改进A2/N双污泥工艺启动条件的研究.pdf
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1、针对原有的A2/N双污泥法,以实验室原有的AnOR反应器为基础,增设沉淀池与曝气生物滤塔构建部分一体化双污泥工艺装置,进一步简化处理流程,探究该工艺的启动条件。实验结果表明:最佳的启动条件为进水流量为3 L/h,硝化液回流比110%,维持2/5池内污泥高度,厌氧池ORP在-200 mV左右,缺氧池ORP在-240 mV左右,好氧池DO质量浓度为24 mg/L,曝气生物滤塔DO质量浓度为23 mg/L,启动期COD、NH4+-N、TN和TP平均去除率分别为97.0%、98.8%、71.6%和65.0%,各项指标基本满足城镇污水处理厂排放标准的污染物排放限值。关键词关键词:改进A2/N工艺;AnO
2、R反应器;启动条件;脱氮除磷开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)08-0131-006A2/N双污泥工艺是基于反硝化聚磷菌缺氧吸磷的理论而开发的新工艺1。该工艺将硝化细菌单独存在于硝化池中,在硝化和除磷两部分各自提供有利的生存环境,解决了聚磷菌和反硝化细菌生长所需条件(聚磷菌需要厌氧条件和较短的污泥龄,而硝化菌需要好氧条件和较长的污泥龄)不同,以及竞争碳源等问题2-5,具有“一碳两用”、节省曝气和回流所耗费的能源及污泥产量低等优势6-7。然而,该工艺流程繁杂,且在高
3、氨氮含量下处理效果差8。2008年,鲍林林9将A2/N双污泥工艺的反应器个数缩少为5个,高效的生物滤柱代替硝化池,污染物去除率有所提高。赵伟华等10采用A2O工艺和A2O+BCO(生物接触氧化)工艺考察对比其脱氮除磷性能,由于A2O+BCO工艺是双污泥结构,TN 和 TP 去除率分别提高了 18%和 28%。朱开贞等 11 在双污泥系统中的厌/缺氧池和好氧池分别放置膜组件构建双膜-双污泥工艺,以膜分离代替传统的沉淀工艺单元,简化了工艺过程,提高了脱氮除磷性能。在鲍林林9的基础上,本实验将AnOR12-13反应器替代A2/N双污泥工艺中厌氧段、缺氧段以及好氧段,降低处理流程的复杂程度。AnOR反
4、应器是在厌氧折流板工艺的基础上改进的一种工艺,反应器构成了厌氧-缺氧-好氧的组合以更好的对废水进行处理。本实验即是经此为基础的A2/N双污泥系统启动研究,为A2/N双污泥工艺的实际应用提供基础参考。1 材料与方法材料与方法1.1实验装置实验装置改进型A2/N双污泥工艺反应流程及设备情况如表1和图1所示。AnOR反应器长为660 mm,宽为530 mm,高为130 mm,共6个隔室,前两个隔室为厌氧段,第六个为好氧段,微孔曝气头供氧,其他的均为缺氧段。每个隔室设置两部分挡板,上半部分和下半部分挡板倾斜角分别为10和45,每个隔室安装两个取样口,上端取样口为污水取样口,下端取样口为污泥排出口。前五
5、个隔室为下端进水,上端出水,第六隔室则相反,系统末端溢流出水。反应器内中下部填充用网束缚成笼状的多面空心球。曝气生物滤塔14(BAF)具有稳定的脱氮、除磷、脱碳功能。该反应器由实验中原有的沉淀器进行改造,直径为10 cm,高度为55 cm,中间填充45 mm表1改进型A2/N工艺各段容积Tab.1Volume of each stage of improved A2/N process反应器AnOR反应器厌氧段AnOR反应器缺氧段AnOR反应器好氧段容积/L14.8020.676.42反应器沉淀池曝气生物滤塔溢流瓶容积/L8.514.321.08DOI:10.16796/ki.10003770
6、.2023.08.025收稿日期:2022-11-16作者简介:范荣桂(1962),男,教授,博士,博士生导师,研究方向水污染控制理论技术;电子邮件:131第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术陶粒,填充高度为30 cm,填充部分的柱高比为3 1,采用下部进水、溢流出水的运行方式,滤池底部采用微孔曝气头增氧。1.2接种污泥接种污泥接种污泥是取自阜新市大唐国际水务有限公司A2/O 运行工艺的二沉池集泥井,MLSS 为 8.5 g/L,SVI为63 mL/g。反应初期厌氧段对有机物的降解能力较低,曝气生物滤塔中微生物还未形成膜结构,过早的连接系统会造成系统的崩溃16。启动之前需要将其分别在A
7、nOR反应器及曝气生物滤塔内进行培养驯化,等各自成熟后再连接系统。1.3试验用水试验用水接种污泥的驯化采用人工配置的营养液,具体成分见表2。驯化结束后,通入模拟生活污水,具体水质见表3,微量元素用量约0.6 mL/L,每隔24 h配水1次。1.4运行方式运行方式AnOR反应器中厌氧和缺氧段污泥的培养驯化采用一步法;曝气生物滤塔中污泥的培养驯化采用快速排泥挂膜法。驯化后连接系统,开始以低负荷状态连续进水运行。启动初期调试系统运行的参数,包括进水水量、曝气量、硝化液回流比、进水C/N、剩余污泥弃去量等。1.5分析方法分析方法COD采用重铬酸盐法测定,NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定,NO2-
8、N、NO3-N和TP采用离子色谱法测定,pH采用玻璃电极法测定,ORP采用饱和甘汞电极-铂电极,水质指标的检测参照 水和废水监测分析方法 第四版15。2 结果与分析结果与分析2.1活性污泥的培养驯化活性污泥的培养驯化2.1.1AnOR反应器的污泥培养驯化过程反应器的污泥培养驯化过程在培养期间,每两天排出上清液并再次通入等量的营养液,同时缺氧段需要补充定量的硝酸钾。第5天,厌氧池内污泥变黑并有大量气泡产生;第16天,厌氧段及缺氧段中大部分的污泥沉入池底并有甲烷释放,因此可以判断污泥培养成功。培养结束后再向AnOR反应器连续一周通入流量为0.5 L/h的模拟废水,观察出水COD的去除情况,结果如图
9、2,初期反应器各段需要适应模拟生活污水,处理效果较差,进行一周左右去除率增长到60%以上,即污泥接种成功。2.1.2曝气生物滤塔的污泥培养驯化过程曝气生物滤塔的污泥培养驯化过程在曝气生物滤塔内,每天更换营养液闷曝污泥,第4天开始通入模拟生活污水,连续递增至1 L/h,同时记录进、出水 COD 和 NH4+-N 含量,结果见图 3。COD去除率保持稳定,最后可达到94%以上。初期氨氮的去除效果不明显,是因为初期的生物膜还没有成型,硝化菌没有附着点会容易被水流冲走,但随着反应的进行,氨氮出水显著降低,在一周左右去除表3模拟废水水质指标Tab.3Simulated wastewater qualit
10、y indicators项目COD/(mg L-1)BOD5/(mg L-1)(NH4+-N)/(mg L-1)(TP)/(mg L-1)(SS)/(mg L-1)pH范围49551541543538451.952.0570907.457.55平均值500425432807.5表2驯化阶段营养液成分Tab.2Nutrient solution composition in the domestication stage项目碳源氮源磷源缓冲液无机盐淀粉/(mg L-1)葡萄糖/(mg L-1)蛋白胨/(mg L-1)尿素/(mg L-1)磷酸氢二钾/(mg L-1)碳酸氢钠/(mg L-1)氯化
11、钙/(mg L-1)硫酸亚铁/(mg L-1)硫酸镁/(mg L-1)数值30030018544512060.556图1改进A2/N双污泥工艺流程Fig.1Improvement of A2/N double sludge process flow chart图2AnOR反应器驯化过程中COD的去除效果Fig.2COD removal effect during the domestication process of AnOR reactor132范荣桂等,改进A2/N双污泥工艺启动条件的研究率会明显提高,整体去除率可提升至80%以上。出水NH4+-N显著降低,则认为曝气生物滤塔接种成功。2
12、.2启动期内启动期内COD去除效果分析去除效果分析启动期内反应各段对COD的去除率与均值如图4所示。反应初始进水流量为3 L/h,进水COD在210250 mg/L。由图4可知,系统出水均低于50 mg/L,达到排放要求,但厌氧段COD负荷仅为0.2 kg/(m3 d),会导致碳源不足,微生物不能正常生长,由此观察到曝气生物滤柱有污泥脱落。运行第二周进水COD提高至300 mg/L,但是污泥脱落现象没有好转。第三周再次提高进水COD至500 mg/L,污水的COD容积负荷为1.5 kg/(m3d),曝气生物滤池的进水COD有所提高,曝气生物滤池内污泥不再脱落。从出水COD平均值变化来看,厌氧段
13、微生物仅仅吸收分解了40%的COD,相比鲍林林 11 降低了30%,但是其余碳源能够提供缺氧段和曝气生物池的正常工作。在56天系统出水值稳定在012 mg/L,平均去除率不低于98%,远远高于鲍林林的COD去除率80.93%。2.3启动期内启动期内NH4+-N去除效果分析去除效果分析图5是改进型A2/N工艺对NH4+-N的去除情况。进水的NH4+-N质量浓度始终维持在3651 mg/L,硝化液回流量为110%。初期碳源较少,出水NH4+-N含量高,随着第三周提高了进水容积负荷,微生物生长状况稳定,出水水质状况很快得到改善。整体来看,水中的NH4+-N含量均有降低,NH4+-N首先在厌氧段中微生
14、物的同化作用下引起小幅度的降低;进而受回流硝化液的稀释作用出现了大幅度的降低,稀释程度由消化液回流比决定;最后曝气生物池进一步去除剩余的NH4+-N,最后NH4+-N的平均去除率可维持在95.6%,可见在NH4+-N去除效果方面有着稳定的效果。2.4启动期内系统启动期内系统NO2-N浓度变化情况浓度变化情况NO2-N是脱氮反应中的中间产物,其含量受各方面因素的影响,不同的变化可以指示污水处理工艺运行情况的优劣16。当水中溶解氧低于0.5 mg/L时,05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600100200300400500600COD/(mgL-1)时间/d 进水
15、厌氧出水 缺氧出水 好氧出水 系统出水020406080100 去除率去除率/%(a)491.14285.4352.8620.298.00进水厌氧出水 缺氧出水 好氧出水 BAF出水0100200300400500COD/(mgL-1)(b)图4启动期内COD去除效果与各段出水COD平均值 Fig.4COD removal effect during the start-up period and the average value of COD in each segment05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600102030405060708090100时间
16、/d(NH4+-N)/(mgL-1)进水 厌氧出水 缺氧出水 好氧出水 系统出水0255075100 去除率去除率/%图5启动期内NH4+-N的去除效果Fig.5The removal effect of NH4+-N during the start-up period024681012141618050100150200250300时间/dCOD/(mgL-1)进水COD 出水COD020406080100去除率/%去除率(a)COD2468101214161820010203040506070时间/d(NH4+-N)/(mgL-1)进水 出水0102030405060708090去除率/
17、%去除率(b)NH4+-N图3曝气生物滤塔驯化过程中COD、NH4+-N的去除 Fig.3Removal of COD and NH4+-N during the start-up of biological aerated filter133第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术微生物可利用的溶解氧不足,容易造成亚硝酸盐的积累,当溶解氧高于0.5 mg/L时,好氧段内亚硝酸盐基本都会向硝酸盐转化。启动阶段系统内NO2-N含量变化见图6。在启动第一周中,好氧段NO2-N维持较高的浓度,这是好氧段曝气不足导致的;在启动第二周增加曝气量后,NO2-N质量浓度迅速下降;经过一段时间的系统出水监
18、测,各段NO2-N出水质量浓度较为稳定,平均质量浓度低于0.5 mg/L。2.5启动期内系统启动期内系统NO3-N浓度变化情况浓度变化情况启动期内NO3-N的质量浓度变化情况如图7所示。进水中含有少量的NO3-N,经厌氧段后硝酸盐氮被消耗,说明厌氧段存在一定量的兼性菌;缺氧段接受曝气生物滤池回流的NO3-N进行反硝化作用,在启动初期的反硝化作用比较弱,硝酸盐氮出水较高,后期出水NO3-N逐渐降低,其质量浓度低于1 mg/L,说明反硝化菌的培养仍需一定时间,比起亚硝酸菌的驯化更为缓慢;最后,曝气生物滤塔利用污水中剩余氨氮完成硝化作用。系统稳定运行至第八周,出水NO3-N质量浓度稳定在810 mg
19、/L之间。2.6启动期内启动期内TN去除效果分析去除效果分析图8为启动期内系统中TN的变化趋势。进水TN质量浓度稳定在50 mg/L左右,初期对TN的平均去除率仅有19.29%;在5 d后,去除率逐渐升高并趋于稳定,出水TN质量浓度在1929 mg/L范围内,去除率可达50%以上;三周后,随着增加进水的容积负荷,出水TN质量浓度大大降低,维持在913 mg/L,去除率在70%以上,基本低于国家标准15 mg/L排放限值。系统中TN的去除率主要取决于硝化液的回流量。当启动期硝化液回流量为 110%时,理论上除氮效率不会超过55%,但实际运行中可达到80%以上。由图8分析可知,进水有一部分氨氮被厌
20、氧段所吸收,主要发生微生物的同化作用,另外厌氧段出水中硝酸盐氮几乎被去除,这与存在的兼性反硝化菌有关,厌氧段可降低原水中约28%的总氮含量;曝气生物滤塔的硝化液回流到缺氧段,稀释了总氮的浓度,进行了反硝化作用,将硝酸盐转化生成氮气,一部分氮气溢出,一部分则进入到好氧段被吹脱;在好氧段以及曝气生物滤塔中总氮没有被去除,只是氮在形式上的转变,总氮含量在缺氧段、好氧段以及曝气生物滤塔之间几乎是守恒的。2.7启动期内启动期内TP去除效果分析去除效果分析启动期改进型A2/N工艺内TP的去除效果如图9所示。TP的进水质量浓度维持在2 mg/L。初期系统剩余污泥不外排,第四周后,每周从AnOR反应器厌氧段与
21、缺氧段的下端排泥口排出剩余污泥,维持2/5池高,保证污泥质量浓度稳定在3 0004 000 mg/L;好氧段抖落和沉淀老化的生物膜,并增加曝气量。首次排泥运行后,出水中磷的浓度有所降低,第五周除磷效果明显,出水质量浓度最低可降至0.45 mg/L,最大去除率达79%,达到了排放标准,后期处理效果稳定,TP出水质量浓度维持在0.5 mg/L左右。启动前三周,微生物利用污水中的磷源进行微生物增殖,当污泥达到一定浓度,微生物增殖的速度受到限制,从中摄取磷源的速度降低;排泥后系统除磷效果明显,说明除磷效果主要依靠系统内聚磷菌的吸磷作用。05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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