小流量分散型污水处理生物反应器试验研究

Word版本，下载可自由编辑小流量分散型污水处理生物反应器试验研究1引言(Introduction)簇拥污水是指农村社区、军队驻地、高速马路服务区、机场、自立别墅区、旅游风景区等地处郊区，分布簇拥，无法纳入市政管网笼罩范围的特定区域产生的污水，这类污水具有水量小、排放簇拥、水质水量波动较大、可生化性好等特点(陈书雪等，2023;吕锡武，2023;陈吕军，2023;陈汗龙等，2023).簇拥污水不相宜举行集中处理，应举行就地处理，就地回用.

按照水量及收集方式的不同，簇拥式污水处理有不同的处理规模，如在农村污水处理中，可分为单户污水簇拥收集处理模式、联户污水簇拥收集处理模式和村落污水集中收集处理模式(Libralatoetal.,2023;王阳等，2023).因为当地居住情况和经济状况不同，对污水处理设施的挑选也不相同.

当前小流量簇拥污水常用的生物膜法、稳定塘、氧化塘、人工湿地等处理工艺，对污染物的减少有一定的作用，但也面临着诸多问题.比如，稳定塘占地面积大、污泥简单淤积(刘云国等，2023);人工湿地普通不宜直接处理较高浓度的生活污水，并存在水力负荷低、占地面积大、易受气候和温度影响等问题(刘峰等，2023;孙宗建等，2023);净化槽工艺虽对污水中COD、BOD和NH4+-N等具有较好的处理效果，但设计中较少考虑TN和TP的去除(王昶等，2023);而生物接触氧化法的填料造价高，增强了投资，另外对生物接触池内布水、布气的匀称性有一定要求(赵贤慧等，2023).随着更严格的污水排放标准的出台，对总磷、总氮等污染物的处理要求也进一步提高，以往簇拥式污水处理设施很难满足新的要求.

延续流间歇曝气工艺在国内外均有讨论，相对于传统活性污泥工艺，间歇曝气工艺可以削减反硝化过程中对碳源的需求，适用于低C/N污水的脱氮(Haoetal.,1996;Fulazzakyetal.,2023).Insel等(2023)讨论认为，曝气停曝的循环时光和其中曝气时光的占比对囫囵反应脱氮的过程有重要影响.国内对间歇曝气工艺的讨论多集中在现有污水处理厂的提标改造及处理过程中的控制参数上，如张雯等(2023)讨论了间歇曝气和延续曝气对彻低混合反应器脱氮性能的影响，指出间歇曝气时，因为厌氧阶段有利于异养型兼性厌氧菌的代谢活动，故反硝化举行得较为彻底，对总氮的去除率可以维持在70%以上.金春姬等(2023)对低C/N污水举行间歇曝气工艺处理，考察了间歇曝气周期对污水脱氮的影响，认为曝气时光应按照进水氨氮负荷保持在0.5h以上，搅拌缺氧的时光应当控制在1h左右.乔海兵等(2023)利用对延续流间歇曝气氧化沟的讨论，指出循环周期越小，好氧和缺氧交替频率越高，系统中的DO水平相对较高，有利于硝化，同时也有利于消退停气期的短流影响;随着曝气时光占比的降低，停气时光的增强，进水中的有机物进入沟内，作为反硝化的外加碳源，从而使反硝化速率加快.然而，对于簇拥式的间歇式曝气活性污泥工艺应用于簇拥式污水处理还鲜有报道.因为处理成本及水量水质条件的制约，讨论处理量小、能耗较低的间歇曝气反应器的处理效能具有重要的现实意义.

本文利用对应用于簇拥型污水处理的间歇曝气生物反应器举行生产性实验讨论，考察生物反应器去除COD、氮、磷的效果，以期为其在簇拥式污水处理过程中的应用提供建议.

2材料与办法(Materialandmethods)

2.1试验装置

延续流间歇曝气前缺氧生物反应器(以下简称“生物反应器”)按照课题组前期讨论成绩设计加工(Liuetal.,2023;Liuetal.,2023)，详细如图1所示.生物反应器整装在一个集装箱内，总容积为27.6m3，其中，混合池为3.2m3，间歇曝气池为19m3，污泥截留池为2.2m3，终沉池为1.9m3.污水进入混合池举行混合后进入间歇曝气池.间歇曝气池运用溶氧仪在线控制装置和中控电路(PLC)控制曝气强度和曝气时光比.间歇曝气池与混合池之间利用内回流管路相连，利用调整回流流量控制混合液回流比.污水流经间歇曝气池后，经折板或细管与污泥截留池相连，泥水混合物在截流池举行泥水分别澄清后，上清液流入终沉池举行进一步澄清并外排，截留的污泥利用污泥回流装置返回到间歇曝气池，可使间歇曝气池保持较高的污泥浓度.终沉池设置污泥排出装置，将全部沉淀的剩余污泥排出.可利用控制排泥时光，达到控制污泥停歇时光的目的.

图1生物反应器暗示图

生物反应器间歇曝气池利用PLC自动控制曝气和停曝时光，实现间歇式曝气.曝气阶段溶解氧浓度由溶氧仪(型号：WTWIQSensorNet2023XTController)控制.当曝气后溶解氧的浓度达到设定上限值(如2.5mg˙L-1)时，曝气风机自动停止曝气，此时混合装置自动开启，生物反应器中生物消耗溶氧.当溶解氧浓度下降到设定下限值(如0.5mg˙L-1)时，曝气风机自动开启，举行鼓风曝气.本讨论中利用调整曝气时光比、混合液回流比、HRT等组合工况条件，考察了该生物反应器去除COD、氮、磷效果.每个工况维持至少15d，其中，工况Ⅵ维持30d以上，工况Ⅶ维持3个月.工况条件如表1所示.

2.2试验用水

试验污水取自山东省日照市某市政生活污水处理厂曝气沉砂池，经提高泵进入反应装置.生物反应器接种污泥取自此污水厂氧化沟.反应器进水水质指标如表2所示.

2.3分析项目及办法

污水进出水样品混合匀称后测定其总COD、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、总磷(TP)，上述各指标所采纳的Hach水质分析法的序号分离为8000、10072、10031、10020、8190.反应池中污泥浓度(MLSS)采纳分量法测定，pH使用便携式pH计(WTWMulti3220)测定.

3结果与研究(Resultsanddiscussion)

3.1生物反应器内溶解氧浓度变化

生物反应器间歇曝气池中溶解氧在一个间歇曝气周期随时光变化状况如图2所示.曝气阶段，池中平均溶解氧浓度由图中水平虚线标示.以工况Ⅰ为例，曝气开头时，池中溶解氧浓度升高，当达到曝气上限2.5mg˙L-1时，曝气泵停止工作;当溶解氧达到设定下限0.5mg˙L-1时，曝气泵自动开启.如此循环往复，直到曝气周期停止，池中平均溶解氧浓度为1.64mg˙L-1.当曝气阶段结束，进入停曝混合阶段，溶解氧需要被消耗10~20min才干进入缺氧阶段.传统活性污泥法要求曝气池溶解氧浓度不小2.0mg˙L-1，以保证硝化反应的彻低.讨论表明，降低反应器溶解氧浓度，可以减小曝气能耗，如将曝气溶解氧浓度控制在0.5mg˙L-1，据估量将节省10%的运行能耗(Liuetal.,2023).同时低溶解氧浓度可以促使反应器中菌群变化，增进同步硝化反硝化的举行，提高TN去除率(吕锡武等，2023;吴昌永等，2023;Liuetal.,2023).

图2不同曝气和停曝时长曝气区溶解氧浓度的变化

3.2生物反应器内污泥浓度(MLSS)及污泥体积指数(SVI)变化状况

生物反应器在运行期间未从反应区主动举行排泥，系统内的MLSS是常规活性污泥污水厂的4倍，可以稳定达到10000mg˙L-1以上(图3).污泥经过截留池的沉降，利用污泥回流装置回到曝气池，因此，较重的污泥经过自动重力遴选保留在生物反应器中.终沉池只对出水举行澄清，产生的污泥量很少，可以利用排泥装置排出.MLSS在接种后开头快速升高，20d左右达到10000mg˙L-1左右.工况Ⅲ因为设备重新移动，使得污泥量削减，但之后很快重新达到稳定状态.污泥体积指数逐渐升高并稳定在80~100mL˙g-1，显示出良好的污泥沉降性能.在工况Ⅴ和Ⅵ，生物反应器中平均水温降至10℃以下，没有浮现污泥膨胀现象，这与前期讨论的结果全都(Liuetal.,2023).工况Ⅶ进入春、夏季，温度回升，MLSS达到12000mg˙L-1以上，并随着污泥量的增多，其污泥体积指数略有下降.

图3生物反应器中污泥浓度及污泥沉降指数比较

3.3对COD的去除效果

生物反应器对COD的去除效果见图4，各工况的出水COD见表3.可以看出，进水COD波动较大，但生物反应器对COD的去除率在运行期间稳定达到90%以上.生物反应器中可以维持很高的污泥浓度，保证其面向水质波动变化时具有较好的适应能力.调节工况后对COD的去除效果影响不大，可能是由于异养菌对溶解氧的亲和力强于自养菌，因此，在溶解氧较低的状态下，异养菌将会领先通过氧气举行代谢活动，可以较好地代谢水中的COD(殷峻等，2023).

图4生物反应器进出水COD及去除率

3.4对氮的去除效果

对于NH4+-N的去除，生物反应器在接种后短时光内即达到良好的硝化效果(图5a).工况Ⅰ的曝气阶段平均溶解氧浓度为1.64mg˙L-1，时长为60min，良好的硝化效果显示其曝气量充沛，使曝气阶段污水中的氨氮达到充分转化.而在停曝混合阶段(时长60min)，进水的氨氮由于生物反应器的稀释作用，没有在出水中堆积，使得氨氮达到较好的去除效率，在90%以上.但出水TN因为NH4+-N转化为NO3--N，并没很好地从系统中脱除，TN出水浓度在20mg˙L-1左右(表3)，去除率在40%左右(图5c).随后调节停曝时光至90min(工况Ⅱ)，这时曝气时光比降为0.47(表1)，NH4+-N去除略有波动仍可保持在90%以上，脱氮效率略有提升.当调节至工况Ⅲ时，停曝时光增长至150min，曝气时光比进一步下降至0.33.停曝时光的加长及污泥量变化使生物反应器中硝化反应受到影响，出水的NH4+-N提升，而NO3--N进一步降低.因为生物反应器反硝化作用的加强，脱氮效率进一步提高至50%.在进水流量一定时，可利用调整曝气时光比、增强停曝时光，提升系统反硝化效率，进而提升脱氮效率.需要注重的是，曝气时光过短会造成NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N浓度增强，而过长会造成反硝化阶段没有足够的碳源举行反硝化.

图5生物反应器运行进出水NH4+-N(a)、NO3--N(b)、TN(c)浓度及去除率

随后工况Ⅳ削减停曝时光至90min，曝气时光比为0.53，调低混合液回流比至1.5，生物反应器维持稳定的氨氮去除效果，脱氮效率约为55%~60%.与前期工况Ⅱ相比，该工况在保证硝化效果的状况下，脱氮效率有一定的提高.这是由于减小混合液回流后，回到混合池的混合液携带的溶解氧削减，使混合池维持较好的缺氧条件，提高反硝化效果.详细联系污水宝或参见http://.更多相关技术文档。

考虑到曝气过大会影响脱氮效果，随后工况Ⅴ减低曝气上限设定值至1.5mg˙L-1，间歇曝气池的平均DO浓度降为0.88mg˙L-1，同时调整流量至50m3˙d-1，调长停曝时光为110min，曝气时光比为0.41.此时出水NH4+-N浓度显然上升，运行阶段平均浓度为(10.0±4.3)mg˙L-1(表3).因为池中平均DO浓度降低、HRT减小、曝气时光比减小，一方面使得NH4+-N硝化反应没有彻低，另一方面使得NH4+-N在较长的缺氧时段堆积.NO3--N浓度较前期工况显然降低，TN的去除率略有下降.考虑到冬季微生物的活性较低，为保持较好的硝化效果，调节为工况Ⅵ，降低了进水流量并增强了曝气时长.虽曝气时光比增长为0.48并提升了HRT，但硝化没有彻低，NH4+-N的去除效果波动，出水TN仍维持在17~22mg˙L-1，去除率约为50%~70%.当水量变化时，水量的大小影响到养分物质输送的多少，在一定污泥量和呼吸强度状况下，水量会对出水效果有影响，因此，需要适当地调整间歇曝气时光比来保证处理效果.冬季脱氮效率的减小，可以利用延伸曝气时光和污泥龄的方式举行一定的补偿，提升硝化效率，但总氮的脱除仍然受一定的影响，可以考虑添加一定的碳源物质举行补充.

随后工况Ⅶ将停曝时光稍降低，间歇曝气池中平均溶解氧浓度为1.0mg˙L-1，保持曝气时长，继续监测处理效果3个月.随着运行时光的加长，生物反应器中种群达到稳定，出水NH4+-N、TN都可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2023)中的一级A排放标准，NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%.对照工况Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ与前期工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ，当进水流量上升时，可利用同时增强曝气时光比与循环时长来提升脱氮效率.

Dey等(2023)利用模拟间歇曝气生物反应器发觉，这类反应器最佳曝气时长应当占囫囵循环周期的50%~60%，而最佳的循环周期应当控制在2~3h范围内，在此条件下可以达到较好的脱氮效果.另外，较高的污泥浓度可以增进反应器中反硝化的举行，Sarioglu等(2023)利用对MBR同步硝化反硝化的讨论，提出当反应器中污泥浓度达到较高水平常(25000~30000mg˙L-1)，污泥的衰减可以支持内源反硝化;另一方面，较高浓度的污泥可以聚拢形成内部的缺氧区，可以增进同步硝化反硝化的举行.本讨论得到结果与以上讨论结论相近，差别主要来自于实际应用中污泥浓度与菌群的不同，以及试验环境和工况条件的不同.

3.5对磷的去除效果

生物反应器在运行期间未从反应区主动排泥，沉淀剩余污泥由终沉池排出，经由产泥系数及污泥量计算，生物反应器SRT约为50d.在秋、冬运行期间(工况Ⅰ~Ⅵ)，出水的总磷浓度平均约为1.65mg˙L-1(表3)，对总磷的去除效果约为60%.工况Ⅶ，磷的进水浓度有较大的提高，但出水浓度却逐渐降至1mg˙L-1以下，满足国家城镇污水处理厂污染物排放标准1级B标准.随着生物反应器中污泥浓度的提高，去除率达到80%以上.按照前期讨论，间歇曝气可在混合池创造厌氧和缺