一体化AO生物膜反应器处理生活污水.doc

一体化A/O生物膜反应器处理生活污水近年来厌氧处理技术因其耗能少、成本低的特点而逐渐应用于生活污水处理领域，但一般仍需后处理工艺(多采用传统好氧工艺)。笔者将缺氧、好氧段组成一个整体，采用生物膜法使生活污水以升流方式流经两个反应区，将缺氧区厌氧微生物对污水中有机物的降解控制在酸化阶段，产生于缺氧段的发酵产物经好氧段微生物进一步分解、转化以达到去除原水中污染物的目的。根据需要还可将沉淀池出水回流至反应器进水口而形成一体化A/O脱氮工艺。1 试验条件1.1 试验装置和原水水质一体化A/O生物膜反应器试验装置见图1。缺氧区采用70mm球形填料，其堆积体积约为20L；好氧区采用半软性填料(高度为0.70m)。曝气头安装在好氧区底部。原水采用清华大学学生宿舍区生活污水，其COD为150600mg/L、SS为100400mg/L、碱度平均为350mg/L(以CaCO3计)，pH值为6.57.5，必要时添加工业用葡萄糖以提高原水COD值。缺氧段反应器接种污泥取自北京高碑店污水处理厂二沉池底泥，接种量为15g/L；好氧段污泥取自污水处理厂回流污泥，接种量为13g/L。1.2 试验方法1.2.1 反应器的启动启动初期采用高容积负荷、低水力负荷的运行方式(进水COD约为800mg/L，流量为50L/d)，启动3周后直接进生活污水，并将进水流量调至设计流量(100L/d)，此时出水COD 值平均为47mg/L，标志着启动工作完成。1.2.2 试验内容 对有机物的去除a.保持基本运行工艺参数(见表1)不变且无回流，通过改变进水COD浓度来改变系统容积负荷，分别研究各种浓度下反应器对有机物的处理效果。b.保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，在0200%范围内调节回流比，比较反应器对COD的去除情况。表1 基本运行参数项目HRT(h)回流比(%)pHDO(mg/L)缺氧段50200670.5好氧段30200782.0 对SS的去除保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，考察不同回流比、不同容积负荷条件下反应器对SS的去除效果。 对氮的去除a.保持HRT、pH值、DO等参数不变(见表1)，比较不同回流比(0200%)下反应器对氨氮和总氮的去除情况。b.当回流比为200%，保持表1中其他工艺参数不变，调节缺氧段、好氧段碱度以考察pH值和碱度变化对反应器脱氮效果的影响。1.3 测定项目水样为日平均样，每天测定进、出水的COD、SCOD、SS、pH值、碱度，不定时测定进、出水的BOD5，均采用标准测定方法。2 结果与讨论2.1 对有机物的去除2.1.1 对不同浓度污水的处理效果比较为考察不同进水COD浓度下的处理效果，试验按低浓度(COD为190380mg/L、SCOD为98133mg/L)、中等浓度(COD为428525mg/L、SCOD为288440mg/L)、高浓度(COD为553659mg/L、SCOD为423518mg/L)3个阶段进行，其中低浓度时直接采用生活污水，中、高浓度时则在原水中加入工业葡萄糖。试验结果见表2和图2。表2 反应器在不同进水有机物浓度时的去除效果项 目低浓度中等浓度高浓度进水(mg/L)COD281476606SCOD110365470出水(mg/L)COD285072SCOD264256去除率(%)COD90.089.588.1SCOD76.488.588.0从表2和图2可以看出，进水有机物浓度的提高主要体现在溶解性有机物部分，随着原水COD提高，出水的COD、SCOD浓度也相应上升，但即使进水COD在600mg/L左右，出水仍能保持在100mg/L以下。原水COD浓度与反应器出水COD浓度经过拟合得到一条曲线(表达式见式1)。通过这条曲线可以根据进水有机物浓度初步预测在试验运行条件下反应器出水有机物的大致浓度。y=0.000 2x2-0.033 6x+21.347(1)R2=0.989 2式中 x进水有机物浓度，mg/Ly出水有机物浓度，mg/LR相关系数2.1.2 不同回流比对有机物处理效果的影响将沉淀池出水回流至反应器进水口，考察COD去除率随回流比变化的情况(见表3)。表3 不同回流比时COD的去除情况回流比(%)进水COD(mg/L)缺氧段出水COD(mg/L)缺氧段 去除率*(%)出水COD(mg/L)好氧段去除率(%)总去除率(%)50357.8257.031.749.154.185.8100313.4166.98.350.675.583.8150430.8193.818.846.370.589.3200371.8189.18.240.281.089.2注：*考虑了沉淀池污泥回流对原水的稀释作用。由表3可以看出，提高回流比有利于反应器对有机物的去除，尤其对好氧段去除率的提高较为明显，但对COD的总去除率影响甚微。原水BOD5值为100160mg/L，出水BOD5值为614mg/L(平均为8.3mg/L)，回流比的改变对出水BOD5值的影响也不显著。2.2 对SS的去除反应器好氧段采用生物膜法保证了出水SS值较低。进水SS为230495mg/L(平均410mg/L)时，在正常运行条件下出水外观清澈良好，SS一般难以检出(从未超过10mg/L)，绝大多数情况下对SS去除率能够保证高于95%。2.3 对氮的去除 将沉淀池出水回流到进水口可形成“前置式反硝化生物脱氮系统”，污水中的含氮有机物在缺氧段被异养微生物氨化，在好氧段中由硝化菌将氨氮硝化，最后NO2-和NO3-随沉淀池出水回流到缺氧段，再由反硝化菌将它们还原为N2以提高脱氮效果。2.3.1 回流比对氨氮去除效果的影响试验过程中以生活污水为原水(COD平均为334mg/L，氨氮平均为32.3mg/L)， 而氨氮的去除效果随反应器设置的回流比不同而有所变化(见表4)。表4 不同回流比时对氨氮的去除效果回流比(%)进水氨氮(mg/L)出水氨氮(mg/L)去除率(%)034.410.968.210039.010.074.415029.28.4771.020032.08.2274.3由表4可以看出，将出水回流有利于氨氮的去除。回流比增加到100%，对氨氮的去除率比没有回流时有明显提高；继续加大回流比对提高氨氮去除率没有显著效果。氨氮经硝化、亚硝化产生的NO3-、NO2-在好氧区也有明显增高(见图3，取样口的编号0代表原水，1代表缺氧区出口，2代表好氧区20cm处，3代表好氧区60cm处，4代表沉淀池出水)。2.3.2 回流比对总氮去除的影响有机氮在A/O反应器的缺氧区降解为氨氮，并与原水中的氨氮一起在好氧段进行硝化、亚硝化反应。当采用回流运行时有占氮总量R/(R+1)的NO3-、NO2-随沉淀池出水回流进入缺氧区而被反硝化菌利用还原为N2。假设以上过程中各种形态氮的转化率都能达到100%，在此理想状态下A/O工艺对总氮的去除率为：=R/(R+1)100%(2)式中 去除率R回流比根据式(2)可以计算出对应于不同的回流比反应器对总氮去除率的理论值，与试验数据进行比较的结果见表5。从表5可以看出，随回流比增大总氮实际去除率也随之提高，这与理论值的变化趋势相符。由于A/O工艺缺氧段的反硝化主要以回流水中的NO-3、NO2-为原料，所以好氧段的硝化反应效率也会直接影响总氮去除效果。 表5 不同回流比时的总氮去除效果回流比(%)总氮理论去除率(%)=R/(R+1)100%总氮实际平均去除率(%)进水总氮(mg/L)出水总氮(mg/L)1005040.440.825.420066.757.345.420.92.3.3 pH值和碱度对脱氮效果的影响按照生活污水中有40mg/L氨氮被氧化成NO3-(碱度/氨氮=8.85)来计算，好氧反应区内硝化反应正常进行需要碱度为354 mg/L(以CaCO3计)，而进入好氧段的污水中碱度平均为210mg/L，可见原水经过缺氧段处理后碱度不能满足硝化反应的需要，理论上生活污水中需要投加144mg/L的CaCO3(相当于153mg/L的Na2CO3)。当回流比为200%时投加Na2CO3以满足碱度需求的前后对照试验见图4。由图4可见，碱度是硝化过程中的一个重要影响因素，如果碱度控制不当会对氨氮去除产生不利影响。除了回流比、pH值和碱度等因素外，DO浓度对脱氮效果也有着较大影响。因缺氧段的反硝化菌是异养兼性厌氧菌，所以缺氧区内的DO浓度控制在0.5mg/L以下就不会影响 其内部微生物正常的繁殖代谢。对于好氧区，DO高有利于有机物降解和氨氮的硝化，因硝化菌是强好氧菌，应保证好氧区DO浓度控制在24mg/L。3 结论 升流式一体化A/O反应器对城市生活污水的处理效果良好，在温度为1030、停留时间为8h的情况下正常运转的反应器对COD平均去除率为83%，BOD5平均去除率为91%，对SS平均去除率95%，对氨氮平均去除率为71%。在回流比为200%时对总氮平均去除率为57%，随着回流比增大则反应器抗冲击负荷能力增强，对有机物、氨氮、总氮的去除率有所增加。综合考虑增大回流比带来的能耗问题，最佳回流比为200%。 为保证好氧区硝化菌的活性，DO应保持在24mg/L，应通过投加碳酸盐碱度控制pH值在7.58.5；缺氧区DO应保持在0.5 mg/L以下，pH值应控制在6以上。 该工艺结构紧凑、占地小、处理成本较低。 该工艺耐有机物冲击负荷，工作稳定简单、运行管理容易，而且可根据不同需要调整运行方式，适应性强。 好氧区因采用生物膜法而无污泥上浮现象，污泥产量少，在污泥回流情况下沉淀池可数月不排泥。一体化氧化沟沉淀船运行方式 一体化氧化沟系指将船形二沉池设置在氧化沟内，用于进行泥水分离，出水由上部排出，污泥则由沉淀船底部的排泥管直接排入氧化沟内。由于二沉池直接建在氧化沟内，因此一体化氧化沟省去了污泥回流系统，且占地少，运行操作非常简单。安阳市豆腐营工业区污水集中控制工程采用水解接触氧化一体化氧化沟工艺处理工业废水，设计规模22104m3/d(一期为12104m3/d)，并于1995年通过国家环 保局组织的验收。该一体化氧化沟沉淀船为多斗式结构，每斗有一根排泥管与氧化沟相通，船长24m，宽7m，有效水深12m，实际有效容积202m3，设计处理水量为250m3/h，静态条件下水力停留时间48min。 1 实际运行状况 实际运行中，先后采用了两种运行方式： 1.1 反向进水运行方式如图1所示。氧化沟内水流方向为AB，沉淀船内水由D点溢流进入船内，采用淹没式整流墙整流，水流方向为DC，与氧化沟内水流方向相反。当连续运行时，沉淀船内几乎没有沉淀发生，出水中携带的污泥浓度与沟内浓度一样，沉淀船内仅在进口不远处有清水区，而在出水区则完全没有了清水区，成为泥水混合液，起初以为是排泥管堵塞所致，清理后情况仍未有改观。 1.2 正向进水在反向进水无法运行时，有关专家建议采用正向进水方式，并最终形成了如图2所示的运行方式。氧化沟内水流方向仍为AB，沉淀船内水流方向为CD，进沉淀船的水由船头流入进水槽内，由槽底17个20cm20cm的进水孔进入沉淀船，底部加了折流板，并在船进水区加设斜板，使进水区域内船与沟相分离。这种运行方式基本上能稳定运行且污泥也不会大量流失，但仍然存在一些问题，比如沉淀船上部存在10cm深的死水区，若长时间运行，其表面易滋生一层绿藻，有时会积聚一些腐泥。 2 讨论 现就上述两种运行方式用水力学原理作近似分析(见图3)。对某一漏斗i而言，污泥能否排入到底孔中去，关键取决于漏斗上下的测压管水头差。由于进水口的整流作用，船内i点的测压管水头基本等于水深；在11断面，测压管水头则取 决于11断面至i点之间的局部阻力和沿程阻力的大小，i点越靠近下游，局部和沿程的能 量损失越大，测压管水头损失也越大。用伯努利方程近似描述的话，本工程中Zi0，则有下式成立：Pi/=H-hw1-i+(v12-vi2)/2g(1)若Pi/h，则水流从沉淀船流向底孔，排泥通畅。 对反向进水的运行方式(见图4)而言，沉淀船出水区域为2-3之间，如想不使水流从底孔向沉淀船内流动，则须有下式成立：H-hw2-3+(v12-v22)/2gh (2) 实际运行中，v10.26m/s，H-h0.05m，由于1-2之间阻力很小，2-3之间的能量损失也可忽略不计，hw2-3只计局部损失，经计算近似有：v21m/s (3)由于氧化沟内流速较低(0.26m/s)，在没有特殊装置及外加动力的情况下，流速由0.26m/s 提高到1m/s几乎不可能。因此，这种运行方式势必造成氧化沟内水流在出水区内由底孔进入沉淀船，形成冒泡区域，造成污泥流失，沉淀船起不到泥水分离作用。 对正向进水的运行方式而言，出水区域位于沉淀船尾部，由于局部和沿程的能量损失已达到最大值，因此漏斗底部的测压管水头损失也达到了最大值，底部压能变为最