改進(jìn)型合并凈化槽處理生活污水的影響因素

鮑可茜 ,高鏡清,王志斌,周 俊,張瑞芹

(1.鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究院, 河南鄭州 450001)

目前,全國農(nóng)村每年有超過2 500 萬t 的生活污水排放,80%沒有經(jīng)過任何處理直接排入河流、水塘,影響村民居住環(huán)境, 嚴(yán)重威脅農(nóng)民的身體健康[1-2]。我國農(nóng)村地區(qū)幾乎沒有污水管道系統(tǒng)和污水處理管理措施,這嚴(yán)重威脅了水環(huán)境安全,并且目前國內(nèi)一直沿用的傳統(tǒng)化糞池處理方式,已不能滿足國家有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4]。

合并凈化槽源于日本,是一種小型家用污水處理系統(tǒng),融活性污泥法和生物膜法于一體,適用于分散型地區(qū)的污水處理[5]。凈化槽作為分散式生活污水處理的有效手段,在日本有著廣泛的應(yīng)用,并且隨著技術(shù)的不斷革新,可以滿足不同的水質(zhì)處理要求[6-7]。該裝置采用A2/O 工藝,由厭氧(缺氧)-好氧槽構(gòu)成,可同時實現(xiàn)有機(jī)物去除和脫氮除磷[8-9]。相對于傳統(tǒng)處理工藝,合并凈化槽具有高效、一體化、污泥少和出水可循環(huán)利用等優(yōu)點,可采用埋地式,既可保溫、除臭,地面上又可作為其他用地,不影響用戶環(huán)境的美觀,適用于我國廣大農(nóng)村地區(qū)。該工藝主要利用附著于填料生長的生物膜去除污染物,即生物法。相對于物理化學(xué)法,生物法因其更環(huán)保和成本更低等優(yōu)勢而被推廣應(yīng)用于污水除去有機(jī)物、TN、TP,但是TP 的去除效果不盡理想[10-11]。因此,針對合并凈化槽除磷效果差和建造費用高等問題,改造和研制出符合我國國情的生活污水處理裝置具有重要意義。

筆者根據(jù)傳統(tǒng)的凈化槽工藝技術(shù),并結(jié)合地區(qū)實際情況,從降低填料成本、降低運行成本和提高除磷效果等方面進(jìn)行改進(jìn),改善后的凈化槽中采用自主研發(fā)的復(fù)合生物填料和微電解鐵屑床。為提高改進(jìn)后的凈化槽生活污水處理效果,試驗考察了水力停留時間(以下簡稱HRT)t、COD 有機(jī)負(fù)荷(以下簡稱OLR)L、污泥回流比R 共3 個運行條件對凈化槽生活污水處理效果的影響,力求得出最佳運行參數(shù),以期為該工藝在我國新農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 工藝流程和裝置

試驗工藝流程如圖1 所示,中試裝置如圖2 所示。裝置材質(zhì)為有機(jī)玻璃,總體規(guī)格為：長89 cm,寬40 cm,高66 cm,總有效容積216 L,主要由厭氧槽、缺氧槽、曝氣槽、沉淀槽及微電解鐵屑床等構(gòu)成,其中鐵屑床設(shè)置在厭氧槽中,復(fù)合生物填料分別安裝在缺氧槽、厭氧槽和曝氣槽中,厭氧槽、缺氧槽和曝氣槽的體積比為10∶6.8∶10,設(shè)計處理量為100 L/d。進(jìn)入到凈化槽中的污水依靠各區(qū)之間的位能差,形成自然流動。

圖1 工藝流程

圖2 中試裝置剖面圖(單位：cm)

1.2 試驗水質(zhì)

試驗采用人工模擬生活污水[12],其母液主要組分為：葡萄糖0.34 g/L;淀粉0.32 g/L;氯化銨0.051 g/L;蛋白胨0.316 g/L(TN ≥13%);牛肉膏0.08 g/L(TN ≥14%);硫酸銨0.056 8 g/L;磷酸二氫0.14 g/L;碳酸鈉0.12 g/L;乙酸鈉：0.233 g/L。所用試劑均為分析純,進(jìn)水采用母液稀釋,母液COD 質(zhì)量濃度約為1 200 mg/L, 控制ρ(COD)∶ρ(TN)∶ρ(TP)=100∶5∶1,每1 g COD 加入1 mL 微量元素。

1.3 反應(yīng)器運行及控制

在反應(yīng)器成功啟動后,整個試驗運行了120 d,室內(nèi)溫度為20 ～30 ℃,填料比為60%。反應(yīng)器系統(tǒng)達(dá)到基本穩(wěn)定后,進(jìn)入正式試驗階段。分別考察不同條件下凈化槽對生活污水中COD、TN 和TP 的處理效果,具體試驗安排見表1。

表1 反應(yīng)器運行條件

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用雙因素方差分析(ANOVA)和LSD比較,試驗結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)的形式展示,統(tǒng)計分析利用軟件SPSS(17.0)完成。P ＞0.05 表示差異不顯著,P ＜0.05 表示差異顯著, P ＜0.01 表示差異高度顯著,P ＜0.001 表示差異極顯著。

1.5 分析方法

COD 濃度采用重鉻酸鉀滴定法測定,TN 濃度采用堿性過硫酸鉀氧化法測定,TP 濃度采用鉬銻抗分光光度法測定[13],分析儀器為UV-2450 紫外可見光分光光度計(日本島津公司),依據(jù)的評價標(biāo)準(zhǔn)為GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT 對凈化槽處理效果的影響

由表2 可見,相同的槽,HRT 為4 h、8 h 和12 h時COD 的質(zhì)量濃度均有極顯著性差異(P ＜0.001),而HRT 為16h 和12h,COD 的質(zhì)量濃度無顯著性差異(P ＞0.05);同一HRT,每個槽之間對COD 的去除效果均存在極顯著差異(P ＜0.001)。隨著HRT 增加反應(yīng)器對COD的去除率呈先上升、后降低的趨勢,HRT 為4 h 和12 h 時,去除率出現(xiàn)了最小值和最大值,分別為88%、97%。HRT 較短為4 h 時,水力負(fù)荷過大,微生物未能充分降解水中的有機(jī)物,導(dǎo)致出水質(zhì)量濃度偏高(72 mg/L);而HRT 過長為16 h時,微生物因缺乏營養(yǎng)而脫落,因而出水COD 質(zhì)量濃度略高。在相同槽內(nèi),HRT 為4 h 和其他HRT 對TN 的去除效果均有極顯著性差異(P ＜0.001),而HRT 為8 h、12 h 和16 h 時TN 的質(zhì)量濃度沒有顯著性差異(P ＞0.05)。當(dāng)HRT 超過8 h 時,凈化槽對TN 的去除率可達(dá)到60%以上。充分的停留時間可使污水與微生物充分接觸,利用系統(tǒng)中形成的好氧或缺氧環(huán)境,發(fā)生硝化反硝化反應(yīng),從而提高TN 的去除率[14-15]。當(dāng)HRT 超過8 h 時,凈化槽對TP 的去除率達(dá)到80%以上,當(dāng)HRT 為8 h 和12 h 時,系統(tǒng)出水TP 質(zhì)量濃度較低,分別為0.88 mg/L 和0.86 mg/L。由于安裝有微電解鐵屑床,凈化槽對磷的去處作用主要由化學(xué)除磷和生物除磷共同作用完成,選擇合適的HRT,有利于找出聚磷菌和鐵鹽除磷的結(jié)合點,提高除磷效果[16-17]。

表2 HRT 對COD、TN 和TP 去除效果的影響

2.2 OLR 對凈化槽處理效果的影響

從表3 可看出,在相同的槽內(nèi),COD、TN 的質(zhì)量濃度不同,OLR 均存在顯著性差異(P ＜0.05)。隨著OLR 的增高, 反應(yīng)器對COD 的凈化效果略有升高,但當(dāng)OLR 大于2.7 g/(L?d)時,反應(yīng)器對COD 的去除效果有所下降,過高的OLR 超出了凈化槽中微生物對有機(jī)物的凈化能力,使微生物無法及時消耗掉有機(jī)污染物,造成處理效果變低[18-19],出水有機(jī)物濃度增大。但當(dāng)OLR 為3.6 g/(L?d)時,仍然能保持一個較高的COD 去除率(85%),表明凈化槽對OLR 的沖擊亦具有良好的適應(yīng)性。系統(tǒng)采用的厭氧(缺氧)-好氧工藝, 可同時實現(xiàn)有機(jī)物和氮的脫除[9],有利于完成不同OLR 下的除COD 和脫氮的效能。隨著OLR 的增加,每個槽TN 的去除率呈遞減趨勢,在OLR 大于2.7 g/(L?d)時,有機(jī)物濃度去除和脫氮效果仍然較佳,較好地實現(xiàn)了同時去除有機(jī)物和脫氮的效果。當(dāng)OLR 大于3.6 g/(L?d)時,TN 去除率僅為32%?？梢钥闯鯫LR 的過度增加,對系統(tǒng)中硝化菌和反硝化菌的適應(yīng)性亦會產(chǎn)生一定的影響。隨著OLR 的逐漸上升,TP 的去除率略呈上升趨勢。其原因可能有兩個方面：①微生物對TP 的吸收是一個耗能過程,需要消耗有機(jī)物來提供能量,所以有機(jī)物濃度直接影響了微生物除磷效率;②進(jìn)水OLR 的上升,為分解有機(jī)物提供了適合聚磷菌生存的微厭氧/好氧環(huán)境[20-21],從而增強(qiáng)了TP 的去除效果。

2.3 回流比對合并凈化槽運行的影響

表3 OLR 對COD、TN 和TP 去除效果的影響

表4 R 對COD、TN 和TP 去除效果的影響

3 結(jié) 論

a.HRT 對有機(jī)物的去除有較大影響,而對TN、TP 的影響較小。本試驗條件下確定工藝的最佳的HRT 為8 h,此時COD、TN 和TP 的去除率分別為95%、63%和87%。

b.系統(tǒng)對有機(jī)負(fù)荷具有較強(qiáng)的抗沖擊能力,在OLR 為2.7 g/(L?d)時,出水COD、TN 和TP 平均質(zhì)量濃度分別為87.37 mg/L、8.50 mg/L 和0.82 mg/L,平均去除率分別達(dá)到90%、74%和88%。當(dāng)進(jìn)水OLR 為2.7 g/(L?d)時,出水COD 已無法達(dá)到國家生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

c.回流比的變化對系統(tǒng)去除COD 沒有明顯影響,但對TN 和TP 的去除有較大的影響?；亓鞅葹?5%有利于實現(xiàn)3 類污染物最佳的去除效果,此時凈化槽出水COD、TN 和TP 平均質(zhì)量濃度分別為30.21 mg/L、9.61 mg/L 和0.43 mg/L,平均去除率分別達(dá)到95%、70%和94%。

d.從顯著性分析可以看出,合并凈化槽每個槽對COD、TN 和TP 均有一定作用,其中厭氧槽對于有機(jī)物去除效果影響最大。相對于傳統(tǒng)的凈化槽,改進(jìn)后的合并凈化解決了除磷效果不好的問題,并且強(qiáng)化了有機(jī)物和氮的去除效果。

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