雙級間歇曝氣高效反應(yīng)器處理生活污水試驗研究

陳彥昭,管錫珺,張明輝,胡文韜,陳計洋,曹宇浩

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,青島 266525)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)量的急劇增長,城鎮(zhèn)和農(nóng)村的居民生活用水量也不斷增加,部分地區(qū)生活污水的排放量倍增,其中農(nóng)村生活污水呈現(xiàn)出分散式排放的特點[1],導(dǎo)致水源面臨污染的可能性顯著提升。

生活污水主要由三大部分組成,分別為洗浴廢水、廁所廢水和餐廚廢水,污水的水質(zhì)和特性具有較大差異,污水中具有許多有害物質(zhì),不僅會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化[2],還威脅居民的飲水健康和生命安全,造成其他生產(chǎn)行業(yè)的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失,對生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性造成了永久的破壞。

鑒于上述污水污染現(xiàn)狀,發(fā)展出了一系列生活污水的處理工藝。傳統(tǒng)污水處理的核心工藝一般為生物濾池、A/O、A2/O等,生物濾池具有運行成本低和占地面積小的優(yōu)點,但經(jīng)過長時間運行后,不可避免會導(dǎo)致濾池堵塞。A/O,A2/O工藝不易產(chǎn)生污泥膨脹,但其回流污泥中硝酸根和溶解氧會破壞厭氧環(huán)境。目前新型處理工藝有智能型農(nóng)村污水處理設(shè)備,污染物去除效果好;同時一體化污水處理設(shè)備也備受人們關(guān)注。前者實現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制,無需人工值守;后者占地面積小,但投資費用和維護(hù)費用較高。由于生活污水具有分布范圍廣、收集難度大的特點,不容易進(jìn)行大規(guī)模集中處理,也不能生搬硬套現(xiàn)存的其他工藝。在現(xiàn)實生活中,需要優(yōu)先考慮投資小、能耗低的高效工藝。因此,在現(xiàn)存工藝的基礎(chǔ)上,探究一種高效、節(jié)能的新型環(huán)保反應(yīng)器是尤為迫切的。

本實驗采用自行設(shè)計的雙級間歇曝氣高效反應(yīng)器,污水經(jīng)兩級反應(yīng)器處理后,實現(xiàn)優(yōu)化出水水質(zhì)效果,待反應(yīng)器運行穩(wěn)定,控制容積負(fù)荷在1.5,2.0,2.5 kg/ (m3·d)參數(shù)下,由實際除碳脫氮效果,選擇最佳運行工況。目的是能讓該反應(yīng)器充分地融入實際應(yīng)用中,達(dá)到運行操作簡便、節(jié)能高效的要求。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。本裝置中一級反應(yīng)器容積為150 L(長×寬×高=0.45 m ×0.45 m×0.75 m),二級反應(yīng)器容積為80 L (長×寬×高=0.35 m×0.35 m ×0.65 m),一級反應(yīng)器容積略大于二級反應(yīng)器,兩級反應(yīng)器除容積不同外,其余結(jié)構(gòu)均相同,反應(yīng)器內(nèi)含有曝氣裝置。裝置材質(zhì)為有機(jī)玻璃,構(gòu)造簡單,優(yōu)點是方便實時觀察實驗現(xiàn)象,包括曝氣氣泡大小、數(shù)量和泥水混合形態(tài)等,根據(jù)不同實驗現(xiàn)象,隨時進(jìn)行裝置調(diào)控。

圖1 實驗裝置及工藝流程1—電機(jī);2—聯(lián)軸器;3—軸承;4—固定支架;5—進(jìn)氣筒;6—曝氣葉輪;7—溶解氧儀;8—沉淀區(qū);9—曝氣區(qū);10—時間控制器;11—恒流泵;12—排泥口;13—豎直擋板;14—出水口;15—最終出口;16—進(jìn)水箱

實驗用水在污水泵作用下,送達(dá)實驗室,存于600 L的水箱內(nèi),為保證均質(zhì)進(jìn)水,水箱配有攪拌裝置。兩個間歇曝氣高效反應(yīng)器除容積不同外,其余基本構(gòu)造均相似。本實驗采用間歇曝氣的曝氣方式,并實現(xiàn)同步進(jìn)水、同步出水[3]。在反應(yīng)區(qū)右側(cè)設(shè)置豎直擋板,目的是在反應(yīng)器中形成兩個區(qū)域,左側(cè)區(qū)域為曝氣區(qū),右側(cè)區(qū)域為沉淀區(qū),優(yōu)點是保證污水先進(jìn)入曝氣區(qū),之后進(jìn)入沉淀區(qū)。曝氣器由曝氣葉輪、進(jìn)氣筒和鋼軸三部分組成,在聯(lián)動軸作用下,由旋轉(zhuǎn)旋渦充分將氣、泥、水三者混合,曝氣葉輪實現(xiàn)曝氣功能和推流效果。為了反應(yīng)區(qū)整體的污泥濃度,于二級反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置污泥回流通道,污泥回流比為30%。實驗過程中,可根據(jù)負(fù)荷和工況需要,不斷調(diào)控時間控制器,進(jìn)而進(jìn)行水質(zhì)、水量調(diào)節(jié)。

實驗污水進(jìn)水到一級曝氣區(qū),過程中曝氣裝置不運行,兩級反應(yīng)區(qū)均處于停曝狀態(tài),進(jìn)水完成,由不同運行工況選擇不同曝氣時間,一級曝氣區(qū)開始曝氣,經(jīng)過曝氣后,一級出水進(jìn)入二級反應(yīng)器,過程中曝氣裝置不運行,進(jìn)水結(jié)束,二級反應(yīng)器開始曝氣,曝氣完成后,進(jìn)入沉淀狀態(tài),水流自下而上通過擋板通道,經(jīng)過裝置出水口,最終向往排水。兩級反應(yīng)器均結(jié)束曝氣之后,混合液氣、泥、水的攪動結(jié)束,反應(yīng)污泥開始靜沉,周期運行完畢,等待下一周期進(jìn)水。

1.2 實驗水質(zhì)

實驗用水為校園生活污水,污水的采集范圍為學(xué)校區(qū)域,污水主要來源于校園食堂、職工家屬樓和學(xué)生宿舍3個區(qū)域。實驗用水自污水池泵送至實驗室,經(jīng)檢測,污水的水質(zhì)情況見表1。

表1 實驗用生活污水水質(zhì)

1.3 接種污泥

實驗所用污泥取自某污水廠二沉池[4],取泥過程中,污泥顏色為黃褐色,污泥濃度約為6400 mg/L,取泥后立即開始培養(yǎng)。該污泥SVI值為63 mL/g,污泥接種量由反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,一級反應(yīng)器污泥量為80 L,二級反應(yīng)器污泥量為45 L。

1.4 檢測項目與方法

污染物測定中,氨氮和DO采用納氏試劑分光光度法和溶解氧儀法測定;TN采用過硫酸鉀氧化法測定;還需測定兩級反應(yīng)曝氣區(qū)pH值和COD,采用玻璃電極法和重鉻酸鉀滴定法。

1.5 污泥馴化

根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點和活性污泥的生長機(jī)理,選定了馴化階段運行參數(shù),目的是讓污泥順利完成馴化:一個周期中,周期時長為3 h,曝氣時間為1.5 h;為保證污泥濃度,污泥回流比為30%,進(jìn)水比為1/3,進(jìn)水時長和沉淀時長均為30 min,由時間控制器控制曝氣時間和進(jìn)水時間,并依次進(jìn)行。此階段的pH為6.8～7.2,水溫為16～22 ℃。歷時33 d后,各污染物出水濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)限值,其中COD去除率達(dá)到88.1%,氨氮去除率保持在90%以上,可以判斷硝化菌等微生物得到了有效富集,可以開展后續(xù)實驗,污泥馴化完成,此階段反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

2 優(yōu)化實驗及討論

2.1 探究COD容積負(fù)荷1.5 kg/(m3·d)條件下的最佳工況

在馴化階段運行參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過對控制參數(shù)的不斷調(diào)節(jié),確定了此階段的3種工況,見表2。該階段單個周期中,進(jìn)水時長40 min,進(jìn)水完畢開始曝氣,污泥回流比為30%,周期時長為2.4 h,進(jìn)水比為1/3,當(dāng)日進(jìn)水量由當(dāng)天COD的濃度確定。本階段為實驗的第34—61天,水溫為20～25.9 ℃,pH為6.8～7.2。其中負(fù)荷提升階段是為了讓反應(yīng)器更快適應(yīng)水質(zhì)的變化,其運行工況與工況1相同。通過檢測3種工況下的污染物進(jìn)水濃度和出水濃度,分析反應(yīng)器除碳脫氮效果,確定此階段3種工況中的最佳工況。

表2 容積負(fù)荷1.5 kg/(m3·d)條件下的3種工況 min

2.1.1 除碳效果對比分析

3種工況的除碳效果如圖2所示。由圖2可知,此階段時長為28 d ,COD進(jìn)水濃度為246.2～314.82 mg/L,第34—61天,一級出水濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值,經(jīng)二級反應(yīng)器處理后,出水濃度滿足50 mg/L以下的排放要求。第42—45天, COD進(jìn)水濃度持續(xù)升高,一級曝氣區(qū)出水濃度和二級曝氣區(qū)出水濃度均無明顯變化,COD去除率不斷提升。第54—55天,COD進(jìn)水濃度急劇升高,進(jìn)水中有機(jī)物含量不斷增多,兩級出水濃度仍然維持在較低水平,微生物活性不斷提高,進(jìn)水中大量營養(yǎng)物質(zhì)可被平穩(wěn)消耗。第57—59天,COD進(jìn)水濃度不斷升高,一級出水濃度經(jīng)過短暫升高之后開始降低,證明反應(yīng)器具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。在3種工況中,工況1的COD出水濃度較高,COD處理效果不理想。對于工況2和工況3來說,雖然它們的COD去除率并無明顯差別,但工況3的曝氣量遠(yuǎn)大于工況2,故從經(jīng)濟(jì)、高效方面考慮,選擇工況2最佳。

2.1.2 脫氮效果對比分析

此階段的脫氮效果如圖3和圖4所示。由圖3可以看出,階段時長為28 d,第55—61天,一級氨氮出水濃度升高,去除效果不佳,經(jīng)二級反應(yīng)器處理后,出水濃度穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)限值之下。反應(yīng)第46—48天,工況1中氨氮進(jìn)水濃度不斷升高,反應(yīng)器仍能保證較低的出水濃度和較高的去除率,證明反應(yīng)器具有較高的氨氮處理能力。在3種工況中,工況1的曝氣時間過長,導(dǎo)致溶解氧過剩,阻礙反硝化過程的進(jìn)行,整體反應(yīng)器脫氮效果不佳。在工況2中,氨氮進(jìn)水濃度的波動較大,但氨氮去除率保持在97.5%～98.4%。原因是污水中有機(jī)氮被轉(zhuǎn)換為氨氮,在硝化作用下,氨氮進(jìn)一步消耗,最終產(chǎn)物為亞硝氮、硝氮,整體氨氮去除效果較佳。在工況3條件下,曝氣時間的縮短直接導(dǎo)致溶解氧的缺少,而溶解氧是硝化細(xì)菌參與反應(yīng)的重要影響因素[5],導(dǎo)致硝化作用受到阻礙,氨氮去除率低于其他兩種工況,從氨氮去除效果來看,工況2的處理效果最佳。

從圖4可知,第45—48天,總氮進(jìn)水濃度持續(xù)升高,但出水濃度無明顯變化,反應(yīng)器脫氮效果穩(wěn)定。第49—53天,總氮進(jìn)水濃度大幅度波動,但出水濃度維持在一定水平且持續(xù)較低,反應(yīng)器脫氮效果良好。在工況1中,此階段運行7 d,總氮進(jìn)水濃度為55.4～66.9 mg/L,總氮去除率為74.7%～77.6%,原因可能是曝氣裝置的長期運行,導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)溶解氧富余,在有氧條件下,抑制了反硝化細(xì)菌活性,微生物未徹底參與到反硝化過程中,最終出水濃度徘徊在達(dá)標(biāo)線附近,適當(dāng)延長沉降時間可以提高脫氮效果[6]。在工況2中,運行時間為實驗第48—55天,總氮進(jìn)水濃度為62.4～72.8 mg/L,總氮進(jìn)水濃度出現(xiàn)峰值,但出水濃度仍保持不斷降低,脫氮菌不斷密集生長,反應(yīng)器的總氮去除率保持在86.2%～86.9%,證明反應(yīng)器具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。

綜上所述,從反應(yīng)器除碳脫氮的效果來看,此階段的最佳工況為工況2。

2.2 探究COD容積負(fù)荷2.0 kg/(m3·d)條件下的最佳工況

在上一階段3種工況中,工況2污染物去除效果較佳,因此在此運行參數(shù)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將其作為此階段參數(shù),該階段單個周期內(nèi),進(jìn)水時間30 min,周期時長2 h,階段時長28 d,進(jìn)水比為1/3,選定3種工況,各個工況參數(shù)見表3。其中第62—68天為負(fù)荷提升階段,目的是使反應(yīng)器快速地適應(yīng)水質(zhì)條件的變化,讓實驗穩(wěn)定運行,其運行條件和工況1相同。

表3 容積負(fù)荷2.0 kg/(m3·d)條件下的3種工況 min

2.2.1 除碳效果對比分析

3種工況的COD去除效果如圖5所示。由圖5可知,階段時長28 d, COD進(jìn)水濃度為310.8～354.2 mg/L,第62—68天,COD出水濃度一直維持在標(biāo)準(zhǔn)限值附近,可見反應(yīng)器能適應(yīng)負(fù)荷的不斷提升。第72—75天,COD進(jìn)水濃度持續(xù)升高,微生物耗氧能力也相應(yīng)提升,二級出水濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。第76—80天,COD進(jìn)水濃度繼續(xù)升高,兩級出水濃度并無明顯變化。第84—86天,COD進(jìn)水濃度逐漸提升,曝氣時長滿足了微生物的需氧要求,一級出水濃度經(jīng)過短暫升高后下降,反應(yīng)器出水達(dá)標(biāo)。在3種工況中,由于不同工況具有不同的曝氣時間,不同曝氣時長導(dǎo)致COD去除效果不同,整體上差異并不明顯,COD一級出水濃度和二級出水濃度均保持在較低水平,去除率均值達(dá)到了87%。所以從COD的去除效果來看,3種工況的COD去除水平較高,出水水質(zhì)均滿足了排放要求,但從高效、經(jīng)濟(jì)方面考慮,工況3相比其他工況最佳。

2.2.2 脫氮效果對比分析

3種工況的脫氮效果如圖6和圖7所示。由圖6可知,在工況1中,實驗第68—75天,氨氮出水濃度保持穩(wěn)定,滿足標(biāo)準(zhǔn)排放要求,達(dá)到良好去除效果。在工況2條件下,階段時長7 d,氨氮出水濃度達(dá)到最低值,氨氮的去除率為95.8%,反應(yīng)器中微生物不斷繁殖,包括大量的硝化細(xì)菌菌落,還有大量的氨化細(xì)菌菌落。此時溶解氧含量充足,有機(jī)氮被轉(zhuǎn)換為氨氮,之后被轉(zhuǎn)換為硝氮和亞硝氮,氨氮去除效果較好[7]。對于工況3而言,氨氮的去除率為89.8%,低于工況1和工況2。原因可能是工況3的曝氣時長少于工況2,曝氣時間過短,導(dǎo)致溶解氧減少,硝化反應(yīng)進(jìn)行不徹底,氨氮無法被轉(zhuǎn)換為硝氮和亞硝氮,整體氨氮去除效果較差。

由圖7可以看出,第68—70天,總氮進(jìn)水濃度持續(xù)增高,二級出水濃度徘徊在達(dá)標(biāo)線附近,反應(yīng)器脫氮效果穩(wěn)定。第77—79天,總氮進(jìn)水濃度不斷升高,兩級出水濃度不斷降低,反應(yīng)器脫氮效果良好。在工況1中,總氮進(jìn)水濃度為57.8～63.9 mg/L,出水濃度一直在達(dá)標(biāo)線徘徊,最終未達(dá)到15 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)。其中反應(yīng)區(qū)曝氣時間過長,導(dǎo)致污泥難以聚集,污泥活性不斷降低,同時水中溶解氧過剩,反硝化過程進(jìn)行不徹底,總氮出水濃度升高,最終脫氮效果不佳。對比工況2和工況3可知,工況2進(jìn)水濃度較高,而出水濃度較低,證明工況2的曝氣量可滿足硝化反應(yīng)的需要,總氮去除效果好。此時碳氮比保持在5左右[8],保證了反應(yīng)器出水水質(zhì)的穩(wěn)定,總氮出水濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo),去除效果較好。

根據(jù)以上分析,綜合反應(yīng)器整體的除碳脫氮效果,該階段3種工況中的最佳工況為工況2。

2.3 探究COD容積負(fù)荷2.5 kg/(m3·d)條件下的最佳工況

基于上階段COD容積負(fù)荷2.0 kg/(m3·d)的工況參數(shù),通過對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定了本階段COD容積負(fù)荷2.5 kg/(m3·d)的工況參數(shù):進(jìn)水時長為30 min,周期時長為1.7 h,進(jìn)水比為1/3。此階段為實驗第90—117天,由曝氣裝置進(jìn)行調(diào)控,確定了3種運行工況,3種工況總時長為21 d,見表4。

表4 容積負(fù)荷2.5 kg/(m3·d)條件下的3種工況 min

2.3.1 除碳效果對比分析

3種工況的不同COD去除效果如圖8所示。由圖8可知,COD進(jìn)水濃度為299.6～356.6 mg/L,此階段初期COD的出水濃度基本在50 mg/L以上,隨著反應(yīng)器的運行,COD出水濃度逐漸降低到50 mg/L以下。第96—100天,COD進(jìn)水濃度逐漸升高,微生物獲得更多營養(yǎng)物質(zhì),一級出水濃度穩(wěn)定在較低水平,反應(yīng)器COD去除效果穩(wěn)定[9-10]。第106—107天,COD進(jìn)水濃度升高,微生物不斷富集生長,二級出水濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo),反應(yīng)器可以適應(yīng)負(fù)荷不斷提升。在3種工況中,COD一級出水濃度在50 mg/L以上,二級出水濃度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,COD去除率較高,反應(yīng)器的除碳效果保持穩(wěn)定。在3種工況中,工況2的COD出水濃度在34.8～41.1 mg/L,總?cè)コ示禐?8%,明顯高于其他兩種工況,所以單從COD的去除效果來看,最佳工況為工況2。

2.3.2 脫氮效果對比分析

此階段氨氮去除效果如圖9所示。由圖9可知,氨氮進(jìn)水濃度為35.2～46.7 mg/L,第112—116天,氨氮進(jìn)水濃度不斷波動,一級出水濃度也不斷升高,異養(yǎng)菌耗氧速率較高,氨氮去除效果不理想[11],最終未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。工況1和工況2的氨氮去除率分別為95.7%和93.3%,出水濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,氨氮去除率較高。其中工況1的溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)能滿足相應(yīng)的菌體需求,污泥一直進(jìn)行氨氮的吸附,菌體活性較高,氨代謝能力強(qiáng),氨氮出水濃度降低,硝化反應(yīng)進(jìn)行徹底[12],最終出水達(dá)標(biāo)。相比工況1和工況2,工況1的去除效果較佳。在工況3中,階段時長7 d,實驗第112—117天,氨氮出水濃度明顯升高,未達(dá)到良好去除效果。經(jīng)分析,由于過短的曝氣時間,導(dǎo)致溶解氧的減少,在缺氧條件下,硝化反應(yīng)不徹底,氨氮形成積累,最終出水濃度不達(dá)標(biāo)。

此階段總氮去除效果如圖10所示。由圖10可知,第99—101天,總氮進(jìn)水濃度不斷升高,一級出水濃度穩(wěn)定在較低水平,反應(yīng)器脫氮效果穩(wěn)定。第111—112天,總氮進(jìn)水濃度急劇增高,二級出水濃度也開始升高,反應(yīng)器脫氮效果不理想。三種工況中,工況1和工況2的總氮去除率分別為77.9%和80.2%,而工況3的總氮去除率為75.7%,同時二級出水濃度不斷升高,未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。相比之下,工況1和工況2均優(yōu)于工況3。其中工況1的一級出水濃度和二級出水濃度均高于工況2,分析原因可知,工況1的曝氣時間過長,消耗了大量能量,使得反應(yīng)器溶解氧充足,但碳源也被大量消耗,阻礙了反硝化階段的進(jìn)行,反應(yīng)器總氮去除效果較差[13-15]。此時投加碳源可提高反應(yīng)器脫氮效果[16-18],若碳源含量過高,會導(dǎo)致氨氮去除效果降低[19-20],因此適宜的碳氮比才能保證良好脫氮效果[21]。

從整體反應(yīng)器的除碳脫氮效果考慮,工況2的運行效果是最好的。

3 結(jié)論

由污染物負(fù)荷和除碳脫氮效果可知,不同曝停時間對反應(yīng)器總氮和氨氮去除效果影響較為明顯,對COD去除效果影響較小,比選反應(yīng)器除碳脫氮能力,3種容積負(fù)荷下的較佳工況均為工況2,對比出水水質(zhì),確定2.0 kg/(m3·d)容積負(fù)荷下的工況2為本試驗最佳工況,運行參數(shù)為:進(jìn)水比為1/3,進(jìn)水時長30 min,周期時長2 h,污泥回流比為30%,一級反應(yīng)區(qū)曝氣時間為70 min,沉淀時間為20 min;二級反應(yīng)區(qū)曝氣時間為60 min,曝氣結(jié)束開始沉淀,沉淀時間為30 min。此運行條件下COD總?cè)コ蕿?7.1%,總氮總?cè)コ蕿?1.9%,氨氮總?cè)コ蕿?6.2%。

本實驗用水為實際生活污水,在實驗過程中,雖然進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定,負(fù)荷的波動較大,但氨氮、總氮和COD出水濃度均達(dá)標(biāo),污染物的去除率也維持在較高水平,證明本裝置能有效用于生活污水處理,優(yōu)化出水水質(zhì),擁有較高的抗沖擊負(fù)荷能力,同時具有高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實用等特點,有較大的應(yīng)用價值。