微氧反应器和好氧对照系统负荷效应对比研究

2017-03-15 09:59:16 2

  活性污泥系统是目前应用最为广泛的废水生物处理系统〔1〕,在实际运行过程中,为了保持系统较快的反应速率,常使系统中的溶解氧高于2 mg/L,使得好氧反应能耗很高〔2〕,通常情况下鼓风曝气系统的能耗占到水处理厂总能耗的40%~50%〔3〕。厌氧系统不需要曝气,但前期的基建费用较高,而且厌氧处理速度较慢,出水还需要后续处理才能达标〔4〕。因此,在保障高处理效率的同时,研究如何降低供氧造成的运行成本在废水生物处理领域具有很实际的意义,研究和探索高效率、低能耗的新型废水处理技术迫在眉睫。

  传统观点认为,好氧反应和厌氧反应是不能在同一个培养环境中共存的,在废水生物处理系统中,好氧过程和厌氧过程常常都是分开考虑。但近年来的研究表明,好氧反应和厌氧反应这2个反应过程可在同一个体系中共存〔5, 6〕。D. H. Zitomer〔7〕报道,在微氧条件下,好氧反应和产甲烷过程可以在同一个污泥系统中完成,该过程良好地结合了好氧反应和厌氧反应的优点,出水COD低,污泥产量小。近年来,微氧系统因其所具有的独特性受到研究者的广泛关注,但对于微好氧废水处理系统方面的研究非常欠缺,对于微氧系统的运行特征以及与好氧系统的差异有待进一步深入研究。

  1 材料与方法

  1.1 接种污泥和实验配水

  取河流底泥、腐烂树叶下表面土壤、污水处理厂活性污泥样品各2 g,混合后加水100 mL,然后放入盛有玻璃珠的三角瓶中振荡20 min,将土样彻底打碎以释放出其中的微生物。静置1 min后,取50 mL上清液作为接种污泥接入反应器。

  为便于分析,实验采用人工配制废水作为进水。模拟废水中用食品级葡萄糖、硫酸铵、KH2PO4来模拟COD、TN和TP,添加量分别为3.5、0.7、0.2 g/L,即COD、TN、TP分别为(3 472±65)、(154±6)、(41±2)mg/L。

  1.2 实验装置

  实验采用2个相同的连续小试实验装置平行运行,单个装置结构如图 1所示。

 图 1 处理系统结构示意

  反应器为圆形有机玻璃柱,底部为漏斗状,高100 cm,内径10 cm,有效容积为6.3 L。沿柱高每隔20 cm处设一个取样孔,取样孔直径1 cm,长度5 cm。曝气头安置在反应器底部,通过空气流量计控制气体流量进行曝气,进水通过计量泵从底部泵入。

  1.3 运行条件

  在批量培养阶段,先将培养液加到反应柱半高处,加入接种污泥进行培养。控制好氧对照系统(aerobic control system,ACS)DO在2.5~4.0 mg/L,上升流式微氧污泥床反应器(upflow microaerobic sludge blanket reactor,UMSB)系统DO在0.5~0.9 mg/L,调整系统pH在6.5~7.5。每天检测系统COD,待COD去除率达到90%以后,按照HRT=96 h连续进水,温度保持在25~28 °C。

  批量培养结束后,连续进水,HRT为25 h。在连续运行过程中,先后考察了3个COD负荷水平3.2~3.5、4.5~5.1、1.3~1.5 kg/(m3·d)。ACS和UMSB各阶段运行条件如表 1所示。在第1阶段获得稳定运行的情况下,第2阶段考察了冲击负荷对系统运行的影响,而第3阶段考察了较低负荷对系统运行的影响。

  1.4 水质分析方法

  COD的测定采用重铬酸钾法(GB 11914—1989);TN的测定采用紫外分光光度法(GB 11894—1989);TP的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)。pH采用HI 8424 型电子 pH 检测仪进行测定;DO采用HI 9143 型电子自动溶解氧检测仪进行测定。

  2 结果与讨论

  3种COD负荷条件下UMSB和ACS系统稳定期的运行特征如表 2所示。

  2.1 UMSB和ACS的COD去除效果对比分析

  由表 2可知,在第1阶段稳定期,当进水COD负荷为3.2~3.5 kg/(m3·d)时,UMSB和ACS的COD去除率分别为(91±3)%、(94±2)%,二者之间无显著性差异(P=0.804>0.05)。在第2阶段,当进水COD负荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)时,UMSB和ACS的COD去除率分别降低到(88±5)%和(93±2)%,二者之间有显著性差异(P=0.00 < 0.05)。在第3阶段,当进水COD负荷降低至1.3~1.5 kg/(m3·d)时,UMSB和ACS的COD去除率分别稳定在(94±1)%、(95±1)%,二者之间无显著性差异(P=0.780>0.05)。

  从UMSB和ACS的运行特征来看,当用葡萄糖作为碳源时,在一定的COD负荷范围内(≤3.5kg/(m3·d)),UMSB和ACS的COD去除率没有显著性差异。由此可见,在一定的COD负荷范围内,在较低的DO水平下,UMSB可依然保持较高的有机物去除能力。此研究结果与S. B. He 等〔8, 9〕的报道相一致。与ACS相比,UMSB在低DO水平下运行可以节约曝气量,降低运行成本。

  2.2 UMSB和ACS的TN、TP去除效果对比分析

  由表 2可知,在3个阶段稳定期,UMSB的TN去除率均低于ACS,且二者之间均存在显著性差异(P=0.00 < 0.05)。这是由于所用废水中存在葡萄糖,不适合硝化菌的生存,导致UMSB在TN去除方面不存在优势。在负荷较低的第1和第3阶段,UMSB的TP去除率显著高于ACS,二者之间均存在显著性差异(P=0.00 < 0.05)。在第2阶段,当进水COD负荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)时,UMSB和ACS的TP去除率分别为(55±4)%、(56±4)%,二者基本一致,不存在显著性差异(P=0.14>0.05)。由此可以看出,在UMSB中,COD负荷对TP的去除具有很大影响。

  传统的高效生物除磷(enhanced biological phos-phorus removal,EBPR)系统效率很高,但EBPR的良好运行需要进水中有大量的挥发性脂肪酸(VFAs)〔10〕,需要一个前置厌氧区,工艺比较复杂,而且很多因素都会造成系统运行不正常。因此,在废水处理领域开发经济高效的除磷系统势在必行。A. Mullan等〔11〕报道,与传统的EBPR处理系统相比,单级好氧除磷系统具有独特优势:(1)处理效率高;(2)能够耐受高浓度NO3-(传统EBPR工艺的厌氧段对NO3-很敏感);(3)可降低对废水浓度的依赖性;(4)VFAs浓度较低时也可以正常运行。本研究中在较低COD负荷条件下,UMSB的TP去除率显著高于ACS,这说明生物除磷可以在微氧条件下运行的单级活性污泥系统中实现,与传统的EBPR处理系统相比,该工艺可极大地简化处理流程。此外,本研究中UMSB的曝气量远低于ACS(见表 1),说明过多的曝气量不利于生物除磷系统发挥作用,此现象与D. Brd-janovic 等〔12〕的报道一致。L. K. Ju 等〔13〕报道在微氧条件下,微生物可能可以同时进行好氧呼吸和厌氧呼吸或者发酵,因此,在此条件下可能同时存在好氧和厌氧微环境,所以,微氧系统可能可以发挥好氧/厌氧交替运行系统的功能。除了磷,微氧处理系统或许可以作为厌氧/好氧处理系统的延伸和补充来处理很多污染物。

  根据近年来的文献报道,EBPR的整体性质是微生物群体功能上相互补充、相互依赖共同表现出来的综合特征,并不完全是某一类微生物在起作用。由于EBPR系统中微生物种类多样,随着研究和认识的深入,聚磷菌的定义也应当相应改变,一切能够超过自身生长所需过量吸收磷的微生物都可以称为聚磷菌,而且厌氧阶段合成聚羟基脂肪酸将不再是必要条件〔14, 15〕。应当认识到,尽管与传统定义的聚磷菌代谢不完全一致,许多从活性污泥中分离出的菌种都具有聚磷的功能,只是需要在合适的环境条件和运行条件下才能展现出来。运行结果表明,在负荷较低的第1和第3阶段,UMSB的TP去除率显著高于ACS,说明在UMSB的运行条件下,其中的微生物群落可以展现出TP去除方面的优势。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)在一定的较低COD负荷范围内(≤3.5kg/(m3·d)),UMSB和ACS的COD去除率没有显著性差异。可见,在一定的较低COD负荷范围内,在较低的DO (0.5~0.9 mg/L)水平下,UMSB依然能保持较高的有机物去除能力(COD去除率>90%)。相比于ACS,采用UMSB运行,可以节约曝气量,降低运行成本。

  (2)在较低COD负荷条件下,UMSB在单级反应器中就可以实现有机物和磷的同步去除。与传统的EBPR处理系统相比,该工艺简化了处理流程,减小了常规工艺反应器构筑物的占地面积。此项研究可为新的废水处理工艺的开发和构筑物设计提供理论参考。

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