水力停留時(shí)間對(duì)污水中污染物去除研究
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間:2020-4-1 11:16:47
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本
隨著新疆農(nóng)村人口數(shù)量增加及農(nóng)牧行業(yè)的發(fā)展,該地區(qū)生活用水的需求越來(lái)越大,生活污水排放量也急劇增加。生活污水產(chǎn)生高含量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,直接排放將導(dǎo)致農(nóng)村環(huán)境水體的惡化。直接排放的污水已經(jīng)成為新疆地區(qū)水環(huán)境污染的重要來(lái)源。農(nóng)村污水水質(zhì)具有成分簡(jiǎn)單、可生化性好的特點(diǎn),因此開發(fā)適用于農(nóng)村生活污水水質(zhì)的處理技術(shù),成為當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
目前生活污水處理的工藝包括序批式活性污泥法(SBR)、厭氧 - 缺氧 - 好氧(A/A/O)和生物濾池等,但都由于農(nóng)村污水的污染源分散、水量變化較大和收集困難等原因,難以在農(nóng)村地區(qū)推廣。氧化溝(OD)工藝因其具有成本低、靈活性強(qiáng)和抗沖擊性能等優(yōu)勢(shì),在污水處理工藝中應(yīng)用廣泛。氧化溝工藝主要利用裝置內(nèi)溶解氧(DO)在水流沿程的衰減程度來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器在空間上厭氧、好氧及缺氧的分布情況,最終完成同步脫氮除磷。國(guó)內(nèi)外對(duì)于氧化溝工藝運(yùn)行的影響因素,如 DO、碳氮比、pH、曝氣、水力停留時(shí)間(HRT)等進(jìn)行了基礎(chǔ)的研究。但是這些研究中針對(duì) HRT 在深度脫氮除磷和工藝控制方面的研究均不夠深入和廣泛。
HRT 是影響活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷性能及微生物種群分布的重要因素,主要是對(duì) COD 的降解和硝酸鹽的釋放以及好氧硝化和磷的去除產(chǎn)生影響。因此,探討 HRT 對(duì)氧化溝工藝的影響對(duì)于提升運(yùn)行效果、確定工藝的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)具有重要意義。
本研究基于氧化溝裝置進(jìn)行改進(jìn),借助于氧化溝底部曝氣管的合理設(shè)置,在反應(yīng)器內(nèi)形成缺氧 -厭氧 - 好氧分布,從而改善微生物群落的分布,進(jìn)而提高氧化溝裝置的污染物降解能力。以模擬污水為研究對(duì)象,考察不同 HRT 對(duì)反應(yīng)器中 COD、NH +-N和 TP 去除的影響,分析不同 HRT 對(duì)出水水質(zhì)的影響,從而確定氧化溝工藝的優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),提高氧化溝工藝對(duì)污水中氮和磷等污染物的去除效率,為氧化溝工藝應(yīng)用于處理實(shí)際生活污水提供科學(xué)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置采用自行設(shè)計(jì)的氧化溝,見圖 1。
圖 1 氧化溝工藝流程
反應(yīng)器以有機(jī)玻璃為材料,有效體積為 40 L,具體尺寸為 0.8 m×0.2 m×0.35 m,有效水深為 250mm。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有潛水泵進(jìn)行泥水混合;旌弦簭钠貧獬匾缌髦脸恋沓毓桃悍蛛x。系統(tǒng)采用蠕動(dòng)泵完成連續(xù)進(jìn)水和污泥回流,并利用流量計(jì)實(shí)現(xiàn)曝氣量流速控制。通過(guò)底部曝氣管的合理設(shè)置,在反應(yīng)器沿程呈現(xiàn)厭氧 - 缺氧 - 好氧的空間分布。同時(shí)利用工藝有效的內(nèi)循環(huán),使反應(yīng)器作為好氧厭氧一體化工藝運(yùn)行。
1.1 實(shí)驗(yàn)條件
采用人工配水,設(shè)定進(jìn)水 COD 平均為 300 mg/L, NH +-N、TP 的質(zhì)量濃度分別為 40、3 mg/L。COD 和 NH +-N 分別通過(guò)葡萄糖和 NH4Cl 的投加量來(lái)控制, TP 含量通過(guò)磷酸二氫鉀調(diào)節(jié),添加 NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度,并投加一定比例的微量元素維持微生物生長(zhǎng)的良好環(huán)境(表 1)。
設(shè)定反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)期的運(yùn)行參數(shù) HRT 為 24 h,污泥回流體積比為 200%,反應(yīng)器內(nèi) MLSS 的質(zhì)量濃度為 2.0~2.5 g/L,溫度為 29~30 ℃,污泥停留時(shí)間(SRT)為 20 d,曝氣區(qū)、缺氧區(qū) DO 的質(zhì)量濃度分別為(3.8±0.4)、<0.8 mg/L。污泥采自石河子市某污水處理廠的曝氣池。
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成后,每天定期采集進(jìn)出口水樣。研究不同的 HRT(8、10、12、14 h)對(duì)系統(tǒng)污染物脫除影響,考慮到反應(yīng)體系的穩(wěn)定性,每個(gè) HRT 條件運(yùn)行 1 周。通過(guò)檢測(cè)進(jìn)出水中的 COD 和 NH +-N、 TP、NO --N、NO --N 含量等,從而確定污水處理工藝運(yùn)行的優(yōu)化 HRT。
1.1 分析方法
COD 和NH +-N、NO --N、NO --N、TP 等指標(biāo)的測(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè),DO 含量采用溶氧儀測(cè)定。
1 結(jié)果與討論
1.1 啟動(dòng)期 COD 的變化情況
反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程可分為啟動(dòng)初期、中期和末期。啟動(dòng)期間 COD 的去除情況見圖 2。
由圖 2 可知,啟動(dòng)初期,進(jìn)水 COD 為(300±28)mg/L,系統(tǒng) COD 的去除率始終低于 70%。種泥中含
有部分活性微生物,具有一定的 COD 降解活性。污泥從污水處理廠接種至實(shí)驗(yàn)室后,活性污泥對(duì)反應(yīng)器有一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程,造成種泥中部分活性污泥死亡,導(dǎo)致去除率較低。隨著污泥的馴化,微生物通過(guò)自我調(diào)節(jié)能力適應(yīng)環(huán)境,需要消耗更多的有機(jī)物,COD 的去除率逐漸升高。
啟動(dòng)至中期第 4-10 天,系統(tǒng)對(duì) COD 的去除率最高可達(dá)到 90%,表明系統(tǒng)中活性微生物總量開始快速增加,馴化后的活性污泥具有良好的 COD 降解性能。但是,該時(shí)期的污泥馴化不徹底,有一部分未能適應(yīng)周圍環(huán)境的微生物以及生物絮體會(huì)隨著出水流出反應(yīng)器,使得 COD 的去除率在 80%~90%變化。于鳳慶等采用活性污泥在馴化階段 COD 的去除率為 80%,較本研究偏低且馴化時(shí)間偏長(zhǎng)。啟動(dòng)末期,系統(tǒng)對(duì) COD 去除率穩(wěn)定維持在 90%左右,表明氧化溝工藝已經(jīng)初步具備處理污水的能力。
2.2 HRT 對(duì) COD 去除的影響
圖 3 是 HRT 依次設(shè)置為 14、12、10、8 h 條件下的 COD 去除情況。
由圖 3 可知,反應(yīng)器始終維持良好的除 COD 效率,出水平均 COD 穩(wěn)定在 50 mg/L 以下。HRT 分別為 8 h 和 10 h 時(shí),COD 去除率高達(dá) 90%以上,此時(shí)活性污泥和污水混合接觸的時(shí)間比較充分,從而有效提高反應(yīng)器處理污水的能力。此外,系統(tǒng)中的活性微生物需要利用有機(jī)物來(lái)合成自身儲(chǔ)能物質(zhì)(PHB),促進(jìn)有機(jī)質(zhì)充分氧化分解。HRT 由 10 h延長(zhǎng)至為 12 h 時(shí),COD 去除率基本沒有變化,始終維持在 90%。進(jìn)一步延長(zhǎng)處理時(shí)間至 14 h,COD 去除率有下降的趨勢(shì)(86%),并且無(wú)法維持穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí) HRT 過(guò)長(zhǎng),部分活性污泥發(fā)生老化,污泥穩(wěn)定性降低,不利于活性污泥對(duì)有機(jī)物質(zhì)的吸附過(guò)程,導(dǎo)致COD 的去除率降低。結(jié)果表明,COD 的去除率受 HRT 的影響較小,這與于鳳慶和尹航在利用改進(jìn)型工藝處理污水的研究結(jié)果一致。可能與有機(jī)物進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)被稀釋,降低了有機(jī)負(fù)荷的沖擊有關(guān)。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2.3 HRT 對(duì)氮素去除的影響
HRT 對(duì) NH +-N 和 NO --N 和 NO --N 的去除效果的影響如圖 4 和圖 5 所示。
由圖 4 可知,進(jìn)水 NH +-N 的質(zhì)量濃度為 33~ 40 mg/L 時(shí),出水 NH +-N 的質(zhì)量濃度為 2~5 mg/L。HRT 在 12、10、8 h 的條件下的 NH +-N 平均去除率分別為 97%、96%、96%,并且高于 14 h 時(shí)的 90%。隨著 HRT 的減少,污水處理工藝對(duì) NH +-N 去除率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)并維持穩(wěn)定的去除效果。原因是,HRT 為 14 h 的時(shí)候,污水混合物在反應(yīng)器中停留時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥微生態(tài)環(huán)境造成沖擊,破壞反應(yīng)體系中反硝化環(huán)境的平衡;HRT 過(guò)長(zhǎng)時(shí),系統(tǒng)中有機(jī)碳含量相對(duì)較低,處于厭氧環(huán)境中的反硝化細(xì)菌的活性受到抑制,導(dǎo)致 NH +-N 去除率較低。隨著 HRT 的降低,促進(jìn)異養(yǎng)菌的增殖,有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行,同時(shí)相對(duì)充足的有機(jī)碳源提供電子供體,保證了 NH +-N 的高效去除,NH +-N 去除率提高。HRT 繼續(xù)減小(8 h),NH +-N 去除率沒有進(jìn)一步的增長(zhǎng),表明此時(shí)系統(tǒng)的脫氮反應(yīng)已經(jīng)充分進(jìn)行,再繼續(xù)增加 HRT 只會(huì)增加運(yùn)行能耗。這與王曉蓮等得出優(yōu)化 HRT 為 8.5 h 實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似;PAI 等也在 HRT 為 9 h 的條件下 NH +-N 去除效果為佳?紤]到系統(tǒng)工藝對(duì)生活污水的處理能力和運(yùn)行成本,宜取 HRT 為 10 h。
由圖 5 可知,HRT 從 8 h 增加至 10 h 和 12 h 時(shí),NO3 -N 含量逐漸降低并維持穩(wěn)定。當(dāng) HRT 進(jìn)一步延長(zhǎng)至 14 h,NO --N 產(chǎn)生了積累,并高于 8 h 的 0.011mg/L 的平均質(zhì)量濃度。這是由于合成的生活污水中氯化銨是唯一的氮源,所以進(jìn)水 NO --N 和 NO --N含量很小。HRT 為 14 h 時(shí),出水 NO --N 含量比 12 h和 10 h 高,可能原因是 HRT 過(guò)長(zhǎng),在好氧區(qū),硝化細(xì)菌發(fā)生比較徹底的硝化反應(yīng),一部分 NO --N 隨出水溢流排出,使得出水中 NO --N 含量較高。這與 HRT 為 14 h 時(shí) NH +-N 去除率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)相一致[26]。此時(shí),有機(jī)碳含量成為 NH +-N 去除的限制因子。當(dāng) HRT 降低,系統(tǒng)污泥回流量增加,在好氧區(qū),硝化細(xì)菌將 NH +-N 轉(zhuǎn)化為 NO --N 或 NO --N;在缺氧區(qū)時(shí),反硝化細(xì)菌以硝酸鹽為電子受體,葡萄糖為電子供體,將 NO --N 或 NO --N 還原為 N ,并逸出反應(yīng)器,保證了同步硝化反硝化的脫氮效率。HRT 為 8 h 時(shí),微生物與污水接觸時(shí)間短,部分活性污泥隨水流溢流出反應(yīng)器,導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化反應(yīng)不完全,造成出水硝態(tài)氮濃度升高。
由圖 5 還可知,NO --N 的積累量隨著 HRT 的減少呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)。HRT 降低,活性污泥與污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)反應(yīng)不充分,導(dǎo)致硝化反應(yīng)中間產(chǎn)物 NO --N 含量的降低。
2.4 HRT 對(duì) TP 去除的影響
HRT 對(duì) TP 的去除效果的影響如圖 6 所示。由圖 6 可知,隨著 HRT 降低,TP 去除率整體上呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢(shì),HRT 為 10 h 時(shí),出水TP 平均含量最低,平均去除率為 66%,表明適當(dāng)增加 HRT 可以促進(jìn) TP 的去除。當(dāng) HRT 為 14 h 時(shí),硝化細(xì)菌與聚磷菌(PAOs)存在競(jìng)爭(zhēng),且硝化細(xì)菌的生存能力高于 PAOs,造成 PAOs 的活性降低,不利于系統(tǒng)的除磷過(guò)程[28]。反硝化細(xì)菌優(yōu)先利用污水中
有機(jī)物成長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌,PAOs 在厭氧狀態(tài)下活性受到抑制,釋磷過(guò)程不充分,PHB 的產(chǎn)生量減少,PAOs 釋磷過(guò)程中產(chǎn)生的可用于好氧吸磷的能量就相對(duì)減少,導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效率的下降。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后(當(dāng) HRT=12 h 和 10 h 時(shí)),系統(tǒng)負(fù)荷開始升高,在氧化溝厭氧區(qū)域環(huán)境中,硝化程度降低,這與出水中硝酸鹽含量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)相一致。較多的COD 被用于合成PAOs 需要的PHB 等物質(zhì),為 PAOs創(chuàng)造了較好的除磷環(huán)境;在好氧環(huán)境中,活性污泥中的 PAOs 則將較多的磷酸鹽以聚合物的形式儲(chǔ)存在體內(nèi),形成富磷污泥,最終以剩余污泥的形式被排出反應(yīng)器。YIN 等同樣在 HRT 為 10.5 h 除磷效率達(dá)到最高,此時(shí)系統(tǒng)的硝化效果得到加強(qiáng),為缺氧區(qū)脫磷過(guò)程提供較多的電子受體,強(qiáng)化反硝化聚磷菌的除磷能力。為保證氧化溝具有良好的除磷效率,選取HRT 為10 h 為優(yōu)化的運(yùn)行條件。
3 結(jié) 論
以模擬農(nóng)村生活污水為研究對(duì)象,采用改進(jìn)型氧化溝反應(yīng)器對(duì)污水處理影響因素 HRT 進(jìn)行研究,通過(guò)探究 COD、NH +-N、TP 在不同 HRT 條件下的去除情況,以及氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律。得出如下結(jié)論:
1)HRT 對(duì)污水中污染物的去除效率存在影響,對(duì) COD 的去除影響較小,對(duì) TP 的去除影響較大,TP 的去除率隨 HRT 的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);HRT 過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成 NH +-N 去除率的下降,即 HRT 過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低氧化溝的脫氮除磷效果。
2)進(jìn)水中 NH +-N 在氧化溝反應(yīng)器內(nèi)被硝化細(xì)菌氧化成 NO --N 和 NO --N,然后在缺氧區(qū)內(nèi)反硝化細(xì)菌協(xié)同作用下,實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化脫氮過(guò)程。
3)HRT 對(duì)氧化溝中活性污泥的脫氮除磷效率有很大影響。綜合考慮氧化溝系統(tǒng)對(duì)污水的處理能力和脫氮除磷效率,在進(jìn)水 COD 為 300 mg/L,NH +-N、TP 的質(zhì)量濃度分別為 40、3 mg/L 時(shí),采用 HRT 為 10 h 為優(yōu)化運(yùn)行條件。此時(shí),反應(yīng)體系對(duì) COD、 NH +-N 和 TP 的去除率分別為 91%、96%和 66%,其中出水 COD 和 NH +-N 含量滿足 GB 18918-2002的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。(來(lái)源:石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)