杨雪瑞 郭海燕, 聂泽兵 谷靖颖 边德军#
(1.大连交通大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116028;2.吉林省城市污水处理重点实验室(长春工程学院),吉林 长春 130012;3.吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心,东北师范大学环境学院,吉林 长春 130117)
碳源是影响生物脱氮除磷体系的重要因素。一方面,缺乏碳源会导致反硝化过程受阻、影响聚磷菌在厌氧段合成聚β-羟基丁酸;另一方面,碳源浓度过高会降低硝化反应的速率,影响磷在好氧段的过量吸收[1]。进水中的碳氮比(C/N)是影响脱氮除磷生物系统的重要因素,是判别能否有效生物脱氮的重要指标。理论上C/N≥2.82(质量比)就能进行生物脱氮,而实际工程C/N≥3.5为宜,一般城市污水中C/N则需要达到8左右,C/N≤8或BOD5/TN≤5的污水归类为低C/N污水[2-5]。近年来,我国城市污水处理厂水质冲击事件频发,高浓度进水氨氮冲击呈增多趋势,出现了氨氮浓度增高而导致的C/N下降的现象[6-7]。污水处理厂采用传统工艺进行处理时,因硝化与反硝化供氧矛盾及反硝化碳源不足使得脱氮效率变低,出现氨氮、TN超标的现象[8-9]。
微压内循环生物反应器(MPR)是一种新型的污水处理工艺,与传统污水处理工艺相比,具有耗能小、占地面积小、氧利用率高等优点[10-12]。该反应器采用单侧曝气形式,利用曝气推动实现液体循环,可在曝气池内形成不同的DO环境和污泥浓度。反应器中心区域会进行一定程度的水解酸化、释磷、反硝化等反应过程,而在外围区域则主要进行有机物的好氧氧化、硝化、吸磷等反应过程,实现同一空间的同步硝化反硝化(SND)[13-14]。MPR在处理低C/N城市污水方面具有潜在优势,本研究主要考察A/O运行方式下MPR对不同C/N模拟城市污水的处理效果,分析进水C/N对脱氮过程和污泥性能的影响,并在低进水C/N条件下进行MPR运行优化,以期为MPR处理不同C/N城市污水的运行调控提供理论支持。
1.1 试验装置
MPR装置如图1所示,由有机玻璃板制成,主体为扁平圆柱体,其正面为圆型,底部设置支撑,上部设液位提升管和大气相通。反应区直径300 mm、宽度200 mm,有效容积为12 L,上部连接管长×宽×高为300 mm×50 mm×100 mm。反应器采用穿孔管单侧曝气,鼓风机供气,通过玻璃转子流量计控制曝气量。批式运行时由顶部提升管进水,沉淀后出水由中部排水管排出,底部设置排空管用于排泥。反应器内部设置pH和DO探头,可实现这两个指标的实时监测。
1—贮水箱；
2—玻璃转子流量计；
3—空气压缩机；
4—导气板；
5—穿孔曝气管；
6—取样孔；
7—排泥孔；
8—排水孔；
9—DO仪；
10—储泥箱；
11—pH计；
12—出水箱
1.2 进水水质
试验进水为人工模拟城市污水,主要由自来水(静置24 h)、淀粉、CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4等配制而成。其中,投加牛肉膏、蛋白胨提供微量元素,投加NaOH和NaHCO3调节污水pH为6.8～7.2。在保持进水碳源不变的条件下,通过投加不同量的NH4Cl来调控进水C/N为3.9、5.6、8.7。
1.3 运行工况
根据进水水质和运行模式的不同,试验运行共分4个工况。其中,工况1～3采用A/O运行模式,每周期运行时间为8 h,单个周期厌氧30 min、好氧360 min、沉淀80 min、排水5 min、闲置5 min,反应器排水比为0.4(体积比),好氧阶段曝气强度为0.125 m3/h;工况4采用了两级A/O运行模式,每周期运行时间为8 h,分两次进水,每次充水比为0.2(体积比),一级A/O模式运行周期组成为厌氧30 min、好氧150 min、沉淀30 min、排水5 min,二级A/O模式运行周期组成为厌氧段30 min、好氧段150 min、沉淀80 min、排水5 min。整个试验过程中,工况1～3均在好氧段、工况4在第2级好氧段结束前5 min排出200 mL混合液,控制污泥龄(SRT)为60 d。整个试验期间MPR进水水质及运行模式如表1所示。
1.4 检测方法
COD、TN、TP、氨氮分别采用重铬酸钾法、碱性过硫酸钾消解分光光度法、钼酸铵分光光度法、纳氏试剂分光光度法测定;混合液悬浮固体浓度(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用重量法测定;硝酸盐氮、亚硝酸盐氮采用瑞士万通885离子色谱仪检测;胞外聚合物(EPS)采用热提取法提取,其中多糖(PS)、蛋白质(PN)分别采用蒽酮比色法、Folin酚试剂法测定。
1.5 典型周期试验
每个工况运行稳定后,分别在厌氧后30 min、好氧段每隔60 min至曝气结束,取泥水混合液50 mL,用定性滤纸过滤,分析过滤后水样中各项水质指标。
表1 MPR进水水质及运行模式Table 1 Influent quality and operation mode of MPR
1.6 SND率计算方法
SND指好氧阶段发生的氮的损失现象,用SND率(ESND,%)表示,计算方法见式(1)[15]。
(1)
式中：A、B、C、D分别为好氧初始时氨氮、好氧结束时氨氮、好氧结束时亚硝酸盐氮、好氧结束时硝酸盐氮质量浓度,mg/L。
1.7 比好氧速率(SOUR)计算方法
SOUR是指单位质量活性微生物在单位时间利用氧气的量。测定方法：取250 mL活性污泥混合液于锥形瓶,充分曝气充氧5 min后迅速取出充氧砂头,放入搅拌转子,同时将DO仪探头插入锥形瓶口中;打开DO仪和磁力搅拌器,转速为500 r/min,间隔30 s自动记录DO。根据所得DO(纵坐标)与时间(横坐标),采用最小二乘法计算耗氧速率(OUR),OUR与MLVSS的比值即为SOUR。
2.1 MPR对不同C/N城市污水的处理效果
2.1.1 COD和TP去除情况
MPR对COD和TP的去除效果如图2所示。在保持进水COD基本不变的条件下,系统出水COD较稳定。工况1～4下平均进水COD分别为306.44、310.05、315.61、286.65 mg/L,平均出水COD分别为24.89、31.26、34.29、32.98 mg/L。总体上,MPR对有机物去除效果稳定,进水氨氮浓度的提高和启用分次进水、分次曝气运行方式对COD去除影响不大。
图2 MPR对COD和TP的去除效果Fig.2 Removal effect of MPR on COD and TP
工况1～4下平均进水TP分别为3.62、3.54、4.23、3.54 mg/L,平均出水TP分别为0.14、0.07、0.09、0.28 mg/L。进水氨氮浓度的提高对TP去除影响不大,而工况4采用分次进水、分次曝气运行方式,出水TP略有提高,其原因可能是分段进水使更多的碳源被用于反硝化,厌氧释磷受到一定影响。
2.1.2 氨氮和TN去除情况
MPR对氨氮和TN的去除效果如图3所示。工况1～3下,随着平均进水氨氮由31.64 mg/L提高至73.36 mg/L,出水氨氮基本保持在1 mg/L以下,硝化效果良好,MPR对氨氮的平均去除率分别为99.76%、99.48%、98.68%。随着进水C/N由8.7降至5.6,平均出水硝酸盐氮由2.15 mg/L增加至9.29 mg/L;当进水C/N降至3.9时,好氧异养菌和反硝化菌对碳源竞争的矛盾突出,平均出水硝酸盐氮大幅度提高至21.10 mg/L。工况4分次进水、分次曝气后,平均出水硝酸盐氮下降至11.56 mg/L,反硝化效果改善。
图3 MPR对氨氮和TN的去除效果Fig.3 Removal effect of MPR on ammonia nitrogen and TN
由于进水中TN主要成分为氨氮,出水中氮的形态主要为硝酸盐氮,进、出水TN浓度变化趋势分别和进水氨氮、出水硝酸盐氮变化趋势基本一致。工况1～3下,随着进水TN的提高,出水TN提高,TN的平均去除率分别为92.42%、81.01%、70.06%。工况4采用分次进水、分次曝气运行方式,在曝气量、运行时间不变的情况下,出水TN逐渐恢复至工况2水平,平均出水TN为13.79 mg/L,能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准(≤15 mg/L),TN平均去除率提升至81.86%。
2.2 不同进水C/N下污染物去除过程分析
2.2.1 典型周期内COD和TP去除过程
选择污染物变化规律较明显的某一周期为典型周期。典型周期内COD和TP变化情况见图4。工况1～3下,进水后5 min由于稀释和活性污泥吸附作用,COD迅速下降至较低水平;在之后的厌氧段,由于反硝化菌对碳源的利用及聚磷菌对碳源的存储作用,COD迅速下降至50 mg/L以下;之后进一步缓慢下降,至330 min COD已基本降解至最低水平并维持至曝气结束。工况4分次进水、分次曝气,第1次进水后COD较工况1～3更低,第2次进水后COD提高,之后降解至和工况3较接近的水平。
图4 典型周期内COD和TP变化情况Fig.4 Variation of COD and TP in typical cycle
工况1～3下,随着C/N降低,MPR的厌氧释磷和好氧吸磷能力均逐渐下降。在厌氧30 min时段内,聚磷菌利用碳源进行厌氧释磷,厌氧段释磷后TP最大值分别为34.62、29.88、19.88 mg/L;进入好氧段后,TP持续下降,曝气300 min时TP分别为0.32、0.44、0.40 mg/L,之后2 h曝气过程中TP浓度基本不变。可以分析,在进水碳源浓度基本不变的条件下,随着进水氨氮浓度的升高,系统产生的硝酸盐氮也增多,硝酸盐氮会加剧碳源的消耗,影响系统厌氧释磷。而硝化作用对氧气的竞争也使系统好氧吸磷受到影响。工况4调整运行方式后,两次厌氧段释磷后TP最大值分别为6.37、5.31 mg/L,两次释磷后TP最大值之和小于单次进水,这表明分次进水对MPR厌氧释磷产生抑制作用,最终使系统TP的去除效率下降。
2.2.2 典型周期内脱氮过程分析
典型周期内各形态氮的质量浓度变化情况如图5所示。在进水C/N为8.7、平均进水氨氮为32.21 mg/L时,进水后由于稀释和吸附作用混合液内氨氮降为13.85 mg/L。在前30 min厌氧段,由于微生物的内源代谢作用释放出溶解性的氨氮,混合液内氨氮浓度略有升高;当系统开始曝气后,氨氮持续下降,至270 min降至6.78 mg/L,而在厌氧段,硝酸盐氮略有增加,亚硝酸盐氮基本为0 mg/L,TN降至15.56 mg/L,发生了明显的SND现象。在好氧阶段270 min至390 min,氨氮持续下降至1.20 mg/L,硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别上升至1.67、4.45 mg/L,TN浓度略有下降。可以计算出,在进水C/N为8.7时,ESND达到84.21%。
在进水C/N为5.6、平均进水氨氮为50.78 mg/L时,好氧阶段氨氮持续下降至0.74 mg/L,硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别上升至4.47、5.23 mg/L,TN降至10.44 mg/L,ESND为56.76%。可以分析,在碳源充足条件下,归功于MPR独特的结构,一方面通过液位提升,主反应区产生微压及反应器的半密封结构延长气泡与污水之间的接触时间,也提高了氧的转移和利用效率,反应器硝化效果优异;另一方面,在适当的曝气条件下,C/N为5.6～8.7时,MPR内形成不同的DO环境使不同种类的脱氮微生物共同作用,好氧段具有良好的SND效果。
图5 典型周期内各形态氮的质量浓度变化情况Fig.5 Mass concentration of various forms of nitrogen in typical cycle
当C/N为3.9、平均进水氨氮为72.31 mg/L时,曝气阶段氨氮降至1.23 mg/L,而硝酸盐氮浓度随着氨氮浓度的降低先降后持续上升。TN去除主要发生在厌氧段,ESND只有12.70%。
分次进水方式下,MPR在厌氧段TN浓度下降明显。其中在第1次厌氧段TN浓度下降是去除上一周期排水后剩余的硝酸盐氮,第2次则是去除第1次进水产生的硝酸盐氮。分段进水可使碳源在缺氧段被用于反硝化脱氮,系统的脱氮方式由单次进水的SND方式转变为主要通过缺氧反硝化脱氮,使有限的碳源优先被反硝化菌利用,系统脱氮效率得到提升,ESND提高至24.78%。
2.3 进水C/N和进水方式对MPR污泥特性的影响
2.3.1 对污泥量和污泥活性的影响
污泥浓度是影响污水处理效果的重要影响因素之一,与反应器内有机物去除效率和脱氮效率密切相关[16-17]。SOUR作为监测污泥生物活性的参数,被广泛应用于城市污水分析、评价和预测系统运行状况及处理能力等方面[18-19]。
当C/N为8.7、5.6时,MLSS分别为9 508、9 432 mg/L,MLVSS/MLSS基本保持在0.5～0.6,污泥活性良好。当C/N为3.9时,MLSS降至8 103 mg/L。对曝气初始污泥的OUR监测显示,C/N由8.7降至3.9时,SOUR由17.98 mg/(g·h)降至14.73 mg/(g·h),说明进水氨氮浓度较高时由于反硝化进程不完全,产生大量的硝酸盐氮对系统内微生物增长产生一定的抑制作用。工况4采用分次进水运行方式,系统活性逐渐恢复,MLSS提高至8 875 mg/L,SOUR提高至15.36 mg/g。
2.3.2 对活性污泥中EPS的影响
EPS是一类来自于微生物的代谢、裂解和废水本身的高分子聚合物,是活性污泥絮体主要成分之一。EPS对活性污泥絮体的物理化学特性及功能和结构的完整性有着重要的影响,决定着活性污泥的絮凝性、沉降性、脱水性和疏水性等。运行控制和环境因素的变化,如基质类型、C/N、SRT、有毒物质等影响EPS的产生和组成[20-22]。WANG等[23]认为紧密层EPS中PN和PS随着C/N的增大而增加,而松散层EPS并不受影响。随着C/N的下降,工况1～3下MPR内活性污泥的EPS含量逐渐降低(见表2),而PN/PS则逐渐升高。这是因为随着进水C/N的下降,系统内的碳源逐渐由充足状态转变为不足,大量的碳源被用于脱氮,使污泥用于合成EPS的原料减少,最终使EPS含量减少。另外,结合MLSS变化可知,高浓度进水氨氮及其经过好氧产生的硝酸盐氮积累对系统的污泥活性存在一定的损伤,从而使由生物代谢合成的EPS含量减少。工况4下活性污泥生成的EPS含量比工况3增多,这是因为通过运行调整后,进入系统的高浓度氨氮被稀释且内积累的硝酸盐氮也被大量去除,从而使污泥活性得到恢复,最终表现为系统EPS含量增加。
表2 进水C/N和进水方式对污泥中EPS的影响Table 2 Effects of influent C/N and operating mode on EPS
(1) 工况1～3下,MPR对氨氮的平均去除率分别为99.76%、99.48%、98.68%,对TN的平均去除率分别为92.42%、81.01%、70.06%。工况4分次进水、分次曝气后,更多碳源被用于反硝化,TN平均去除率提升至81.86%,出水TN低于15 mg/L。
(2) 随着进水C/N的下降,MPR内MLSS、EPS及好氧段内SOUR均下降,通过分次进水、分次曝气的运行调整后,系统的污泥活性得到了恢复。
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