低溫好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及處理生活污水研究
郭安1,彭永臻1,2,王然登1,程戰(zhàn)利1,3
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150090;2.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京市脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心,北京100124;3.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津300051)
摘要:采用厭氧、好氧交替運(yùn)行的小試SBR反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了在秋、冬季無(wú)保溫措施下好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及對(duì)生活污水中污染物的去除。研究發(fā)現(xiàn)在秋、冬季溫度由18 ℃逐漸降至10 ℃并長(zhǎng)期維持在較低溫度的條件下,SBR反應(yīng)器中形成了具有良好物化特性的顆粒污泥,穩(wěn)定期污泥的平均粒徑為300 μm,反應(yīng)器中有較高的生物量(MLSS為6 000 mg/L),污泥沉降性能較好,SVI為50~60 mL/g。對(duì)COD、PO43--P、NH4+-N均具有較好的去除效果,平均去除率分別達(dá)到85.8%、98.3%、99.2%。通過(guò)在反應(yīng)周期結(jié)束增設(shè)2 h缺氧攪拌,實(shí)現(xiàn)了對(duì)TN的進(jìn)一步去除,去除率達(dá)95.2%。
與普通的絮狀活性污泥相比,好氧顆粒污泥具有密度大、微生物含量高、種群豐富、沉降性能好等優(yōu)點(diǎn),這提高了顆粒污泥的抗沖擊負(fù)荷能力,并使得污水處理構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)緊湊,具有較小的體積及較少的用地。目前,好氧顆粒污泥主要采用人工配水在常溫(20~25 ℃)下培養(yǎng),本研究利用城市生活污水在東北地區(qū)秋冬季低溫下(18~10 ℃),通過(guò)厭氧、好氧交替運(yùn)行方式在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥,并研究其對(duì)生活污水中COD、氮、磷的去除效能。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,內(nèi)部直徑為12 cm,高為42 cm,有效水深為37 cm,有效容積為4 L。反應(yīng)器頂部進(jìn)水,出水口位于反應(yīng)器中部,容積交換率為1/2;曝氣泵曝氣,曝氣口位于反應(yīng)器底部,通過(guò)粘砂塊曝氣頭分散布?xì)狻?/span>
SBR反應(yīng)器每天運(yùn)行4個(gè)周期,每周期為6 h,其中進(jìn)水為5 min,厭氧攪拌為90 min,好氧曝氣攪拌為210 min,沉淀時(shí)間隨運(yùn)行逐漸縮短(1~29 d:30 min;30~47 d:20 min;48~80 d:15 min;81~136 d:10 min),剩余時(shí)間為靜置。反應(yīng)器安裝在半地下實(shí)驗(yàn)室,運(yùn)行期間反應(yīng)器內(nèi)溫度變化見(jiàn)圖1。曝氣量控制在120~160 L/h。
1.2 試驗(yàn)用水與接種污泥
試驗(yàn)用水為哈爾濱某居民區(qū)生活污水,試驗(yàn)前對(duì)污水進(jìn)行了過(guò)濾以去除大塊物質(zhì)。測(cè)得COD、PO43--P、NH4+-N、TN濃度范圍分別為(122.8~383.5)、(1.7~5.5)、(42.7~62.8)、(47.3~68.2) mg/L。外加碳源為丙酸鈉,不同時(shí)期的丙酸鈉投加量(以COD計(jì))如表1所示。接種污泥為哈爾濱某污水處理廠二沉池剩余活性污泥,接種污泥的MLSS為4 462 mg/L,MLVSS/MLSS值為0.58,其無(wú)機(jī)質(zhì)含量較高。
1.3 檢測(cè)項(xiàng)目與方法
NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P、MLSS、MLVSS、SV采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定;COD采用快速測(cè)定法測(cè)定;污泥顆粒的平均粒徑采用激光粒度儀測(cè)定;TN采用TOC-VCPN總有機(jī)碳/總氮分析儀測(cè)定;污泥形態(tài)采用顯微鏡觀察。
2 結(jié)果與討論
2.1 顆粒污泥的培養(yǎng)
2.1.1 污泥顆;M(jìn)程
反應(yīng)器中不同時(shí)期污泥形態(tài)見(jiàn)圖2,不同時(shí)期污泥粒徑分布見(jiàn)圖3。
在運(yùn)行初期,反應(yīng)器中污泥為松散的絮狀污泥,平均粒徑在50 μm左右,幾乎不存在粒徑>200 μm的顆粒;經(jīng)過(guò)20 d的培養(yǎng),光學(xué)顯微鏡下可觀察到較少數(shù)量的顆粒,但粒徑較小,肉眼較難觀察辨認(rèn);在20~65 d顆粒污泥粒徑不斷變大,并且新的小顆粒不斷生成,此時(shí)的顆粒污泥能用肉眼觀察到,但輪廓較為粗糙,周圍附著很多的菌膠團(tuán),平均粒徑達(dá)100 μm左右,在污泥粒徑分布圖上可以看到有部分污泥粒徑超過(guò)200 μm,但所占比例較小;80 d以后隨著沉淀時(shí)間的縮短,不斷排出與顆粒污泥競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)底物、沉降性能相對(duì)較差的絮狀污泥,顆粒污泥得到充足的有機(jī)底物,平均粒徑不斷增大,此時(shí)粒徑>200 μm的污泥所占比例超過(guò)50%,污泥的平均粒徑在300 μm左右。隨著運(yùn)行顆粒粒徑分布波峰位置不斷右移,在120 d時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)波峰,波峰位置分別在90 μm和600 μm左右,說(shuō)明系統(tǒng)中污泥粒徑出現(xiàn)分化,培養(yǎng)成熟的顆粒污泥體系并非單純的顆粒污泥,其中一部分是粒徑較小的小顆;蛐躞w污泥,另一部分是粒徑較大的大顆粒污泥。在光學(xué)顯微鏡下還可以看到污泥中存在很多后生動(dòng)物,這些后生動(dòng)物的存在說(shuō)明污泥活性較好且較穩(wěn)定。由此可見(jiàn),在低溫下培養(yǎng)顆粒污泥是可行的。
2.1.2 污泥濃度與沉降性能
污泥濃度及沉降性能隨運(yùn)行時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。
在反應(yīng)器運(yùn)行期間,污泥濃度呈現(xiàn)先增加后隨沉淀時(shí)間調(diào)整而波動(dòng)的趨勢(shì)。在1~29 d,污泥濃度急劇增加,MLSS由接種時(shí)的4 462 mg/L迅速增加到7 745 mg/L,這是由沉淀時(shí)間長(zhǎng),外碳源充足,微生物大量增殖造成的。在第30天沉淀時(shí)間降為20 min,沉淀性能較差的污泥被排出反應(yīng)器,污泥濃度迅速降低至5 785 mg/L,隨后污泥濃度緩慢增長(zhǎng)。在第48天沉淀時(shí)間降為15 min,污泥濃度變化不大。在第81天沉淀時(shí)間降為10 min,同時(shí)外碳源投加量由400 mg/L降至300 mg/L,86 d外碳源投加量繼續(xù)降至250 mg/L,由于沉淀時(shí)間短,同時(shí)外碳源投加量減少,污泥有所流失,污泥濃度迅速降低至4 923 mg/L,在隨后的運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)中微生物量逐漸增加,在穩(wěn)定期污泥濃度維持在6 000 mg/L左右。
MLVSS與MLSS呈相同的變化趨勢(shì)。污泥活性逐漸變高,1~20 d中MLVSS/MLSS值由最初的0.58迅速上升至0.80,并隨著反應(yīng)器運(yùn)行逐漸緩慢增加并穩(wěn)定在0.89左右,這說(shuō)明在該較低溫度下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥具有較高的生物活性。在反應(yīng)器的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,SVI值在1~10 d迅速增加,隨后一直保持緩慢降低趨勢(shì),并最終穩(wěn)定在50~60 mL/g。說(shuō)明隨著污泥顆;倪M(jìn)程,污泥的沉降性能越來(lái)越穩(wěn)定。
2.2 對(duì)污染物的去除
2.2.1 對(duì)COD的去除效果
在第1天,直接采用生活污水而不投加外碳源,進(jìn)水COD為352.30 mg/L,出水COD為70.20 mg/L,去除率為80.1%;2~80 d外加丙酸鈉為400 mg/L,進(jìn)水COD介于475.2~712.5 mg/L之間,出水COD為50~70 mg/L,個(gè)別會(huì)達(dá)到70 mg/L以上,平均去除率為89.2%;81~85 d外加丙酸鈉為300 mg/L,進(jìn)水COD介于519.9~633.5 mg/L之間,出水COD為40~50 mg/L,平均去除率為91.7%;86~136 d外加碳源為250 mg/L,進(jìn)水COD介于413.3~633.5 mg/L之間,出水COD為50~60 mg/L,個(gè)別會(huì)達(dá)到60 mg/L以上,平均去除率為85.8%。
2.2.2 對(duì)PO43--P的去除效果
運(yùn)行期間反應(yīng)器進(jìn)出水PO43--P濃度及其去除率的變化見(jiàn)圖5。
在初期出水PO43--P含量較高,波動(dòng)較明顯,經(jīng)過(guò)50 d的培養(yǎng)后,出水PO43--P濃度逐漸穩(wěn)定,介于0~0.4 mg/L之間,平均值為0.07 mg/L,平均去除率為98.3%。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,反應(yīng)器對(duì)PO43--P有較好的去除效果,能夠達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.3 對(duì)NH4+-N的去除效果
盡管反應(yīng)器進(jìn)水NH4+-N濃度波動(dòng)較大,出水NH4+-N介于0~2.45 mg/L之間,平均值為0.50 mg/L,平均去除率為99.2%。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率均較高,出水NH4+-N濃度能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
De Kreuk等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),將20 ℃下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥直接在8 ℃下運(yùn)行后污泥會(huì)發(fā)生解體,而溫度由20 ℃逐步降到8 ℃條件下,顆粒污泥能保持穩(wěn)定,但脫氮效果會(huì)降低;王碩等在10 ℃下運(yùn)行SBAR反應(yīng)器,在好氧顆粒污泥成熟后,反應(yīng)器出水COD、NH4+-N和PO43--P分別達(dá)86.8、5.2和2.0 mg/L,去除率分別為84.5%、91.1%和94.1%;Bao等同樣在10 ℃下運(yùn)行SBAR反應(yīng)器,污泥穩(wěn)定后對(duì)COD、NH4+-N和PO43--P的去除率分別達(dá)(90.6%~95.4%)、(72.8%~82.1%)和(95.8%~97.9%);本試驗(yàn)對(duì)COD、NH4+-N和PO43--P的去除率分別達(dá)85.8%、99.2%和98.3%。說(shuō)明在低溫下好氧顆粒污泥反應(yīng)器對(duì)污染物有較好的去除效果。
2.3 典型周期內(nèi)污染物轉(zhuǎn)化規(guī)律
在10 ℃下反應(yīng)器典型周期內(nèi)污染物轉(zhuǎn)化規(guī)律如圖6所示。在該周期內(nèi),MLSS為6 110 mg/L,控制曝氣量為120 L/h。經(jīng)過(guò)處理后,COD、PO43--P、NH4+-N、TN由612.80、5.49、62.75、63.47 mg/L分別降至59.52、0、0、20.22 mg/L。
在厭氧段的前30 min,COD濃度快速降低,從初始的230.10 mg/L降至66.62 mg/L。主要原因是:上一階段滯留在反應(yīng)器中的硝態(tài)氮發(fā)生了反硝化反應(yīng),消耗了部分COD;此外,聚磷菌在厭氧條件下會(huì)快速吸收COD來(lái)合成PHA,用于好氧段的吸磷反應(yīng)。厭氧階段結(jié)束后反應(yīng)器中COD為68.79 mg/L,在接下來(lái)的好氧階段COD濃度有所波動(dòng),整體上也有所降低,出水COD為59.52 mg/L。
在厭氧階段聚磷菌吸收水中VFAs合成自身PHA,與此同時(shí)釋放出大量磷酸鹽,厭氧階段結(jié)束反應(yīng)器中PO43--P為32.48 mg/L;在好氧階段聚磷菌利用體內(nèi)儲(chǔ)存的PHA水解產(chǎn)生的能量進(jìn)行超量吸磷,在好氧階段的前30 min水中磷酸鹽已基本完全被吸收,出水PO43--P濃度在0.05 mg/L以下。
在厭氧階段的前30 min ,由于NH4+-N被吸附到污泥相中,溶液中NH4+-N濃度有所下降;在接下來(lái)的30~60 min,NH4+-N濃度又有所上升,這來(lái)自于兩方面的原因:第一,污泥相中的NH4+-N重新釋放到溶液中;第二,氨化作用使進(jìn)水中的有機(jī)氮水解為NH4+-N,導(dǎo)致溶液中NH4+-N濃度升高。在好氧階段,溶液中的NH4+-N被硝化細(xì)菌氧化為硝態(tài)氮,出水中幾乎檢測(cè)不到NH4+-N。在厭氧階段的前30 min反硝化反應(yīng)基本完成,在好氧階段,隨著硝化作用的進(jìn)行硝態(tài)氮的濃度不斷升高。值得一提的是,反應(yīng)器在低溫下運(yùn)行,硝化細(xì)菌的活性較低,硝化反應(yīng)速率較慢,系統(tǒng)中出現(xiàn)了NO2--N的積累,出水NO2--N為16.19 mg/L,NO3--N為3.94 mg/L,這為進(jìn)行短程反硝化提供了有利條件。系統(tǒng)中TN濃度由反應(yīng)初的33.52 mg/L降為出水時(shí)的20.22 mg/L,TN的去除主要是發(fā)生于厭氧段前30 min的反硝化作用、好氧階段的同步硝化反硝化作用以及微生物的同化作用。
2.4 增強(qiáng)脫氮效果
在厭氧、好氧交替運(yùn)行方式下,反應(yīng)器對(duì)氨氮有較好的去除效果,在此過(guò)程中NH4+-N主要轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,雖然TN得到部分去除,但去除效果并不理想,為進(jìn)一步增強(qiáng)脫氮效果,在反應(yīng)結(jié)束后使反應(yīng)器缺氧攪拌運(yùn)行2 h,即以厭氧、好氧、缺氧(A/O/A)方式運(yùn)行,以增強(qiáng)反硝化效果。
由圖6可以看出,在后續(xù)增加2 h缺氧攪拌過(guò)程中,NO2--N與TN濃度迅速降低,NO3--N幾乎檢測(cè)不到,脫氮效果明顯增強(qiáng),出水TN為3.05 mg/L,TN去除率達(dá)95.2%。同時(shí)COD濃度也有所降低。在此過(guò)程中NO2--N、NO3--N、TN濃度降低是因?yàn)樵诤罄m(xù)缺氧過(guò)程中發(fā)生了反硝化作用,但反硝化過(guò)程需要充足的COD,而此過(guò)程中COD降低并不明顯,這可能與好氧顆粒污泥對(duì)COD的吸附與釋放及微生物利用自身內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化有關(guān)。程戰(zhàn)利在常溫(20~25 ℃)下以厭氧/好氧/缺氧/好氧方式運(yùn)行來(lái)增強(qiáng)脫氮效果,但脫氮效果仍不理想,與其相比本試驗(yàn)的脫氮效果明顯較好,其主要原因有兩點(diǎn):第一,常溫下NH4+-N在好氧階段完全氧化為NO3--N,而本試驗(yàn)在低溫下進(jìn)行,硝化細(xì)菌的活性較低,NH4+-N只經(jīng)過(guò)亞硝化作用,氧化產(chǎn)物主要為NO2--N,NO2--N反硝化時(shí)所需的碳源量較NO3--N的少,使得系統(tǒng)在碳源不足的條件下降低了碳源需求量。第二,低溫下微生物代謝速率較慢,在好氧反應(yīng)結(jié)束時(shí)系統(tǒng)中的COD濃度仍較高;同時(shí)顆粒污泥也可能吸附部分COD,這些COD為后續(xù)缺氧段進(jìn)行反硝化提供了碳源,提高了脫氮效果。
3 結(jié)論
利用城市生活污水在東北地區(qū)秋冬季無(wú)保溫措施低溫下,通過(guò)厭氧、好氧交替運(yùn)行方式在SBR反應(yīng)器中能夠成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥。在沉淀時(shí)間降為10 min后,MLSS仍能保持在6 000 mg/L以上,SVI在50~60 mL/g之間,該體系為顆粒污泥與絮體污泥的混合體,混合污泥平均粒徑在300 μm左右,顆粒平均粒徑在600 μm左右,污泥活性高,沉降性能好,污泥比較穩(wěn)定。
在低溫下培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥對(duì)COD、PO43--P、NH4+-N都具有較好的去除效果,其去除率分別能夠達(dá)到85.8%、98.3%、99.2%;在低溫下微生物代謝速率慢,NO2--N有所積累,可實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。
在好氧反應(yīng)結(jié)束后增加2 h缺氧攪拌,TN的去除得到了提高,出水TN為3.05 mg/L,去除率達(dá)95.2%。
(本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第19期“論述與研究”欄目)
如果您需要在微信公眾平臺(tái)或其他公眾媒體轉(zhuǎn)載、部分或全文引用本文,請(qǐng)?jiān)谖恼麻_頭處注明出處(來(lái)源:《中國(guó)給水排水》雜志社官方微信,微信號(hào):cnww1985)
雜志簡(jiǎn)介
《中國(guó)給水排水》是面向全國(guó)給水排水和環(huán)境工程界的專業(yè)性科技期刊,具有較高的理論導(dǎo)向性和較強(qiáng)的工程實(shí)踐性,被稱為中國(guó)水行業(yè)的“首席雜志”、中文核心期刊、“中國(guó)百?gòu)?qiáng)科技期刊”中國(guó)精品科技期刊、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊(CSTP)。
雜志訂閱
《中國(guó)給水排水》雜志全年24期,定價(jià):15元/冊(cè)。
《中國(guó)給水排水》雜志在線訂閱網(wǎng)址:
http://www.watergasheat.com/dingyue.asp
雜志社地址
天津市和平區(qū)新興路52號(hào)都市花園大廈5號(hào)樓21層
編輯部電話
022-27835450、022-27836225
022-27835913、022-27835707
022-27832819
廣告咨詢電話
022-27835639、022-27835592
發(fā)行部電話
022-27832819
投稿郵箱
cnwater@vip.163.com