付國楷,張春玲,喻曉琴,張 智,周 琪
(1.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045;2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)
低碳源城市污水廠碳源優(yōu)化利用運行模式研究*
付國楷1?,張春玲1,喻曉琴1,張 智1,周 琪2
(1.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045;2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)
采用中試規(guī)模試驗,利用物質(zhì)平衡分析方法,追蹤碳源在各個季節(jié)不同工藝條件下的分配和利用情況,以求掌握控制碳源分配的關鍵性參數(shù),從而建立基于碳源利用的污水廠優(yōu)化運行模式.在原水年均COD,NH+4-N,TN和TP濃度分別為129,25.6,31.5和3.38 mg/L,C/N值和C/P值分別為4.3和39.5的條件下,冬季宜采用倒置A2/O工藝,春季宜選用改良型A2/O工藝,夏季宜選用預缺氧+倒置A2/O工藝,秋季宜選用低氧/常氧交替的預缺氧+倒置A2/O工藝,此時出水帶走的COD占系統(tǒng)輸入總量的26.1%~29.4%,同化COD比例為27.5%~36.2%,直接好氧氧化的COD比例為4%~22.2%,用于反硝化脫氮的COD比例為14.8%~33.6%,用于聚磷菌超量儲磷的COD比例為3.05%~6.9%,出水除總磷指標外,可以達到GB 18918-2002一級B標準.碳源分配的優(yōu)劣可以作為污水廠工藝篩選和參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù).
活性污泥法;污水處理;碳源分配;A2/O工藝;低碳源污水
中國南方一些地區(qū)城市污水的有機污染物濃度偏低,而氮、磷濃度相對較高[1],由于碳源不足而限制了營養(yǎng)鹽去除效率的提高[2].針對城市污水處理廠進水有機物比例偏低的問題,可以通過外加碳源,常用的碳源有甲醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等[3];另外通過調(diào)節(jié)污水廠工藝參數(shù)[4]或改良現(xiàn)有工藝[5-6],能夠在一定程度上提高營養(yǎng)鹽的去除效率.但是現(xiàn)階段大多數(shù)針對低碳源問題的研究過程和工程實踐都將污水處理工藝作為“黑箱”對待,從相對宏觀的角度來考察污水廠的整體表現(xiàn),很少從微觀的角度,利用物質(zhì)平衡的分析方法詳細地追蹤碳源的具體去向和利用情況,更沒有分析工藝調(diào)整對碳源分配和利用過程的影響.由此在污水廠工程設計和運行過程中,缺乏精確的指導性參數(shù),無法進行精細化設計和調(diào)控.
本文采用中試規(guī)模試驗,利用物質(zhì)平衡分析方法,追蹤碳源在各個季節(jié)不同工藝條件下的分配和利用情況,以求掌握控制碳源分配的關鍵性參數(shù),從而建立基于碳源利用的污水廠優(yōu)化運行模式.
試驗裝置由5部分組成:格柵井、生化反應器、二沉池、鼓風機房和加藥系統(tǒng),如圖1所示.
圖1 試驗裝置工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of the test device
生化反應器的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)內(nèi)同時設置了微孔曝氣裝置和攪拌裝置,可根據(jù)工藝需要實現(xiàn)厭氧、缺氧、低氧或好氧等環(huán)境狀態(tài).原水分別或同時進入這三區(qū),污泥回流進入Ⅰ區(qū),混合液可以回流至Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū).另外設有加藥設備,Ⅴ區(qū)除了可以充當后曝氣池外,還可以作為物化池使用,但在本研究過程中未添加化學除磷混凝劑.
試驗裝置具有一池多用、運行靈活的特點,因此在實驗室小試和前期試驗結果的基礎上[1],進一步優(yōu)選運行工藝和工況,考察不同季節(jié)條件下各工藝碳源分配的情況.
冬季(1月至3月上旬)選用了預缺氧+A2/O和倒置A2/O 2種工藝,采用了4種運行工況.其中,工況1采用工藝參數(shù)為:HRT(水力停留時間)=10 h,SRT(污泥齡)=25 d,MLSS(混合液懸浮固體濃度)=3 125 mg/L,VSS(揮發(fā)性固體濃度)/MLSS=0.56,R(外回流比)=r(內(nèi)回流比)=100%.工況2采用工藝參數(shù)為:HRT=10 h,SRT=20 d,MLSS=2 532 mg/L,VSS/MLSS=0.6,R=75%,r=150%.工況3采用工藝參數(shù)為:HRT=10 h,SRT=20 d,MLSS=1 705 mg/L,VSS/MLSS=0.64,R=100%.工況4采用工藝參數(shù)為:HRT=8 h,SRT=18 d,MLSS=2 758 mg/L,VSS/MLSS=0.62,R=100%.
春季(3月中旬至5月)選用了倒置A2/O、預缺氧+倒置A2/O、改良型A2/O 3種工藝,采用了3種工況.其中,工況1采用的工藝參數(shù)為:HRT=8 h,SRT=18 d,MLSS=2 697 mg/L,VSS/MLSS=0.65,R=100%.工況2采用工藝參數(shù)為:HRT=10 h,SRT=18 d,MLSS=2 425 mg/L,VSS/MLSS=0.62,R=100%.工況3采用工藝參數(shù)為:HRT=10 h,SRT=18 d,MLSS=2 387 mg/L,VSS/MLSS=0.6,R=50%,r=150%.
夏季(6月至9月)選用了改良型A2/O和預缺氧+倒置A2/O 2種工藝,采用了2種工況.其中,工況1采用的參數(shù)為:HRT=8 h,SRT=15 d, MLSS=2 160 mg/L,VSS/MLSS=0.6,R=75%,r=100%.工況2采用的參數(shù)為:HRT=8 h,SRT=15 d,MLSS=2 041 mg/L,VSS/MLSS=0.58,VSS/MLSS=0.6,R=75%.
秋季(10月至12月)僅選用了預缺氧+倒置A2/O一種工藝,采用了3種工況.工藝參數(shù)為:HRT=8 h,SRT=18 d,MLSS=2 200~2 400 mg/L,VSS/MLSS=0.6,R=100%.但是工況1好氧段采用常規(guī)溶解氧質(zhì)量濃度DO=1.5~2.5 mg/L,工況2采用低溶解氧質(zhì)量濃度DO=0.3~0.8 mg/L,工況3交替采用低氧和常氧模式,以期求得相對穩(wěn)定的短程硝化反硝化過程[7].
1)常規(guī)理化指標COD,NH+4-N,NOx-N,TN,PO34-P,TP,MLSS和MLVSS按國家標準方法進行測定,檢測頻率為2~3次/周.
2)DO和水溫采用WTW Oxi330i型DO測定儀,2次/d,p H值采用WTW p H330i型p H計,2次/d.
3)碳源的分配去向包括出水、同化(細胞合成)、異化(直接氧化)、脫氮、除磷,其中有機物和氮涉及到的化學計量系數(shù)采用國際水協(xié)(IAWO)的推薦值[8]:同化的COD量采用換算系數(shù)1.42(gCOD/g MLVSS)根據(jù)排泥量與污泥質(zhì)量濃度計算,同化的TN量采用換算系數(shù)0.087(g TN/gCOD)根據(jù)同化COD量計算,反硝化TN量根據(jù)進水和出水以及同化量的差值計算,反硝化利用的COD量采用2.86(gCOD/g TN),根據(jù)反硝化TN量計算.
4)磷的去除分為2個部分,微生物正常同化量和聚磷菌超量吸磷量.微生物正常同化除磷量根據(jù)微生物細胞的經(jīng)驗分子式C60H87O23N12P,可采用2.26%的比例系數(shù)根據(jù)排泥量估算[8-9],聚磷菌超量吸磷量根據(jù)系統(tǒng)除磷總量與微生物正常同化量的差值計算.Wentzel的研究表明,在活性污泥工藝中,聚磷菌在厭氧區(qū)吸收VFAs用以好氧區(qū)的生長和儲磷,超量吸收1 mg的磷大約需要7~10 mg乙酸,相當于7.5~10.7 mgCOD的VFAs[10-11],故取平均值9 mgCOD/mgP對超量吸磷消耗的COD進行估算.由于磷酸鹽的化學沉淀現(xiàn)象在p H為中性條件的活性污泥系統(tǒng)中不明顯[12],所以忽略了通過化學沉淀積累到污泥中的磷量,認為所有的磷都是通過微生物的同化作用去除的.
5)被直接氧化的COD量根據(jù)進水COD總量減去同化COD量、反硝化COD量、超量吸磷COD量和出水COD量計算.
試驗原水來自合流制排水干管的生活污水和少量工業(yè)廢水,進水COD、總氮、總磷以及C/N值、C/P值和降水量的逐月變化如圖2、圖3和圖4所示.原水BOD5與CODcr的比例關系如圖5所示.
圖2 原水COD,TN,COD/TN的月變化情況Fig.2 Variations of influent COD,TN and COD/TN
圖3 原水COD,TP,COD/TP的月變化情況Fig.3 Variations of influent COD,TP and COD/TP
圖4 原水CODcr和降水量變化情況Fig.4 Variations of influent CODcr and rainfall
圖5 原水BOD5與CODcr的關系Fig.5 Relationship between BOD5 and CODcr of influent
試驗進水呈典型的低碳、高氮磷水質(zhì)特征,且水質(zhì)的季節(jié)性變化較大.COD的年平均值只有129 mg/L,春、夏季受降雨影響COD值出現(xiàn)低谷,秋、冬季的進水COD值比較平穩(wěn);氮、磷質(zhì)量濃度變化與COD的相似,C/N值和C/P值變化不大,說明污染物濃度變化確由稀釋作用所引起;進水平均C/N值和C/P值分別只有4.3和39.5,碳源嚴重不足.由圖5可見,進水BOD5/CODcr約為0.37,進水可生化性一般.
不同季節(jié)各工況條件下對污染物的去除效果如圖6~圖9所示.冬季階段的4種工況均能取得較高的有機物去除率,出水COD均能穩(wěn)定在50 mg/L以下;出水SS在13.2~16.6 mg/L,各工況下污泥性狀均保持穩(wěn)定;工況1和工況3出水TN能夠穩(wěn)定達到一級B標準,工況2和工況4出水TN略有超標;工況3的硝化效率最高,工況1次之,工況2最低;冬季4種工況出水TP濃度均超標,工況2和工況3的TP去除率相對較高,達到48%左右,工況1最低,僅有27.2%.
春季階段的3種工況出水COD均保持穩(wěn)定;出水SS在12~14.1 mg/L;受進水C/N值下降的影響,3種工況TN去除率均較低,在20%~28%之間;隨著氣溫的回升,3種工況均有較高的硝化效率,達到76%~85%;3種工況出水TP仍然超標,工況2 TP去除率最低,僅有36.9%,工況3最高,為51.2%.
夏季階段2種工況出水COD和SS與春季相似,均保持穩(wěn)定.工況1 TN去除率為45.8%,出水能夠達到一級A標準,工況2 TN去除率為37.6%,出水都能達到一級B標準;2種工況的出水NH+4-N均能穩(wěn)定在5 mg/L以下;但對TP的去除率均不高,分別為38%和40%.
秋季雖然僅采用了一種工藝,但是隨著DO濃度的調(diào)整,污染物去除效率和污泥性狀有所不同.在工況1的常氧條件下,COD,SS,TN,NH+4-N和TP去除率分別為75.4%,83.2%,50.5%,93.1%和29%;在工況2的低氧條件下,TN去除率可提升至68.8%,出水NO-2-N的濃度穩(wěn)定在7 mg/L,獲得了穩(wěn)定的短程硝化反硝化效果,同時TP去除率略有提升,達到29.8%,但是也出現(xiàn)嚴重的污泥膨脹,SVI值最高達到264 m L/g;工況3通過低氧/常氧交替運行,將SVI值控制在100~130 m L/g,出水NO-2-N能夠穩(wěn)定在6.4 mg/L,TN去除率仍然達到64.3%,TP去除率提升至38.4%.
圖6 冬季各工況平均出水水質(zhì)Fig.6 Quality of influent and effluence of different conditions in winter
圖7 春季各工況平均出水水質(zhì)Fig.7 Quality of influent and effluence of different conditions in spring
圖8 夏季各工況平均出水水質(zhì)Fig.8 Quality of influent and effluence of different conditions in dry/mizzle weather in summer
圖9 秋季各工況平均出水水質(zhì)Fig.9 Quality of influent and effluence of different conditions in autumn
根據(jù)檢測所得數(shù)據(jù)和各項工藝參數(shù),以冬季碳源分配估算為例,計算過程及方法見表1,其他季節(jié)各工況的計算方法相同,碳源分配比例分別如圖10~圖13所示.
冬季階段4種工況出水COD所占的比例基本相當,大約為20%~25%,故這部分COD可認為是進水有機物中的難降解部分.比較而言,工況3(增加好氧段停留時間的倒置A2/O)條件下碳源的利用最為充分,被直接氧化的COD僅有13.4%;用于脫氮和除磷的COD分配比較合理,同化的COD所占比例較高,也有利于磷的同化去除.工況1條件下用于脫氮的COD所占比例過高,影響了磷的去除.
工況2條件下碳源分配也比較合理,但是用于脫氮的COD所占比例略低,氮的去除不夠理想.工況4條件下直接氧化的COD比例過高,碳源沒有得到充分利用.
表1 冬季時段不同模式下的碳源分配估算Tab.1 COD distribution in different processes in winter period
圖10 冬季時段不同模式下的碳源分配Fig.10 COD distribution in different processes in winter
圖11 春季時段不同模式下的碳源分配Fig.11 COD distribution in different processes in spring
圖12 夏季時段不同模式下的碳源分配Fig.12 COD distribution in different processes in dry/mizzle weather in summer
圖13 秋季時段不同模式下的碳源分配Fig.13 COD distribution in different processes in autumn
春季時段3種工況條件下出水COD所占比例與冬季時段相同,約為20%~25%.比較而言,工況3(改良型A2/O)條件下碳源利用率較高,被直接氧化的COD僅有18.1%;用于脫氮除磷的COD分配較為合理,出水水質(zhì)最好,是春季時段值得推薦的工藝.而工況1被氧化的COD比例較高,碳源浪費嚴重,工況2用于除磷的COD太低,導致磷的去除不夠理想.值得注意的是工況3較高的同化COD比例也有利于磷的去除.
在夏季時段改良型A2/O工藝和預缺氧+倒置A2/O工藝的碳源分配情況基本相似,出水COD占系統(tǒng)輸入COD總量的26%左右.從碳源分配的角度來看,改良型A2/O工藝和預缺氧+倒置A2/O工藝均適宜于夏季時段采用,兩者對污染物的去除效率沒有明顯優(yōu)劣之分,但是,由于取消了內(nèi)回流,預缺氧+倒置A2/O工藝的能耗遠遠低于改良型A2/O工藝,而且使用的設備更少,操作更加簡潔明了,所以在夏季時段推薦采用預缺氧+倒置A2/O工藝.
秋季階段的影響碳源分配的主要因素為DO濃度,相比較而言工況3(低氧/常氧交替的預缺氧+倒置A2/O)的碳源分配最好,工況1次之,工況2條件下的碳源分配最差.另外,即使工況2條件下用于脫氮的COD所占比例為27.3%,略低于其他2種工況(34.7%和33.6%),但是其總氮去除效率最高.由此可見,通過實現(xiàn)短程硝化反硝化,可以利用相對較少的碳源達到更高的脫氮效率,對于碳源受限的城市污水處理來說具有重要意義.
1)中國南方許多城市污水處理廠存在碳源受限以及進水水質(zhì)水量波動的雙重不利影響,設計時可以采用靈活多變的反應器形式,以實現(xiàn)不同季節(jié)條件下的工藝切換和參數(shù)調(diào)整,從而達到有限碳源充分利用的目的.
2)在低碳源污水廠工藝選擇和運行模式調(diào)整時,碳源的合理分配和有效利用可以作為重要的評價依據(jù),碳源利用最好的工藝也必然表現(xiàn)出更加優(yōu)良的出水水質(zhì).
3)在本試驗的進水水質(zhì)和氣候條件下,春季宜采用改良型A2/O工藝運行,夏季宜采用預缺氧+倒置A2/O工藝,秋季宜采用低氧/常氧交替運行的倒置A2/O工藝,冬季宜采用倒置A2/O工藝,在此調(diào)控模式下,當全年進水平均COD/TN值僅為4.3時,也能夠?qū)崿F(xiàn)除總磷外的所有污染物指標達到一級B標準.
4)在碳源受限條件下即使采用上述優(yōu)化運行模式,也很難同時獲得較高的脫氮和除磷效率,建議在充分利用碳源的同時,優(yōu)先保障脫氮所需的碳源,適當分配除磷碳源,最終通過外加混凝劑實現(xiàn)出水達標.
5)本試驗優(yōu)選的工藝均為A2/O工藝及其變型,未涉及氧化溝、SBR等其他工藝,可以采用相同研究方法并結合數(shù)學模型對其進一步探索.
[1] 付國楷.活性污泥法——人工濕地聯(lián)合處理城市污水研究[D].上海:同濟大學環(huán)境科學與工程學院,2007.
FU Guo-kai.Research on activated sludge process-constructed wetland combinative technology treating municipal wastewater[D].Shanghai:School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,2007.(In Chinese)
[2] AHMED Z,LIM B R,CHO J.Biological nitrogen and phosphorus removal and changes in microbial community structure in a membrane bioreactor:effect of different carbon sources[J].Water Res,2008,42(1/2):198-210.
[3] SOEJIMA K,MATSUMOTO S,OHGUSHI S,et al.Modeling and experimental study on the anaerobic/aerobic/anoxic process for simultaneous nitrogen and phosphorus removal,the effect of acetate addition[J].Process Biochemistry,2008,43(6):605-614.
[4] 唐旭光,王淑瑩,顧升波,等.UnFied SBR系統(tǒng)處理生活污水脫氮除磷的性能優(yōu)化[J].環(huán)境科學,2009,30(10):2963-2967.
TANG Xu-guang,WANG Shu-ying,GU Sheng-bo,et al.Optimization effect of nitrogen and phosphorus removal in Un Fied SBR process for domestic wastewater[J].Environmental Science,2009,30(10):2963-2967.(In Chinese)
[5] KIM D,KIM T,RYU H D,et al.Treatment of low carbon-tonitrogen wastewater using two-stage sequencing batch reactor with independent nitrification[J].Process Biochemistry,2008,43(4):406-413.
[6] NISHISAKO R,MIYOSHI T,SHIMADA R,et al.Baffled membrane bioreactor(BMBR)for efficient nutrient removal from municipal wastewater[J].Water Research,2008,42(3):625-632.
[7] 付國楷,周琪,楊殿海,等.倒置A2/O工藝的短程生物脫氮中試[J].中國給水排水,2006,22(17):38-41.
FU Guo-kai,ZHOU Qi,YANG Dian-hai,et al.Pilot scale test on short-cut nitrification and denitrification in inverted A2/O process[J].China Water and Wastewater,2006,22(17):38-41.(In Chinese)
[8] GRADY C P L,DAIGGER J G T,LIM H C.Biological wastewater treatment[M].2nd ed.American:Marcel Dekker Inc,1999:397-400.
[9] WENTZEL M C,EKAMA G A,LOEWENTHAL R E,et al.Enhanced polyphosphate organisms in activated sludge system,Part I:enhanced culture development[J].Water SA,1988,14:81-92.
[10]WENTZEL M C,EKAMA G A,LOEWENTHAL R E,et al.Enhanced polyphosphate organisms in activated sludge system,PartⅡ:experimental behaviour[J].Water SA,1989,15:71-88.
[11]WENTZEL M C,EKAMA G A,LOEWENTHAL R E,et al.Enhanced polyphosphate organisms in activated sludge system,PartⅢ:kinetic model[J].Water SA,1990,16:89-102.
[12]CARLSSON H,ASPEGREN H,LEE N,et al.Calcium phosphate precipitation in biological phosphorus removal systems[J].Water Research,1997,31(5):1047-1050.
Research on the Optimum Operation Strategy for Deficient Carbon Source Urban Sewage Treatment Plants
FU Guo-kai1?,ZHANG Chun-ling1,YU Xiao-qin1,ZHANG Zhi1,ZHOU Qi2
(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment,Ministry of Education,Chongqing Univ,
Chongqing 400045,China; 2.State Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse,Tongji Univ,Shanghai 200092,China)
Analytical methods based on mass balance were adopted in the experiment to trace the carbon source distributed and utilized in a pilot scale system.The key parameters of carbon source distribution were investigated and the optimum operation strategy for urban sewage treatment plants was built.In the conditons that the influent concentration of the COD,NH+4-N,TN and TP were 129 mg/L,25.6 mg/L,31.5 mg/L and 3.38 mg/L,respectively,and the C/N and C/P value were 4.3 and 39.5,inverted A2/O process was recommended in winter period,enhanced A2/O process was recommended in spring period,pre-anoxic inverted A2/O process was recommended in summer period and alternating oxygen concentration inverted A2/O process was appropriate in autumn period.In this case,the ratio of effluent COD to influnent COD was 26.1%~29.4%,the ratio of assimilating COD was 27.5%~36.2%,the ratio of directly oxidating COD was 4%~22.2%,the ratio of denitrificating COD was 14.8%~33.6%,and the ratio of COD utilizing for removal was 3.05%~6.9%.The effluent of the pilot scale reactor could reach the standard of grade B,classⅠin Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant(GB 18918-2002)apart from the concentration of phosphorus.The rationalization of carbon source utilization should be an important rule for the design and adjustment of wastewater treatment plants.
activated sludge process;wastewater treatment;mass balance;A2/O process;deficient car-bon resource
X703.1
A
1674-2974(2012)08-0061-06*
2011-08-01
國家“十一五”科技重大專項(2009ZX07315-002-03)
付國楷(1979—),男,湖南湘潭人,重慶大學講師,博士
?通訊聯(lián)系人,E-mail:fuguokai@163.com