污水處理廠內(nèi)源反硝化脫氮工藝設(shè)計與試驗

污水處理廠內(nèi)源反硝化脫氮工藝設(shè)計與試驗

解決水體富營養(yǎng)化問題的關(guān)鍵是有效清除廢水中的氮和磷。目前，生物法廣泛應(yīng)用于處理廢水中的氮和磷。主要技術(shù)包括交替氧化溝、a.o、a2.o、tc、bardiph、sdr等。這些技術(shù)相對成熟，但在我國的推廣應(yīng)用中存在許多問題。一個問題是，這些技術(shù)是基于c-n高廢水，而中國的城市生活水平很低，實際廢水的c-n低。脫氮和磷去除過程中有機碳源不足，導(dǎo)致脫氮和磷提取效率低下。例如，西安污水處理廠項目的廢水處理能力為180mg。當(dāng)向水中轉(zhuǎn)化為nh時，總氮和總磷的平均去除率僅為30%40%。結(jié)果表明，考慮到碳源問題，結(jié)合碳源問題，我們可以提高脫氮和磷的效率。根據(jù)這項研究，我發(fā)現(xiàn)40.5%的總干物質(zhì)是由液體凝膠形成的。由于這種物質(zhì)很難完全破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，因此不能使用活性污污泥中的碳源。殘余污泥中含有的碳（50.2%）、蛋白質(zhì)（26.7%）和脂肪（20.0%）屬于緩慢分解碳源。當(dāng)這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解碳源并用于脫氮系統(tǒng)時，它們可以顯著提高廢水的生物脫氮效率，避免添加碳源，節(jié)約運營成本。本試驗從提高處理效率和降低能耗這一基本觀點出發(fā),進行了城市污水中有機物與氮同時去除以及污水污泥一體化處理工藝研究.本研究以期為城市污水的高效低耗處理,特別是經(jīng)濟欠發(fā)達城市及中小城鎮(zhèn)污水生物脫氮處理工藝的工程設(shè)計及改造提供有益的參考,同時也為高濃度有機工業(yè)廢水的生物處理提供技術(shù)支持.1材料和方法1.1反硝化前置水處理系統(tǒng)試驗工藝流程如圖1所示.其中水解酸化反應(yīng)器有效容積為21L,HRT為3.5h,水解酸化采用升流式復(fù)合厭氧污泥床反應(yīng)器(由懸浮污泥區(qū)、泥水分離區(qū)、生物膜強化區(qū)組成),這既可利用水解對大分子有機基質(zhì)的初級降解,提高污水的可生化性并補充一定量的碳源,又可通過水解過程消化掉一部分污泥,減少系統(tǒng)剩余污泥量.缺氧反應(yīng)器有效容積為13L,HRT為2h,反硝化前置既可以充分利用污水中的有機基質(zhì)作為反硝化過程的電子供體,又可緩解有機負(fù)荷對后續(xù)硝化段的負(fù)面影響.好氧反應(yīng)器有效容積為36L,HRT為5.5h.整個系統(tǒng)通過水解酸化反應(yīng)器排泥口排泥.1.2生活污水水質(zhì)參數(shù)測定試驗以北京某大學(xué)家屬區(qū)的生活污水作為試驗用水,通過計量泵控制進水流量,同時通過測定出水量控制流量.試驗運行期間環(huán)境溫度為23~25℃,試驗裝置在常溫下運行,SS、MLSS、MLVSS測定采用重量法.生活污水的主要水質(zhì)參數(shù)及測定方法見表1.1.3生化組合工藝應(yīng)用強化內(nèi)源反硝化脫氮及污泥減量化工藝是一種處理生活污水及可生化性較好的工業(yè)廢水的方法,是以污水和剩余污泥的水解酸化液作為反硝化碳源,以缺氧/好氧(A/O)工藝為脫氮系統(tǒng),在提高系統(tǒng)脫氮效率的同時實現(xiàn)了污泥減量化、資源化的優(yōu)化組合工藝.污水首先進入水解酸化反應(yīng)器,通過吸附、物理沉降和生物降解作用去除污水中顆粒性物質(zhì),同時將污水中大分子和難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解和小分子物質(zhì),提高污水的生化性,從而提高后續(xù)工藝有機物去除效率,降低能耗,與此同時沉淀池的剩余污泥也進入水解酸化反應(yīng)器,污泥的水解酸化液作為后續(xù)脫氮所需碳源.水解酸化出水進入缺氧反應(yīng)器,與好氧段回流硝化液混合進行反硝化脫氮,同時消耗大量COD.缺氧段出水進入好氧段,降解剩余的COD,并將污水中的氨氮在硝化菌的作用下全部轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮.好氧段出水進入沉淀池,進行泥水分離,上清液外排,沉淀池底部污泥分別回流至水解酸化反應(yīng)器和缺氧段.該工藝可提高污水脫氮效率,減少污泥產(chǎn)量,降低建設(shè)費用和運行成本.2結(jié)果與討論2.1有機物的去除試驗期間,進水COD(220~410mg/L)、NH+4-N(36~58mg/L)屬于典型的低C/N城市污水,且濃度波動范圍比較大,但最終處理出水的COD<50mg/L,平均去除率超過90%(圖2).由此可以看出,該處理系統(tǒng)對有機物具有穩(wěn)定且較好的處理效果.系統(tǒng)的3個處理單元均對COD有一定的去除效果,而且各階段對有機物去除的貢獻差別明顯.對COD去除貢獻最大的是反硝化階段,平均占COD去除總量的50%左右,去除比例最小的是硝化階段,特別是試驗后期,COD的去除量不足總?cè)コ康?0%.系統(tǒng)對NH+4-N的去除效果如圖3所示.NH+4-N的進水濃度在36~58mg/L之間,出水濃度不超過2mg/L,平均去除率均超過95%,而且處理效果受進水負(fù)荷影響比較小.試驗發(fā)現(xiàn)水解酸化階段出水NH+4-N高于進水,這是由于在水解酸化過程中污水顆粒物中的有機氮發(fā)生了氨化反應(yīng),使得部分有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮造成的.為減少污水處理的運行費用,試驗期間沒有外加碳源,充分利用污水中原有的有機物作為反硝化的碳源.試驗期間出水TN≤15,去除率超過75%.2.2no-3-n與cod的變化規(guī)律為了解水解酸化對系統(tǒng)脫氮效果的影響,在2個有效容積為1L的反應(yīng)器中分別加入污水原水和水解酸化出水,進行了反硝化批量試驗,結(jié)果如圖4、5所示.從圖4可看出,原水中的COD首先有一個迅速降解的過程,在試驗開始的30min內(nèi)呈零級反應(yīng),然后在40~180min之間有一個十分緩慢的降解過程.水解酸化出水中的COD變化與原水有類似的變化規(guī)律,但是水解酸化出水中的COD在1h內(nèi)去除的比例明顯比原水大得多.這是因為污水中的溶解性小分子有機物很容易被微生物吸收利用,從而能在短時間內(nèi)得以降解,而大分子難溶性的有機物首先要降解為可溶性小分子物質(zhì)后才能被微生物利用.由此可見污水經(jīng)水解酸化處理后可以有效地提高脫氮效率.結(jié)合圖4、5不難發(fā)現(xiàn)NO-3-N與COD的降解具有十分相似的變化趨勢.這是因為在其它條件相同時,可利用碳源的數(shù)量是反硝化過程的限制因素,混合液中必須維持適宜的C/N.原水、酸化出水2個反應(yīng)器中的NO-3-N初始濃度分別為34.8、35.5mg/L,3h后的濃度分別為5.2、1.5mg/L,由此說明該工藝中污水、污泥經(jīng)水解酸化后可分解部分大分子有機物為小分子物質(zhì),能夠提高后續(xù)生物脫氮效率.綜合比較原水、酸化出水反硝化過程中NO-3-N與COD的濃度變化曲線,說明水解酸化技術(shù)用于強化城市污水脫氮工藝是切實可行的.2.3回流比和回流比對tn去除效果的影響在進水流量6.5L/h,HRT為11h,水解酸化SRT為50d,A/O段SRT為30d條件下,研究了硝化液回流比對系統(tǒng)脫氮效果的影響,結(jié)果如圖6所示.由圖6可以看出,隨著回流比的增加,TN平均去除率升高,回流比從1提高到3,TN平均去除率從51.5%升高至75%左右,且出水TN≤15mg/L,但當(dāng)回流比大于300%后,TN平均去除率逐漸降低.這是由于對前置反硝化生物脫氮而言,TN的去除主要發(fā)生在反硝化階段,其平均去除率受回流比的限制,回流比越高平均去除率也越高,但反硝化段碳源量和回流硝化液中的溶解氧會影響反硝化效率.本試驗將回流比最終控制在3是根據(jù)反硝化出水的COD來確定的.當(dāng)回流比為3時,反硝化出水COD為70mg/L左右,而硝化出水COD在30~50mg/L之間,且主要是不易生物降解的有機物.這說明原污水中可利用的有機物很少,再進一步提高回流比,則必須外加碳源,才能進一步提高TN平均去除率.因此,在無外加碳源條件下,回流比控制在3是適宜的.如果污水中有機物濃度高的話,為提高脫氮效果還可以進一步提高回流比.2.4污泥減量率的變化試驗將每日產(chǎn)生剩余污泥回流到水解酸化反應(yīng)器,由于在水解酸化反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)了水力停留時間和固體停留時間的分離,整個系統(tǒng)從水解酸化反應(yīng)器排泥,并由此認(rèn)為主要是在水解酸化反應(yīng)器中實現(xiàn)對回流剩余污泥的減量.反應(yīng)器啟動后,維持系統(tǒng)水解酸化反應(yīng)器的容積負(fù)荷(以COD計)為3.52kg/(m3·d),水力停留時間3.5h,固體停留時間40d.在連續(xù)運行的120d中,除了每次取樣帶出的MLSS外,系統(tǒng)沒有排泥,獲得良好的污泥減量效果.圖7為試驗期間水解酸化段污泥濃度、MLVSS/MLSS、剩余污泥回流量的變化曲線.由圖7可見,試驗期間水解酸化段污泥濃度逐漸增加,第8周時,污泥濃度從第1周的5.51g/L增加到7.92g/L,第10周以后系統(tǒng)污泥濃度增幅減緩,回流到水解酸化段的剩余污泥,一部分作為該段污泥系統(tǒng)微生物的補充,一部分被系統(tǒng)水解、減量,水解酸化段污泥濃度的逐漸增加,意味著回流到該段的剩余污泥只有部分被水解、減量,其余的作為該段污泥的補充.MLVSS/MLSS在試驗初期逐漸增加,第7周時達最大值,從第1周的0.66增加到0.82,然后迅速降低,第16周時降至0.44,這是由于試驗初期污泥回流量較大,MLVSS在系統(tǒng)中發(fā)生積累,隨著污泥回流量減小和污泥的水解酸化,回流污泥中的MLVSS含量小于水解酸化降解部分,同時污泥水解酸化過程中系統(tǒng)中難降解組分發(fā)生積累.由圖7中的剩余污泥回流量變化曲線可見,剩余污泥回流量在試驗開始階段逐漸增加,第5周時,由開始時的6.83g/d增加到最大值7.84g/d,而后逐漸減少,到16周時僅為3.52g/d.在試驗條件下,剩余污泥在水解酸化段中實現(xiàn)了減量.在不計水解酸化段增殖的水解、酸化細(xì)菌的情況下,可以根據(jù)式(1)得出該段反應(yīng)器中的污泥減量率.Re=ΔMLSS回流?ΔMLSS取樣?ΔMLSS水解ΔMLSS回收×100%(1)Re=ΔΜLSS回流-ΔΜLSS取樣-ΔΜLSS水解ΔΜLSS回收×100%(1)式中,Re為剩余污泥減量率,ΔMLSS回流為回流的剩余污泥量,ΔMLSS取樣為污泥取樣量,ΔMLSS水解為水解酸化反應(yīng)器增加的污泥量.根據(jù)式(1),在3個多月的試驗時間內(nèi),回流剩余污泥的平均減量率約為56.2%,水解酸化段獲得良好的污泥減量效果.如果考慮到增殖的水解、酸化細(xì)菌,則在水解酸化段中污泥減量效果更為明顯.3生化段去除廢水中nh+4-n的應(yīng)用(1)在無外加碳源情況下,該工藝具有較高的脫氮效率和有機物去除率,在試驗條件下,當(dāng)進水COD濃度在220~410mg/L,NH+4-N濃度在36~58mg/L時,系統(tǒng)COD的平均去除率大于90%,NH+4-N平均去除率大于95%,TN平均去除率大于75%.(2)試驗將水解酸化作為污水、污泥一體化處理工藝取得良好效果,不僅可以有效提高脫氮效