優(yōu)化污泥回流方式對多級AO-MBR工藝的影響

鮑任兵,徐 健,陳 鵬,田 若,雷培樹,李鵬程,鄒 磊

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.武漢市城市排水發(fā)展有限公司,湖北武漢 430070)

隨著我國對污水處理提質(zhì)增效要求的日益增加,各地對污水處理廠提出了更加嚴苛的排放標準。對于新建污水廠,常規(guī)的污水處理工藝已無法滿足較高的出水水質(zhì)要求;對于多數(shù)仍執(zhí)行一級A排放標準的污水廠,提標改造更是迫在眉睫。特別對于氮和磷的去除,在污水廠進水濃度普遍偏低的條件下[1],如何保證水質(zhì)穩(wěn)定達標,成為當今研究的熱點。目前,多級AO工藝因其占地小、能耗低、脫氮性能好、抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點,工程應用越來越多,但也存在著生物量不足、冬季低溫條件下水質(zhì)無法達標的難題。為進一步增強脫氮除磷效果,出現(xiàn)了生物處理與膜過濾組合的工藝形式,如AO-MBR[2]、AAO-MBR[3]、Bardenpho-MBR[4]、多級AO-MBR等工藝,均取得了良好的脫氮除磷效果。其中,多級AO-MBR工藝同時具備兩種工藝的優(yōu)點,逐漸出現(xiàn)在污水廠的新建項目中,但由于工程應用量較少,尚缺乏完善的運行經(jīng)驗和調(diào)控措施。

MBR池內(nèi)混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度可達8 000～10 000 mg/L,可有效縮短生化停留時間、節(jié)約占地,具有巨大優(yōu)勢。然而,膜系統(tǒng)通常采用較大的曝氣量以增大膜絲抖動,減少污泥沾染和反沖洗次數(shù),提高使用壽命。常規(guī)生化處理工藝的好氧區(qū)溶解氧(dissolved oxygen,DO)質(zhì)量濃度為2～3 mg/L,而由于膜池的高曝氣,回流污泥的DO質(zhì)量濃度可達到6 mg/L以上,與生化池聯(lián)用時,若直接回流至前端生化池,將對其環(huán)境造成較大影響,削弱缺氧反硝化和厭氧釋磷,降低生物脫氮除磷性能。對于常規(guī)AAO-MBR的污泥回流形式,根據(jù)《室外排水設計標準》(GB 50014—2021),通過膜池至好氧區(qū)的400%～600%、好氧區(qū)至缺氧區(qū)300%～500%以及缺氧區(qū)至厭氧區(qū)100%～200%的回流形式,逐級降低回流液DO的同時實現(xiàn)較大的污泥濃度。然而,多級AO工藝的功能區(qū)較多,通常為三級“缺氧/好氧”串聯(lián),與MBR聯(lián)用時采用何種污泥回流形式暫無相關研究[5]。本研究通過設置多級AO工藝中試裝置,對二沉池回流污泥進行曝氣充氧,模擬多級AO-MBR工藝中膜池高DO回流污泥,并進行多種回流方式的對比試驗,探究設定進水條件下的最佳污泥回流形式,同時考慮各級反應區(qū)污泥濃度和DO控制,為今后污水處理廠的新建及提標改造提供技術支持。

1 試驗工藝與方案

1.1 工藝流程

如圖1所示,本試驗裝置為三級AO工藝,設有多點進水系統(tǒng)、污泥回流系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng),其中污泥回流設有2組,分別為充氧池至各好氧區(qū)、缺氧2區(qū)和缺氧3區(qū)至厭氧區(qū)。中試規(guī)模的MBR池運行維護較為困難,無法長期穩(wěn)定運行,且本次試驗主要研究高DO污泥回流對生化反應的影響,故采用通過向二沉池回流污泥充氧曝氣的形式,模擬MBR回流污泥的性能和狀態(tài)。

圖1 試驗裝置工藝流程

1.2 試驗裝置與設計參數(shù)

本試驗處理規(guī)模為0.15 m3/h。如圖2所示,本試驗裝置生化池尺寸(長×寬×高)為2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容積為2.6 m3。生化池共分為7個區(qū)域,污水依次通過厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、好氧1區(qū)、缺氧2區(qū)、好氧2區(qū)、缺氧3區(qū)、好氧3區(qū)。各級缺氧區(qū)與好氧區(qū)的容積比設為2∶3,其中,厭氧區(qū)與缺氧區(qū)內(nèi)設有立式攪拌器,好氧區(qū)內(nèi)設有曝氣盤。二沉池采用豎流式,為實現(xiàn)出水較低的懸浮物(SS),減少SS對出水水質(zhì)的影響,直徑為0.8 m,表面負荷為0.30 m3/(m2·h)。

圖2 生化池試驗裝置

試驗裝置總水力停留時間(HRT)為19.1 h,其中厭氧區(qū)1.2 h、缺氧1區(qū)1.2 h、好氧1區(qū)3.5 h、缺氧2區(qū)2.9 h、好氧2區(qū)4.4 h、缺氧3區(qū)2.4 h、好氧3區(qū)3.5 h。多點進水系統(tǒng):由進水管分配至厭氧區(qū)、缺氧1區(qū)、缺氧2區(qū)、缺氧3區(qū),在各進水管上均設有閥門和流量計以保證配水均勻,原始進水分配比采用30%∶20%∶30%∶20%。污泥回流系統(tǒng):二沉池的回流污泥經(jīng)充氧曝氣后進入3段好氧區(qū),缺氧2區(qū)和缺氧3區(qū)均回流至厭氧區(qū);通過曝氣使污泥充氧池內(nèi)DO質(zhì)量濃度達到6～7 mg/L。剩余污泥系統(tǒng):排放量為260 L/d(污泥齡為10 d)。

1.3 試驗原水水質(zhì)及分析

試驗原水取自污水處理廠曝氣沉砂池出水。試驗原水水質(zhì)如表1所示,本試驗進水C/N(BOD5/TN)為2.0～2.7,而根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014—2006),C/N(BOD5∶TKN)宜大于4,可見進水中的有機碳源嚴重不足,需要重點關注各反應區(qū)內(nèi)DO的實現(xiàn)條件,控制微氧運行,減少各好氧區(qū)的碳源損耗,以增強脫氮效果。

表1 試驗原水水質(zhì)

1.4 接種污泥及試驗方案

(1)污泥接種

試驗裝置厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)活性污泥分別取自廠區(qū)生化池相應區(qū)域。經(jīng)一周時間穩(wěn)定運行后,裝置內(nèi)MLSS達到穩(wěn)定,沉降性能良好。為進一步模擬MBR工藝的高污泥濃度,進一步向反應池內(nèi)補充污泥直至MLSS為8 000 mg/L左右。

(2)試驗方案

多級AO工藝通常存在3組“好氧/缺氧”單元,與MBR耦合形式下,膜池污泥回流形式選擇性較多,將對污染物去除性能產(chǎn)生較大影響。鑒于三級AO工藝存在好氧區(qū)至缺氧區(qū)的串聯(lián)形式,對比AAO-MBR工藝可減少好氧區(qū)至缺氧區(qū)的回流,將膜池回流至好氧1區(qū)或好氧2區(qū),然后直接由缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū),因此,可采用缺氧2區(qū)或缺氧3區(qū)作為回流點。如圖3所示,經(jīng)過研究存在4種多級AO-MBR工藝污泥回流方式。

圖3 多級AO-MBR工藝污泥回流方式

方式1:MBR池回流至好氧1區(qū)前端,缺氧2區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖3(a)]。

方式2:MBR池回流至好氧1區(qū)前端,缺氧3區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖3(b)]。

方式3:MBR池回流至好氧2區(qū)前端,缺氧3區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖3(c)]。

方式4:MBR池回流分別回流至各好氧區(qū)前端,缺氧3區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖3(d)]。

為探究多級AO-MBR工藝的推薦回流方式,本階段分別對上述4種工藝形式進行試驗研究(每種運行工況運行為期一周),對比分析不同回流形式下出水CODCr、氨氮、TN和TP的去除效果,為今后污水處理廠的新建及改、擴建工藝選擇及優(yōu)化路徑提供技術支持。

1.5 檢測指標及分析方法

2 結果與討論

2.1 對照試驗

為探究膜池污泥直接回流至厭氧區(qū)后對多級AO工藝的影響,設置對照試驗,即二沉池污泥經(jīng)充氧曝氣后直接回流至前端厭氧區(qū)。根據(jù)相關研究,多級AO工藝進水分配為5∶4∶3時,低C/N下實現(xiàn)了良好的脫氮效果[6],考慮到本試驗裝置3級AO單元HRT比為5.9∶7.3∶5.9,將進水分配優(yōu)化為5∶3∶2。

如表2所示,裝置穩(wěn)定運行后出水CODCr、BOD5和氨氮均能夠穩(wěn)定達到地表準Ⅳ類標準(TN除外),去除率分別為88.31%±0.91%、91.57%±0.69%和95.83%±0.59%,說明在此運行條件下,有機物氧化和硝化反應較充分。因此,相較于常規(guī)多級AO工藝,較高的污泥濃度和DO能夠在低溫條件下(11～12 ℃)保持較高的好氧反應程度。然而出水TN和TP去除效果較差,去除率僅分別為32.37%±3.13%和59.77%±0.94%,尚不能達到一級A排放標準。

表2 對照試驗組進出水水質(zhì)

如圖4所示,在對照試驗下對各反應區(qū)的DO進行檢測。當污泥充氧區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度保持在6～7 mg/L、污泥回流比為300%下,厭氧區(qū)和缺氧1區(qū)內(nèi)DO質(zhì)量濃度分別為2.0 mg/L和1.0 mg/L左右,已經(jīng)無法滿足厭氧釋磷和缺氧反硝化的DO環(huán)境要求。另外,本試驗階段污泥回流比較大,為常規(guī)多級AO工藝污泥回流比的3倍,即污水流經(jīng)各反應區(qū)域的實際HRT將減小近50%,因此,采用膜池污泥直接回流至生化池厭氧區(qū),無法實現(xiàn)前端厭氧區(qū)和缺氧區(qū)較低的DO控制,導致出水水質(zhì)無法達標。進一步對3段好氧區(qū)污泥濃度(MLSS和MLVSS)進行檢測。如圖5所示,MLSS和MLVSS逐級降低且幅度較大,f值(MLSS/MLVSS)也由0.46逐級降低至0.38,遠小于要求的0.75,說明微生物占比相較于常規(guī)多級AO工藝有所下降,整體較高的DO和較低的進水濃度不足以支撐較高污泥濃度下的穩(wěn)定運行。

圖4 對照試驗組各反應區(qū)DO控制

圖5 對照試驗組各反應區(qū)污泥濃度變化

2.2 污泥曝氣回流方式研究

2.2.1 多種回流方式運行參數(shù)分析

在本試驗階段,調(diào)整污泥回流為預設的4種回流方式,其中回流1設為300%,回流2設為200%,并在各運行工況下對各反應區(qū)域進行DO和污泥濃度的對比分析。如圖6所示,回流方式1至回流方式3將污泥充氧區(qū)DO質(zhì)量濃度為6～7 mg/L的污泥單獨回流至好氧1區(qū)或好氧2區(qū)后,調(diào)整該區(qū)域最低曝氣量情況下,DO質(zhì)量濃度仍位于3～4 mg/L,進而導致后續(xù)缺氧區(qū)DO僅能維持在0.6 mg/L左右,無法進一步降低。在較大的污泥回流比下,污水進入各反應區(qū)域的切換時間縮短,加之碳源在前一段好氧區(qū)高DO環(huán)境下大量消耗,導致后續(xù)缺氧區(qū)DO無法達到要求的0.5 mg/L以下。而采用回流方式4,將污泥等比例分別回流至好氧1區(qū)、好氧2區(qū)和好氧3區(qū),能夠有效降低高DO對各區(qū)域的沖擊,能夠保持前兩段好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度位于1.5～2.0 mg/L,后續(xù)缺氧區(qū)達到0.2～0.3 mg/L。如圖7所示,相較于對照試驗組,各回流方式對于平衡各區(qū)域的污泥濃度均有作用,其中回流方式2和3條件下,好氧1區(qū)和好氧2區(qū)內(nèi)的MLSS相差較小,回流方式4下各區(qū)域MLSS趨于平衡。

圖6 各運行工況各反應區(qū)DO控制

圖7 各運行工況下好氧區(qū)MLSS變化

2.2.2 污染物去除性能分析

(1)CODCr去除性能分析

試驗裝置對CODCr的去除效果如圖8所示。進水CODCr質(zhì)量濃度在124～165 mg/L時,4種回流方式CODCr去除率均達到90%左右,出水CODCr能穩(wěn)定達到地表水Ⅳ類標準(30 mg/L以下),說明多種污泥回流系統(tǒng)下均達到了很好的生物降解性能。12月24日水溫由15 ℃降至9 ℃,導致CODCr去除率有所降低,但仍保持了較高的處理效果,可見在較高的污泥濃度下多級AO-MBR工藝有較好的穩(wěn)定性。然而經(jīng)過兩個月運行后,污泥f值位于0.45～0.58,仍然低于要求的0.75,還有時出現(xiàn)二沉池浮泥,可見較低的進水有機物濃度對于高污泥濃度的穩(wěn)定運行還存在一定影響。通過計算,反應池內(nèi)好氧區(qū)的食微比為0.02 kg BOD5/(kg MLSS·d),遠小于傳統(tǒng)活性污泥法要求的0.2～0.4 kg BOD5/(kg MLSS·d)?？梢娺M水較低的BOD5無法滿足較高的MLSS微生物生長,造成生化池內(nèi)食微比失衡,部分微生物無法獲取充足的有機物,導致老化現(xiàn)象。加大排泥后,浮泥現(xiàn)象有所緩解。因此,通過提高污泥濃度,在低溫下能保持較高的污染物去除性能,但無法長期運行。對于污水廠的調(diào)控,可在冬季條件下加大污泥回流實現(xiàn)較高的污泥濃度,保證出水效果;水溫升高后通過加大排泥,根據(jù)進水水質(zhì)恢復到常規(guī)濃度,保證食微比平衡,以免造成污泥老化。

圖8 各運行工況CODCr變化及去除性能

根據(jù)試驗進水水質(zhì),BOD/CODCr約為0.38,可見難降解CODCr含量較大,而出水CODCr質(zhì)量濃度能保持20 mg/L左右,說明多級AO-MBR工藝對這部分的CODCr有一定去除能力,分析其原因可能是三級AO由于分段進水,有效降低了各AO反應單元的污染物負荷,增大了微生物對難生物降解CODCr的吸附作用。另外,好氧和缺氧的不斷切換以及較高的污泥濃度,有助于將難降解大分子有機物轉化為小分子易降解形式,并進一步增大污泥活性,提高好氧反應性能,實現(xiàn)了更好的有機物去除能力[7]。

(2)氨氮去除性能分析

試驗場地所在污水廠執(zhí)行準Ⅳ類出水標準,氨氮質(zhì)量濃度要求低于1.5 mg/L。根據(jù)實際運行情況,在夏季出水可穩(wěn)定達到1.0 mg/L以下,但冬季低溫下會偶爾出現(xiàn)接近1.5 mg/L。因此,在低溫條件下探索出水氨氮穩(wěn)定達標的條件至關重要。

如圖9所示,在水溫為8～20 ℃,進水氨氮質(zhì)量濃度在13～18 mg/L時,4種運行工況下出水均能穩(wěn)定達到1.5 mg/L以下,去除率基本達到95%以上。在12月中旬和月底偶爾出現(xiàn)出水氨氮質(zhì)量濃度達到1.0 mg/L以上的情況,原因可能是這兩個時間段下,水溫突降至12 ℃以下,硝化細菌受到一定影響,但總體尚能達標。可見在MLSS為8 000 mg/L左右,控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度位于1.6～2.8 mg/L下能實現(xiàn)較高的氨氮去除性能。由于本試驗進水氨氮濃度較低,基本能達到地表水Ⅳ類標準,若進水氨氮達到20 mg/L以上時,尚無法保證出水穩(wěn)定達到1.5 mg/L以下。

圖9 各運行工況氨氮變化及去除性能

(3)TN去除性能分析

如圖10所示,各回流方式下TN去除率由對照試驗階段的32.37%±3.13%顯著提升到50%以上,進水TN質(zhì)量濃度為23～33 mg/L時,能穩(wěn)定達到一級A排放標準(15 mg/L以下),說明在耦合MBR工藝的形式下,經(jīng)過多級回流(膜池至好氧區(qū)、好氧區(qū)至缺氧區(qū)、缺氧區(qū)至厭氧區(qū))能顯著保證各反應區(qū)的DO環(huán)境,增強脫氮效果。在回流方式1和回流方式2下TN去除率較穩(wěn)定,均達到50%左右,但出水僅能勉強達標,偶爾還會出現(xiàn)超標現(xiàn)象;回流方式3和回流方式4下,TN去除率顯著提高,達到60%以上,出水TN平均值分別能達到12 mg/L和10 mg/L,有較好的脫氮效果?；亓鞣绞?和回流方式2都是將高DO污泥回流至好氧1區(qū),導致該區(qū)域和后續(xù)的缺氧2區(qū)DO較高(DO質(zhì)量濃度位于0.6 mg/L左右),對進水碳源的無效損耗較大,不利于反硝化過程,導致TN去除率較低。回流方式3下缺氧2區(qū)DO降低至0.48 mg/L,TN去除率相應提升了24.38%,說明缺氧2區(qū)的DO控制對脫氮性能至關重要;回流方式4下同樣達到了很好的TN去除效果,出水質(zhì)量濃度達到10 mg/L以下。因此,水溫低于12 ℃時,通過增大MLSS到8 000 mg/L和DO的提高能穩(wěn)定保證較高的脫氮性能。

圖10 各運行工況TN變化及去除性能

圖11 多級AO工藝典型工況氮組分沿程濃度變化

(4)TP去除性能分析

如圖12所示,進水TP質(zhì)量濃度為2.0～3.4 mg/L時,回流方式1和2下出水TP質(zhì)量濃度均在0.5 mg/L左右,偶爾會出現(xiàn)超標現(xiàn)象;回流方式3和4下出水TP能穩(wěn)定達到一級A標準,并且實現(xiàn)0.3 mg/L左右的出水效果。回流方式3和4下,均采用缺氧3區(qū)至厭氧區(qū)的回流,根據(jù)TN變化曲線,這兩種回流形勢下出水TN較低,回流后可有效降低進入?yún)捬醭氐南跛猁},保證厭氧釋磷碳源,有助于提高除磷性能。由于本試驗未設置實際的膜分離裝置,出水SS中尚存在部分TP無法去除,因此在實際應用中當進水TP位于2～4 mg/L時,去除率達到85%以上,可達到出水低于0.3 mg/L的要求。

圖12 各運行工況TP變化及去除性能

綜上,4種回流方式對CODCr和氨氮均有較好的去除效果,回流方式1和2直接回流至好氧1區(qū),將導致反應池內(nèi)整體流速較大,污水流經(jīng)各反應區(qū)的時間降低,增大好氧區(qū)與缺氧區(qū)內(nèi)的過渡區(qū),實際缺氧反應不足,TN去除率較低。回流方式3和4在保證脫氮效率的同時有效保證了厭氧釋磷,實現(xiàn)了較好的脫氮除磷能力。另外,回流方式4下通過向各好氧區(qū)均回流一定比例的污泥,能有效保證好氧3區(qū)內(nèi)的污泥濃度,在低溫下實現(xiàn)更高的好氧硝化性能。因此,本試驗推薦回流方式4為最佳回流形式,即MBR池回流分別回流至各好氧區(qū)前端,缺氧3區(qū)回流至厭氧區(qū)前端。

3 結論

(1)多級AO-MBR工藝中膜池高DO濃度(6～7 mg/L)污泥回流若直接回流至厭氧區(qū),將導致厭氧區(qū)和缺氧區(qū)均無法達到要求的DO環(huán)境,導致釋磷和反硝化反應無法有效進行,氮、磷去除效果差。

(2)在耦合MBR工藝的形式下,經(jīng)過生化池多級回流能保證各反應區(qū)的DO環(huán)境,平衡各反應區(qū)的污泥濃度;為進一步強化脫氮性能,在保證出水CODCr和氨氮達標的前提下,可通過微氧控制,在低C/N進水條件下實現(xiàn)TN去除性能的提升。

(3)在水溫低于12 ℃時,通過提高MLSS達到8 000 mg/L,并采用回流方式4,在進水TN質(zhì)量濃度為23～33 mg/L時,能穩(wěn)定保證去除率達到60%以上,實現(xiàn)出水達到10 mg/L左右;TP去除率也較高,在進水TP質(zhì)量濃度為2～4 mg/L時,去除率達到85%以上,實現(xiàn)出水低于0.3 mg/L的要求。

(4)在冬季條件下可通過加大污泥回流,實現(xiàn)較高的污泥濃度,保證出水效果,但長期運行會導致污泥老化;水溫升高后,根據(jù)進水水質(zhì)可通過加大排泥恢復到常規(guī)污泥濃度,促進活性污泥再生。