改良UCT工藝處理高氨氮生活污水的實(shí)驗(yàn)研究

賈軍峰，吳俊奇，王真杰，劉書敏，孫鵬展

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心，北京 100835；3.倍適科技有限公司，北京 100124)

污水中氮磷含量增加是引起水體富營養(yǎng)化的主要原因，隨著人們生活水平提高和生活習(xí)慣改變，高氨氮、低碳氮比生活污水普遍存在[1]。高氨氮生活污水對微生物的生長有抑制作用，很難進(jìn)行生物處理，必須增加回流比來稀釋原污水[2]。生活污水中C/N低會(huì)影響總氮和磷的去除。所以，一般活性污泥法處理高氨氮污水有一定困難[3]。

高氨氮生活污水對活性污泥有很大沖擊。一方面，使原生或后生動(dòng)物不能適應(yīng)高氨氮環(huán)境，形成胞囊，從而活性降低；另一方面，硝化反應(yīng)中溶解氧不足，導(dǎo)致脫氮效果不好[4]。通過對UCT工藝進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)具有較高的總氮、氨氮和COD去除率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

生活污水，取自某大學(xué)家屬樓生活污水排污口，水質(zhì)見表1；葡萄糖、堿性過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸鹽、酒石酸鉀鈉、納氏試劑均為分析純。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

TU-1810型紫外可見分光光度計(jì)；BOXUN立式壓力蒸汽滅菌器；CM-05型COD多參數(shù)水質(zhì)測定儀(與之配套藥劑有COD耗材1號和COD試劑2號)；WTW Multi3630溶解氧測定儀；Milwaukee pH56筆式酸度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用改良的UCT工藝處理高氨氮生活污水，裝置分厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)共4個(gè)區(qū)，工藝流程示意見圖1。其中r1回流為缺氧區(qū)至厭氧區(qū)，r2回流為好氧區(qū)至缺氧區(qū)，r3回流為沉淀區(qū)至缺氧區(qū)，r4回流為缺氧區(qū)內(nèi)循環(huán)，r5回流為沉淀區(qū)至缺氧區(qū)，碳源投加點(diǎn)在缺氧區(qū)首端。

圖1 工藝流程示意圖

實(shí)驗(yàn)期間白天對進(jìn)、出水取3次，間隔4 h取樣1次，混合后作為待測平均水樣。實(shí)驗(yàn)測定項(xiàng)目及分析方法見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測定項(xiàng)目及分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 總氮去除效果

2.1.1 回流比對出水總氮的影響 回流比的調(diào)整分為七個(gè)工況，不同工況回流比對進(jìn)出水總氮的影響見圖2。

圖2 不同工況進(jìn)、出水總氮隨時(shí)間變化曲線

氮主要是在好氧區(qū)氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和在缺氧區(qū)硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛コ?，回流比是污水處理過程中一個(gè)重要的參數(shù)[5]。由圖2可知，第一工況(1～5 d)，沉淀區(qū)至缺氧區(qū)污泥回流100%，硝化液回流100%，缺氧區(qū)至厭氧區(qū)回流100%，出水總氮平均值37.93 mg/L。第二工況(6～11 d)增加缺氧區(qū)內(nèi)循環(huán)，回流比為100%，出水總氮平均值31.98 mg/L，缺氧區(qū)內(nèi)循環(huán)的增加提高了系統(tǒng)的反硝化效果。第三工況(12～15 d)加大沉淀區(qū)至缺氧區(qū)污泥回流至200%，出水總氮平均值為22.18 mg/L，使沉淀區(qū)更多的硝酸鹽氮進(jìn)入到缺氧區(qū)，增大了缺氧區(qū)反硝化的潛力。第四工況(16～21 d)取消缺氧區(qū)內(nèi)循環(huán)，反硝化反應(yīng)減弱，出水總氮平均值為25.70 mg/L。第五工況(22～25 d)增大硝化液回流至200%，硝化液回流的加大，更多的硝酸鹽氮進(jìn)入缺氧區(qū)，通過反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，總氮去除效果提高，平均值?1.65 mg/L。第六工況(26～35 d)污泥回流降為50%，出水總氮平均值28.58 mg/L。故第七工況從第36 d起回流比調(diào)整如下：沉淀區(qū)至缺氧區(qū)污泥回流200%，硝化液回流200%，缺氧區(qū)至厭氧區(qū)回流100%，出水總氮平均值21.05 mg/L。可見不同回流比對出水總氮有很大的影響。

回流比的增加使進(jìn)水氨氮稀釋增加，系統(tǒng)各區(qū)的氨氮濃度降低，在好氧區(qū)對硝化細(xì)菌的抑制減弱，進(jìn)而硝化細(xì)菌大量繁殖，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行逐漸達(dá)到低氨氮的穩(wěn)態(tài)環(huán)境。

2.1.2 碳源投加量對出水總氮的影響 由于進(jìn)水COD平均值為220 mg/L，進(jìn)水總氮平均值為95 mg/L，C/N≈2.3∶1，C/N嚴(yán)重不足，僅依靠自身碳源不能使系統(tǒng)有較好的脫氮效果。反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，碳源的種類和C/N是生物脫氮除磷重要因素[6]。碳源對于反硝化過程起著重要作用。本實(shí)驗(yàn)選用碳源為葡萄糖，葡萄糖投加分六個(gè)工況，碳源投加量對出水總氮的影響見圖3。

圖3 葡萄糖不同投加量的進(jìn)出水總氮隨時(shí)間變化曲線

由圖3可知，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，未投加碳源時(shí)，出水總氮平均值為37.58 mg/L，此工況進(jìn)行反硝化主要靠內(nèi)碳源反硝化(PHAs)，由于反硝化效率較低、速率慢，從而脫氮效率不可能很高。第一工況(1～5 d)在缺氧區(qū)投加葡萄糖，C/N為3∶1，出水總氮平均值為32.41 mg/L，第二工況(6～11 d)，C/N為4.5∶1，出水總氮平均值為22.12 mg/L，碳源增加給反硝化細(xì)菌提供了營養(yǎng)，反硝化細(xì)菌利用碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，出水總氮降低。第三工況(12～29 d)C/N為4∶1，出水總氮平均值為25.69 mg/L，第四工況(30～35 d)C/N為3.5∶1，出水總氮平均值為30.58 mg/L，可見系統(tǒng)脫氮效果受碳源影響很大，投加碳源的多少對總氮的去除有很大的影響。第五工況(36～42 d)恢復(fù)C/N為4.5∶1，出水總氮下降，隨著系統(tǒng)運(yùn)行出水總氮平均值為20.23 mg/L，此工況進(jìn)行異養(yǎng)反硝化的外碳源較多，反硝化速率較快，進(jìn)而脫氮效率提升。第六工況(43～65 d)C/N保持4.5∶1不變，通過調(diào)節(jié)回流比、增加沉淀區(qū)至好氧區(qū)回流等措施，出水總氮平均值為12.02 mg/L。

在不改變工況條件下，系統(tǒng)的脫氮效果難以進(jìn)一步提高?？赡茉蚴牵孩俑邼舛劝钡?jīng)硝化后轉(zhuǎn)化為大量的硝酸鹽氮，通過硝化液回流至缺氧區(qū)，高DO濃度破壞了缺氧環(huán)境，給缺氧區(qū)造成了較大的壓力，反硝化細(xì)菌在不利環(huán)境中難于生存，數(shù)量減少，從而影響了反硝化作用，導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率較低。同樣污泥回流中DO濃度對缺氧區(qū)也產(chǎn)生一定影響；②實(shí)驗(yàn)進(jìn)水COD平均值220 mg/L，進(jìn)水總氮平均值 95 mg/L，C/N≈2.3∶1，可見碳源不足，僅靠自身碳源脫氮效果難以進(jìn)一步提高。為了使出水總氮達(dá)標(biāo)，通過上述六個(gè)工況的調(diào)整，出水總氮平均值為12.02 mg/L，出水總氮保持在15 mg/L以下，在第57 d和第59 d出水總氮分別為9.21 mg/L和 7.35 mg/L。

2.2 氨氮去除效果

氨氮的去除與好氧區(qū)DO濃度有很大關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)曝氣量，改變好氧區(qū)的DO濃度，共有六個(gè)工況。進(jìn)出水氨氮含量隨時(shí)間變化曲線見圖4。

由圖4可知，污泥培養(yǎng)時(shí)期，出水氨氮濃度較高，去除率偏低。這是因?yàn)檫M(jìn)水氨氮濃度過高，好氧區(qū)的硝化細(xì)菌還沒有培養(yǎng)成熟，數(shù)量也少，硝化效果不明顯。隨著污泥培養(yǎng)的進(jìn)行，系統(tǒng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定。第一工況(1～9 d)出水氨氮濃度雖然很低，氨氮平均值為0.91 mg/L。為了保持滿足好氧區(qū)的硝化效果，系統(tǒng)DO濃度為4.25 mg/L。高DO含量使好氧區(qū)的污泥發(fā)黃、松散，出水硝氮含量很高，導(dǎo)致污水進(jìn)入沉淀區(qū)后發(fā)生反硝化反應(yīng)，大量污泥上浮，污泥流失嚴(yán)重，使污泥處于輕度膨脹狀態(tài)，污泥濃度下降，且出水SS和COD含量上升。

為解決沉淀區(qū)污泥上浮問題，第二工況(10～15 d)的DO平均濃度為3.10 mg/L，污泥上浮問題有很大緩解，污泥顏色變深，氨氮出水平均值2.25 mg/L。第三工況(16～21 d)、第四工況(22～27 d)和第五工況(28～33 d)DO平均濃度分別為2.21，1.48，1.02 mg/L，隨著DO濃度的降低，氨氮出水濃度逐漸升高，第31 d出水氨氮濃度最高，可達(dá)7.38 mg/L，未達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。第六工況從第34 d起DO濃度維持在1.40～1.50 mg/L，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，出水氨氮含量保持在1.50 mg/L以下。

雖然高DO濃度能明顯提高系統(tǒng)的硝化效果，但是DO濃度不能過大，否則不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，高DO濃度會(huì)使好氧區(qū)的污泥發(fā)黃、松散，造成沉淀區(qū)污泥上浮和污泥膨脹現(xiàn)象。此外，高DO濃度下硝化液回流也會(huì)對缺氧區(qū)反硝化和裝置除磷效果有影響。所以系統(tǒng)運(yùn)行工況DO濃度保持在1.40～1.50 mg/L 左右。

2.3 COD去除效果

進(jìn)、出水COD濃度隨時(shí)間變化曲線見圖5。

圖5 進(jìn)、出水COD濃度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知，第1～3 d運(yùn)行初期系統(tǒng)還沒穩(wěn)定，微生物沒有培養(yǎng)成熟，數(shù)量也較少，出水第2 d的COD達(dá)到65 mg/L。隨著系統(tǒng)的逐步穩(wěn)定，第 7 d 起系統(tǒng)出水COD穩(wěn)定在20～40 mg/L之間，可達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，可見接種污泥的數(shù)量對于COD的去除有很大關(guān)系。在裝置運(yùn)行工況，出水COD值常常高于好氧區(qū)末端的COD值，原因是系統(tǒng)一直保持較高的DO濃度，污泥過氧化較嚴(yán)重，好氧區(qū)出現(xiàn)大量泡沫，影響沉淀效果，導(dǎo)致出水COD濃度偏高。在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，通過對好氧區(qū)微生物的觀察，好氧區(qū)有大量輪蟲出現(xiàn)，可見出水水質(zhì)良好。

3 結(jié)論

(1)回流比對出水總氮有顯著影響。在r1回流為100%，r2回流為100%，r3回流為100%時(shí)，增加r4回流為100%，出水總氮平均值由37.93 mg/L降為31.98 mg/L；增大r3回流至200%，出水總氮平均值為22.18 mg/L；r2回流由100%增大為200%，出水總氮平均值由25.70 mg/L降為21.65 mg/L。

(2)碳源投加量能提高出水總氮的去除。通過投加葡萄糖使C/N由2.3∶1變?yōu)?.5∶1時(shí)，出水總氮平均值由37.58 mg/L降低為20.23 mg/L，基本達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 國家一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)較高DO濃度能明顯提高氨氮的轉(zhuǎn)化，硝化效果好。但過高DO濃度的硝化液回流會(huì)破壞缺氧區(qū)環(huán)境，降低系統(tǒng)脫氮效率。過高DO濃度也會(huì)導(dǎo)致污泥過氧化嚴(yán)重，好氧區(qū)出現(xiàn)大量泡沫，影響沉淀效果，出水COD濃度升高，出現(xiàn)COD出水值常高于好氧區(qū)末端COD值。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)DO濃度維持在1.40～1.50 mg/L之間。

(4)通過對改良UCT工藝的小型生活污水實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行監(jiān)測，在進(jìn)水總氮含量在80～125 mg/L下，總氮出水平均值12.02 mg/L，出水氨氮小于1.5 mg/L，COD出水穩(wěn)定在20～40 mg/L，可達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。