胡 博,趙劍強(qiáng),陳 瑩,華立娜,毛鶴群 (長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

多段進(jìn)水A/O生物膜工藝運(yùn)行性能的研究

胡 博,趙劍強(qiáng)*,陳 瑩,華立娜,毛鶴群 (長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

為提高多段進(jìn)水A/O生物膜工藝的脫氮效率,按照進(jìn)入各缺氧池的COD量與硝態(tài)氮量的比值相同,且等于一最優(yōu)比值的原則進(jìn)行流量分配,按照容積負(fù)荷相等的原則設(shè)計(jì)各反應(yīng)單元,對多段進(jìn)水 A/O生物膜工藝的流量分配和反應(yīng)單元容積分配同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化,并采用三段進(jìn)水 A/O生物膜反應(yīng)器試驗(yàn)了等流量分配模式下運(yùn)行和優(yōu)化模式下運(yùn)行的出水水質(zhì)的差異.試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)多段進(jìn)水 A/O生物膜工藝在兩種模式下采用相同參數(shù)運(yùn)行時(shí),優(yōu)化模式下總氮(TN)去除率明顯高于等流量模式,其分別為88.8%和80.3%.優(yōu)化模式與等流量分配模式對COD和總凱氏氮的去除率差別不大(均可達(dá)到97%和98%以上).采用該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以顯著提高該工藝的TN去除效率.

多段進(jìn)水；A/O生物膜工藝；生物脫氮；運(yùn)行性能；優(yōu)化

多段進(jìn)水工藝是一種由多級串聯(lián)的缺氧/好氧(A/O)處理單元組成的工藝.原水按一定的比例進(jìn)入各段缺氧池(A池),為A池中發(fā)生的去除上一段好氧池(O池)產(chǎn)生的硝態(tài)氮的反硝化過程提供碳源(電子供體).與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比,該工藝可以減小處理裝置體積[1-2],并能充分利用原水中所含的COD為生物脫氮過程提供電子供體,因此,近年來受到廣泛關(guān)注[3-9].該工藝應(yīng)用于生活污水[10]和屠宰廢水[11-12]等高氨氮廢水處理均得到了較好的效果,對COD和N、P等營養(yǎng)元素具有很高的去除效率.

多段進(jìn)水工藝的關(guān)鍵在于如何根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)對進(jìn)水流量和A池與O池的容積進(jìn)行優(yōu)化分配[13].國內(nèi)外學(xué)者針對多段進(jìn)水工藝的研究主要集中于對進(jìn)水流量分配方法的研究,如 Larrea等

[1]通過研究指出根據(jù)多段進(jìn)水工藝的進(jìn)水水質(zhì)的不同和對出水水質(zhì)要求的不同,三段進(jìn)水工藝流量分配的最佳范圍為 0.4-0.4-0.2～0.33-0.33-0.34;王偉等[4]提出根據(jù)要達(dá)到的處理目的的不同,應(yīng)采用不同的進(jìn)水流量分配方法;Zhu等[13]通過大量試驗(yàn)對不同進(jìn)水水質(zhì)下的最佳流量分配系數(shù)進(jìn)行研究,取得了較高的總氮去除效率;Tang等[14],王偉等[4]以及趙劍強(qiáng)等[15]根據(jù)進(jìn)水碳氮比以及反硝化單位質(zhì)量硝態(tài)氮消耗的COD的量對進(jìn)水流量進(jìn)行優(yōu)化分配.目前對多段進(jìn)水工藝各反應(yīng)單元的容積的優(yōu)化分配方法的研究報(bào)道則較少.對多段進(jìn)水工藝A池與O池的容積進(jìn)行優(yōu)化分配可以使A池與O池內(nèi)的污染物負(fù)荷分配相對平均,避免過高負(fù)荷對系統(tǒng)的某一段產(chǎn)生沖擊,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

本研究從反硝化過程中去除單位質(zhì)量硝態(tài)氮消耗的 COD的量出發(fā),基于等容積負(fù)荷的設(shè)計(jì)思想,提出了對多段進(jìn)水A/O生物脫氮工藝的進(jìn)水流量分配和反應(yīng)單元的容積分配同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的方法,并采用三段進(jìn)水A/O生物膜反應(yīng)器對等流量分配模式和優(yōu)化模式下系統(tǒng)的出水水質(zhì)進(jìn)行了檢測.

1 流量分配系數(shù)及反應(yīng)單元體積的優(yōu)化

在活性污泥反硝化工藝中,根據(jù)傳統(tǒng)反應(yīng)動力學(xué)模型和質(zhì)量守恒原理,可以得到每去除 1mg硝態(tài)氮消耗的COD量的計(jì)算公式為[16]:

式中:ΔS為反應(yīng)器進(jìn)水 COD量與反應(yīng)器出水COD量之差,mgCOD;ΔN為反應(yīng)器進(jìn)水硝態(tài)氮量與反應(yīng)器出水硝態(tài)氮量之差,mgNO3--N;YH為異養(yǎng)菌真實(shí)產(chǎn)率,mg 細(xì)胞 COD/mgCOD;fD為衰減后以惰性顆粒產(chǎn)物存在的那部分微生物; bH為異養(yǎng)菌衰減系數(shù),d-1;θC為污泥齡,d.

理論上,反硝化 1mgNO3--N 需要消耗2.86mgCOD.式(1)說明反硝化過程中反硝化單位質(zhì)量NO3

--N消耗的COD的量隨泥齡的增大而減小.當(dāng) YH,bH和 fD分別等于 0.67mg細(xì)胞COD/mgCOD[17],0.2d-1[18]和0.2[18]時(shí),式(1)的最大值為8.67mgCOD/mgNO3--N,最小值為3.30mgCOD/ mgNO3--N.當(dāng)泥齡一定時(shí),ΔS與ΔN的比值也一定,可從式(1)計(jì)算得到.

運(yùn)用活性污泥 1號數(shù)學(xué)模型(ASM1)[17]對單一反硝化反應(yīng)器的模擬結(jié)果表明,在反硝化反應(yīng)器中,當(dāng)投加的硝態(tài)氮和有機(jī)碳的比例等于由式(1)計(jì)算的值時(shí),反應(yīng)器的出水中剩余硝態(tài)氮和有機(jī)碳量之和達(dá)到最小.當(dāng)單一的缺氧反硝化反應(yīng)器以獲取最小剩余硝態(tài)氮為目的時(shí),進(jìn)水中COD與硝態(tài)氮比值則越大越好.當(dāng)多段進(jìn)水A/O工藝以獲取最小剩余總氮為目的時(shí),則存在一最佳比值,該值大于式(1)的計(jì)算值,將該比值記為α.

假設(shè)n段進(jìn)水A/O工藝的各段流量分配系數(shù)為r1,r2,r3,…,rn,多段進(jìn)水A/O工藝進(jìn)水的COD濃度與進(jìn)水的總凱氏氮(TKN)濃度之比為 m,各段進(jìn)水流量按照COD與硝態(tài)氮比值為α進(jìn)行分配(假設(shè)原水中不含硝態(tài)氮),則多段進(jìn)水 A/O工藝各段的流量分配系數(shù)可由式(2)[15]計(jì)算得到.

按照等硝態(tài)氮容積負(fù)荷設(shè)計(jì)缺氧池的容積時(shí),當(dāng)回流比為 R,各缺氧池容積之間的比例關(guān)系如下[15]:

按照等凱氏氮容積負(fù)荷設(shè)計(jì)好氧池時(shí),各好氧池容積之間存在如下比例關(guān)系[15]:

假設(shè)n段進(jìn)水工藝的反應(yīng)器總?cè)莘e為V,缺氧池總?cè)莘e與好氧池總?cè)莘e分別為 VA和 VO,根據(jù)式(3)～(5)可以得到式(6)和式(7).

假設(shè)多段進(jìn)水A/O工藝的反應(yīng)器總?cè)莘e、缺氧池總?cè)莘e和好氧池總?cè)莘e之比確定,由式(6)和式(7)可以計(jì)算出各好氧單元和缺氧單元的容積.以上所得到的流量分配系數(shù)和各反應(yīng)單元容積即為優(yōu)化模式下的分配值.等流量模式則是指,當(dāng)缺氧池總?cè)莘e和好氧池總?cè)莘e之比確定,各段的進(jìn)水流量分配系數(shù)相等,各好氧單元容積相等,各缺氧單元容積也相等.

2 裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用工藝為三段進(jìn)水A/O生物膜工藝.反應(yīng)器的材質(zhì)為有機(jī)玻璃,采用組合填料作為微生物生長載體,反應(yīng)器總?cè)莘e為44L,如圖1所示.除最后一段11L作為沉淀池外,其余33L,分為三段作為反應(yīng)段,各段均由一個(gè)A池和一個(gè)O池組成,A池總?cè)莘e與O池總?cè)莘e之比為2:3,各反應(yīng)段內(nèi)A池與O池之間、各段之間均采用隔板分隔.反應(yīng)段的水力停留時(shí)間為 36h,進(jìn)水流量Q=0.9167L/h.進(jìn)水由三臺蠕動泵控制,分別進(jìn)入各段A池.為利用第一段A池進(jìn)水中的COD進(jìn)行反硝化,將第三段O池的部分出水回流至第一段A池,回流比為R.為避免溫度過低對該工藝的處理效率產(chǎn)生影響,在O池中放置加熱棒,將系統(tǒng)溫度控制在25℃左右.采用空氣壓縮機(jī)為好氧池供氧,保證好氧池溶解氧濃度在5mg/L左右.

圖1 三段進(jìn)水A/O生物膜反應(yīng)器示意Fig.1 Schematic diagram of the three-step feeding A/O biofilm reactor

2.2 進(jìn)水組成

采用人工配水模擬高濃度生活污水.進(jìn)水的COD濃度為 1000mg/L,氨氮濃度為 100mg/L,P濃度為10mg/L,配水組分見表1.微量元素的組成與添加量與文獻(xiàn)[19]相同.

2.3 監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測方法

監(jiān)測項(xiàng)目包括 COD、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總氮、溫度、溶解氧和pH值.TKN濃度由總氮濃度與硝態(tài)氮濃度和亞硝態(tài)氮濃度之差確定.NOx--N為硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮的濃度之和.溫度和溶解氧濃度采用哈希溶解氧測定儀測定,pH值采用PSH10型pH計(jì)測定,其余各監(jiān)測項(xiàng)目的測定方法均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[20].

表1 配水組分表Table 1 Composition of synthetic water

2.4 試驗(yàn)過程

按照等流量分配模式和優(yōu)化模式的順序?qū)θ芜M(jìn)水A/O生物膜工藝的運(yùn)行效果進(jìn)行試驗(yàn)研究.反應(yīng)器的運(yùn)行時(shí)間為2009年12月19日～2011年1月23日,其中2010年2月5～3月8日反應(yīng)器停止進(jìn)水,其余時(shí)間反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行,反應(yīng)器共運(yùn)行 368d.等流量分配模式運(yùn)行時(shí)間為2009年12月19日～2010年2月4日和2010年3月9～12月1日;優(yōu)化模式運(yùn)行時(shí)間為2010年12月2日～2011年1月23日.

2.4.1 等流量分配模式 當(dāng)系統(tǒng)在等流量分配模式下運(yùn)行時(shí),反應(yīng)段等分為3段,每反應(yīng)段容積為 11L,進(jìn)水流量分配采用等流量分配,即r1=r2=r3=1/3,Q1=Q2=Q3=0.3056L/h,回流比R設(shè)定為1/3,回流流量QR=0.3056L/h.A池總?cè)莘e與O池總?cè)莘e之比為 2:3.各反應(yīng)單元容積及容積負(fù)荷見表2.

表2 等流量分配模式各反應(yīng)單元容積及容積負(fù)荷Table 2 Volume and volume loading of each treatment zone under equal flow distribution mode

由表2可見,回流比R為1/3時(shí),反應(yīng)器第一段A池的硝態(tài)氮容積負(fù)荷小于第二段和第三段的A池.

2.4.2 優(yōu)化模式 本試驗(yàn)采用的三段進(jìn)水 A/O生物膜工藝的泥齡按照生物膜脫附系數(shù)倒數(shù)估算[21].α值參照式(1)及關(guān)于去除1mg硝態(tài)氮需要COD 的量的相關(guān)報(bào)導(dǎo)[22],取 α 值為 7mg COD/mgNO3

--N.流量分配系數(shù)按式(2)計(jì)算,得r1=0.4567,r2=0.3196,r3=0.2237,Q1=0.4186L/h,Q2= 0.2930L/h,Q3=0.2051L/h.為了與等流量分配模式比較,回流比 R也設(shè)定為 1/3,回流流量QR=0.3056L/h,A池總?cè)莘e與O池的總?cè)莘e之比為2:3,根據(jù)式(6)～式(7)確定各反應(yīng)單元的優(yōu)化后的容積(表3).

表3 優(yōu)化模式各反應(yīng)單元容積及容積負(fù)荷Table 3 Volume and volume loading of each treatment zone under the optimization mode

由表3可見,多段進(jìn)水A/O生物膜工藝的流量分配系數(shù)和反應(yīng)單元的容積經(jīng)過優(yōu)化后,在相同進(jìn)水水質(zhì)條件下,A池(2A和3A)的硝態(tài)氮的容積負(fù)荷比等流量分配模式下的硝態(tài)氮容積負(fù)荷小.即在相同進(jìn)水水質(zhì)條件下,優(yōu)化模式較等流量分配模式的脫氮能力可以得到一定的提升.

3 結(jié)果與討論

3.1 不同模式下COD的去除效果

由圖2可以看出,除1A外,兩種運(yùn)行模式下,各單元出水 COD的濃度變化不大,兩種模式下系統(tǒng)出水的COD濃度均小于50mg/L, COD的去除率均大于97%.兩種模式下1A出水COD濃度的差異可能有兩種原因:一是兩種模式進(jìn)入 1A的進(jìn)水流量不同,等流量分配模式下 1A的進(jìn)水量小于優(yōu)化模式的進(jìn)水量;二是等流量分配模式下系統(tǒng)出水的硝態(tài)氮濃度高于優(yōu)化模式,這就意味著回流比相同的情況下, 等流量模式下1A中反硝化過程消耗的1A進(jìn)水中的COD的量大于優(yōu)化模式下的量.

圖2 兩種模式下進(jìn)、出水及各單元出水COD濃度Fig.2 COD concentrations of each treatment zone, influent and effluent under the two modes

3.2 不同模式下TN的去除效果

圖3 兩種模式下進(jìn)、出水及各單元出水TN濃度

Fig.3 TN concentrations of each treatment zone, influent and effluent under the two modes

由圖3可見,在優(yōu)化模式下,除1A外,各處理單元出水的 TN濃度均低于等流量分配模式的TN濃度.優(yōu)化模式下的TN去除率(88.8%)明顯高于等流量分配模式下的TN去除率(80.3%),這說明優(yōu)化模式可以明顯提高該工藝對 TN的去除效率.其主要原因是,在優(yōu)化模式下,在保證為各段的缺氧池發(fā)生的反硝化反應(yīng)提供充足的 COD的同時(shí),使進(jìn)入最后一段的TN的量達(dá)到最少,降低了出水的TN濃度,從而提高了該工藝的TN去除率.

3.3 不同模式下TKN的去除效果

由圖4可見,與等流量分配模式相比,優(yōu)化模式對系統(tǒng)各好氧處理單元和最終出水的TKN濃度的影響不大.兩種模式下,系統(tǒng)出水的 TKN濃度均小于2mg/L,TKN的去除率均大于98%.優(yōu)化模式下,除1A的TKN濃度高于等流量分配模式外,其余各A池的TKN濃度均低于等流量分配模式.這主要是由于優(yōu)化模式下進(jìn)入第一段A池的流量較等流量分配模式下大,而進(jìn)入第二段和第三段A池的流量減小造成的.此外,各好氧單元中的硝化過程較為徹底,隨O池出水進(jìn)入下一段A池的 TKN濃度很低,因此出現(xiàn)了優(yōu)化模式下,除了1A的TKN濃度高于等流量分配模式外,其余各段A池的TKN濃度均低于等流量分配模式的現(xiàn)象.

圖4 兩種模式下進(jìn)、出水及各單元出水TKN濃度Fig.4 TKN concentrations of each treatment zone, influent and effluent under the two modes

3.4 不同模式下NOx--N的濃度變化

由圖5可見,通過對進(jìn)水流量分配系數(shù)和各反應(yīng)單元容積進(jìn)行優(yōu)化后,可以降低多段進(jìn)水工藝出水的NOx--N濃度.兩種模式下A池出水的NOx--N濃度相差不大,而優(yōu)化模式下O池出水的NOx--N濃度均低于等流量分配模式.值得注意的是,當(dāng)好氧單元硝化過程比較徹底時(shí),由于優(yōu)化模式下第一段的進(jìn)水流量大于等流量模式,優(yōu)化模式下1O出水的NOx--N濃度應(yīng)大于等流量模式,而試驗(yàn)實(shí)測得到的結(jié)果與此相反;此外,當(dāng)好氧單元硝化過程比較徹底時(shí),好氧單元出水中的NOx--N濃度應(yīng)和與之相鄰的上一缺氧單元出水中的TKN濃度相等,而從圖4與圖5的對比可看出,優(yōu)化模式下好氧單元出水的NOx--N濃度低于與之相鄰的上一缺氧單元出水中的TKN濃度,特別是1O出水的NOx--N濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1A出水的TKN濃度,也正是這個(gè)原因造成了優(yōu)化模式下好氧單元出水的 TN濃度低于與之相鄰的上一缺氧單元出水的 TN濃度(圖 3).好氧反應(yīng)器中氮素流失是因?yàn)楹醚跆幚韱卧纳锬楹醚跷⑸锖腿毖跷⑸锏耐瑫r(shí)存在提供了適宜的微環(huán)境,使得同步硝化反硝化成為可能.國內(nèi)外研究者在好氧生物膜反應(yīng)器[23-24]和好氧顆粒污泥反應(yīng)器[25-26]中也發(fā)現(xiàn)了氮素流失的現(xiàn)象,均與好氧和缺氧的微環(huán)境同時(shí)存在有關(guān).

圖5 兩種模式下進(jìn)、出水及各單元出水NOx--N濃度Fig.5 NOx--N concentrations of each treatment zone, influent and effluent under the two modes

此外,從圖5可以看出,兩種模式下,各段A池出水中的 NOx--N有一定程度的殘留.生物膜對污染物的降解在生物膜內(nèi)受到擴(kuò)散控制,而在生物膜外受到對流控制,因此生物膜反應(yīng)器內(nèi)的水力條件在一定程度上對污染物的降解也會產(chǎn)生一定影響[27]. 本試驗(yàn)中缺氧區(qū)內(nèi)無攪拌無曝氣,缺氧區(qū)內(nèi)的污染物在生物膜外部傳遞時(shí),主要靠對流作用,物質(zhì)傳遞受水力條件制約,因而影響到反硝化的程度,使得缺氧出水存在少量硝態(tài)氮?dú)堄?從最終的處理效果來看,按照 α=7mgCOD/ mgNO3

--N對多段進(jìn)水工藝的進(jìn)水流量和反應(yīng)單元容積進(jìn)行優(yōu)化是合適的.

4 結(jié)論

4.1 按照本研究中提出的方法對多段進(jìn)水 A/O生物膜工藝的進(jìn)水流量和各反應(yīng)單元的容積進(jìn)行優(yōu)化,能夠提高該工藝的總氮去除效率.試驗(yàn)結(jié)果表明,按照α=7mgCOD/mgNO3--N對多段進(jìn)水工藝的進(jìn)水流量和反應(yīng)單元容積進(jìn)行優(yōu)化是合適的.

4.2 當(dāng)三段進(jìn)水 A/O生物膜工藝的進(jìn)水 COD濃度為 1000mg/L,氨氮濃度為 100mg/L,水力停留時(shí)間為36h時(shí),優(yōu)化模式下該工藝的TN去除率為 88.8%,明顯高于等流量分配模式下 80.3%的TN去除率.兩種模式下,該工藝對COD和氨氮的去除效率沒有明顯差異.COD和氨氮的去除率分別大于97%和大于98%.

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Operation performance of step feeding A/O biofilm process.

HU Bo, ZHAO Jian-qiang*, CHEN Ying, HUA Li-na, MAO He-qun (School of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710064, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1644～1650

In order to improve total nitrogen (TN) removal efficiency, influent flow rate distribution and volume of each treatment zone of step feeding A/O biofilm process were optimized simultaneously. Optimization of influent flow rate distribution was based on the principle that the concentration ratio of chemical oxygen demand (COD) to nitrate nitrogen of the influent of each anoxic zone was same and equaled an optimum ratio, and the volume of each treatment zone was designed based on the idea of equal volume loading. A three-step feeding A/O biofilm process was utilized to test the differences of effluent quality between the equal flow rate distribution mode and the optimization mode. The experimental results indicated when step feeding A/O process was operated under the two modes with the same operation parameters, the TN removal efficiency under the optimization mode arrived at 88.8%, which was superior to that of 80.3% of under the equal flow rate distribution mode; The COD removals and total Kjeldahl nitrogen removals of the process under the two modes were higher than 97% and 98% respectively. The optimization method presented in this study can improve the TN removal of step feeding A/O process significantly.

step feeding；A/O biofilm process；biological nitrogen removal；operation performance；optimization

X703.1

A

1000-6923(2011)10-1644-07

2011-03-23

* 責(zé)任作者, 教授, 626710287@qq.com

胡 博(1983-),男,陜西山陽人,長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂?發(fā)表論文4篇.