水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)尾水指標(biāo)

生物絮團(tuán)廢水取自上海海洋大學(xué)三號(hào)門循環(huán)水養(yǎng)殖工程研發(fā)平臺(tái)利用生物絮凝技術(shù)的正常養(yǎng)蝦的生物絮團(tuán)上層清液，具體操作為利用抽水泵抽取絮團(tuán)至200 L聚乙烯桶中，經(jīng)過30 min沉淀取出上清液，然后重復(fù)此過程，直至底層看不到沉淀的大量絮團(tuán)。取出的上層清液作為試驗(yàn)用水，具體指標(biāo)如表3所示。其中pH為7.71。

表3 生物絮團(tuán)廢水指標(biāo)

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在探究A2/O工藝試驗(yàn)裝置處理模擬養(yǎng)殖尾水效果時(shí)，利用成功富集反硝化聚磷菌的生物絮團(tuán)作為底泥，試驗(yàn)保持連續(xù)性進(jìn)和排模擬養(yǎng)殖尾水一個(gè)周期(8.8 h)，停止進(jìn)水，內(nèi)循環(huán)3周期，目的是為了消耗掉富集過程中殘存的碳源，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。其間下午3點(diǎn)用50 mL量筒進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)水、厭氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的取樣，樣品均為混勻水體后取出。在取完TN、TP樣品后，利用0.45 μm針頭濾器(Collins MCE，上海)過濾，剩下水質(zhì)指標(biāo)取沉淀后的上清液進(jìn)行監(jiān)測(cè)。取樣結(jié)束后，用便攜式多功能參數(shù)水質(zhì)分析儀(Multi 3430，WTW，德國)測(cè)定反應(yīng)器水體中厭氧、缺氧、好氧格的DO、溫度、pH。下午4∶00取好氧格50 mL的混合水樣和1 000 mL混合水樣進(jìn)行MLSS和SV30的測(cè)定。晚上分別取進(jìn)水、厭氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的10 mL水樣用重鉻酸鉀法進(jìn)行化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的測(cè)定和利用TOC分析儀(Multi N/C 2100，德國)進(jìn)行總有機(jī)碳的測(cè)定。在探究A2/O工藝試驗(yàn)裝置處理生物絮團(tuán)廢水和循環(huán)水養(yǎng)殖尾水效果時(shí)，期間進(jìn)行3次試驗(yàn)。 (1)未添加額外碳源直接進(jìn)行對(duì)循環(huán)水尾水的處理效果； (2)按照碳氮比為3.4∶1[18]添加額外碳源進(jìn)行循環(huán)水尾水的處理； (3)額外添加碳源進(jìn)行對(duì)生物絮團(tuán)廢水上清液的處理。每個(gè)反應(yīng)格室取3組水樣， 結(jié)果取平均值。

1.6 試驗(yàn)裝置參數(shù)

反應(yīng)器的啟動(dòng)參數(shù)關(guān)系著整個(gè)反應(yīng)能否正常進(jìn)行，內(nèi)回流是指污泥從最后一個(gè)好氧格到缺氧格的回流過程，蠕動(dòng)泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)數(shù)值調(diào)整為450 mL/min，外回流是指從沉淀池到缺氧格的回流過程，蠕動(dòng)泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)數(shù)值調(diào)整為150 mL/min。運(yùn)行期間裝置參數(shù)如表4所示。

表4 運(yùn)行期間裝置參數(shù)

1.7 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

主要水質(zhì)分析指標(biāo)及方法如表5所示。

表5 主要水質(zhì)分析指標(biāo)及方法

1.8 污泥指標(biāo)測(cè)定方法

使用差重法測(cè)定反應(yīng)器的好氧格的混合液懸浮固體濃度：定量濾紙過濾50 mL水樣后，在105℃電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中約2 h烘干后減去定量濾紙質(zhì)量，單位為 mg/L；SV30沉降比測(cè)定：取水體混合均勻的情況下取反應(yīng)器好氧格水體1 L于英霍夫管，待其靜置30 min后記錄沉淀的絮團(tuán)體積，以mL表示。

1.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，由Origin 2021、Excel軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)行期間模擬養(yǎng)殖尾水水質(zhì)變化情況

運(yùn)行期間CODCr的去除情況如圖3所示。

圖3 運(yùn)行期間CODCr的去除情況

2.2 試驗(yàn)前后循環(huán)水養(yǎng)殖尾水指標(biāo)的去除效果

圖5 試驗(yàn)前后循環(huán)水養(yǎng)殖尾水指標(biāo)的去除效果

2.3 試驗(yàn)前后添加碳源的循環(huán)水養(yǎng)殖尾水指標(biāo)的去除效果

試驗(yàn)前后添加碳源的循環(huán)水養(yǎng)殖尾水指標(biāo)的去除效果如圖6所示。

表6 三組尾水進(jìn)出水TOC的去除效果

2.4 試驗(yàn)前后添加碳源的BFT廢水指標(biāo)的去除效果

試驗(yàn)前后添加碳源的BFT廢水指標(biāo)的去除效果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)前后添加碳源的BFT廢水指標(biāo)的去除效果

3 討論

3.1 A2/O工藝對(duì)模擬養(yǎng)殖尾水的處理效果探究

3.2 添加碳源對(duì)反硝化脫氮除磷技術(shù)處理循環(huán)水養(yǎng)殖尾水效果的影響

3.3 不同養(yǎng)殖水體對(duì)反硝化脫氮除磷技術(shù)處理效果的影響

相比較而言，利用反硝化脫氮除磷技術(shù)處理兩種水產(chǎn)養(yǎng)殖養(yǎng)殖尾水中，反硝化脫氮處理效果顯著，但是除磷效果只有去除率為32.57%±0.04%和22.22%±0.03%，效果不顯著。對(duì)于水體TOC的去除效果顯著。

4 結(jié)論

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