活性污泥_生物膜法系统的脱氮除磷效果研究

活性污泥_生物膜法系统的脱氮除磷效果研究

第34卷第8期2006年8月

同济大学学报(自然科学版)

JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.34No.8 Aug.2006

活性污泥-生物膜法系统的脱氮除磷效果研究

董 滨,梁 娅,周增炎,高廷耀

(同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

摘要:在中试试验条件下,考察了较高的有机负荷对活性污泥-悬浮载体生物膜法系统脱氮除磷效果的影响.试验表明,水温为20~33e时,在系统污泥龄为4~9d,污泥负荷(单位污泥单位时间内处理的生物化学需氧量BOD5的量)达到0.18~0.55kg#kg-1#d-1条件下,对磷的去除效果稳定在90%左右,氨氮的去除率达到80%以上,出水总氮平均质量浓度为11mg#L-1.同时,试验过程中也发现了联合系统的好氧池中存在明显的同步硝化反硝化现象.经分析认为,这与好氧池内合理的溶解氧值和较高的污泥质量浓度有关.关键词:城市污水处理;脱氮除磷;悬浮载体;活性污泥法中图分类号:X505 文献标识码:A

文章编号:0253-374X(2006)08-1066-04

InfluenceofHighOrganicLoadonNitrogenandPhosphorusRemovalinanActivatedSludge2BilfilmCombinedSystem

DONGBin,LIANGYa,ZHOUZengyan,GAOTingyao

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:Theinfluenceofhighorganicloadonnutrientremovalbyactivatedsludge2biofilmcombinedsystemisstudiedinapilot2scalereactor.Sludgeretentiontimeofthecombinedsystemiscontrolledbe2tween4and9days,temperatureis20~33e,andorganicloadofsystemisbetween0.18and0.55kg(BOD5)#kg-1(MLSS)#d--1

1

inthehalf2yearstudy.Efficientnutrientremovalisachieved,TPre2

movalratecanbeupto90%,andNH3-Nremovalratecanbemorethan80%,theeffluentTNisabout11mg#Lonaverage.Simultaneousnitrificationanddenitrificationisobservedinaerobictanks,possiblyduetoreasonabledissolvedoxygenandhighbiomassconcentrationoftheaeratedtank.Keywords:municipalwastewatertreatment;biologicalNandPremoval;suspendedcarrier;activated

sludge

生物脱氮除磷过程是由有机碳的氧化、硝化、反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等一系列重要的生化过程组成的,每一种过程中起作用的微生物种类不同,对系统条件的要求也不同.污泥负荷是指导活性污泥法脱氮除磷工艺的一个重要参数,一般以脱氮为

主要目标时宜采用0.03~0.12kg#kg#d,以除

磷为主要目标时宜采用0.08~0.40kg#kg-1#d-1,同时兼顾脱氮除磷要求时,宜采用0.08~0.12kg#kg-1#d-1[1].目前我国许多采用较高污泥负荷的普通活性污泥法污水厂面临着脱氮除磷功能改造的任

-1-1

收稿日期:2004-12-20

基金项目:国家科技成果重点推广计划资助项目(2001080203)作者简介:董 滨(1978-),男,山东青岛人,讲师,工学博士.E2mail:tj-dongbin@

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务[2],还有一些多年前建成的具有脱氮除磷功能的污水厂由于进水量的逐年增加,其污泥负荷也超出

了所要求的最佳范围,影响了脱氮除磷的效果[3].针对这一问题,笔者考察了活性污泥-悬浮载体生物膜法系统在明显高于最佳负荷条件下的脱氮除磷效果,以寻求一种改造和强化污水厂氮磷去除功能的有效方法.

水质污染物组成见表1.表中,Q(BOD5),Q(COD),Q(SS),Q(NH3)N),Q(TN),Q(TP)分别表示生物化学需氧量、化学需氧量、悬浮固体、氨氮、总氮、总磷的质量浓度.

1.1 载体

生物载体采用聚丙烯材料制成,直径为100mm的球形,由翼板和环构成(见图1).该种载体比

-3

表面积为100m2#m,孔隙率大于90%,密度略小于水,曝气时可以在曝气池内均匀流化,停气时浮于水面,因此对布水与布气设备无特殊要求,操作管理方便.

1 试验概况

中试试验研究在上海市某污水处理厂进行,废水来源是该地区的城市污水,该厂生化反应池进水

表1 生物反应池进水污染物组成

Tab.1 Influentwastewaterofbiologicalreactiontank

污染物进水

Q(BOD5)200~300

Q(COD)320~430

Q(SS)100~250

Q(NH3)N)25~45

Q(TN)35~60

mg#L-Q(TP)8~

14

1

2 试验结果及讨论

生化反应池总水力停留时间thr为8h(好氧停

留时间为4h),系统的污泥龄通过混合液的排除控制为4~9d.试验考察了较高的污泥负荷对氮磷去除效果的影响,并对好氧池中总氮的去除进行了初步的研究.实验稳定运行6个月时间,工艺运行参数

图1 悬浮载体Fig.1 Suspendedcarrier

见表2.在运行期间,生化反应池出水的Q(BOD5),Q(COD)和Q(SS)均可稳定地达到一级排放标准,故不作为研究重点考核指标.2.1 氮磷的处理效果

由表3可以看出,按总生物量计算的污泥有机

-1-1

负荷为0.15~0.47kg#kg#d,明显超过了常规活性污泥法硝化要求负荷低于0.15kg#kg-1#d的阈值.在这种负荷条件下,硝化菌在活性污泥中难以良好地生长

[3]

-1

1.2 主要设备

中试试验工艺流程如图2所示.进水取自该厂曝气沉砂池出水,经溢流水箱后用阀门控制反应器的进水量.生化反应池的有效容积为20m3(5m@1m@4m),由相同的四格串联组成.其中前两格分别为缺氧池和厌氧池[4],后两格为好氧池,采用穿孔管曝气并投加悬浮载体,载体的投配率为

35%.

.而悬浮载体在好氧池内流化,使

载体表面的生物膜始终保持好氧状态,并不断得到更新;此外,经过前面缺氧池与厌氧池的处理,好氧池内的有机物浓度比较低,有利于硝化菌的生长,从而硝化菌在载体表面的生长获得了竞争优势[5].试验结果也说明了大量的硝化菌富集在载体的生物膜

图2 中试试验工艺流程图

Fig.2 Outlinediagramofpilot2scalesetup

中,强化了工艺对氨氮的去除,并使活性污泥系统和生物膜系统在功能上进行了合理的分工.

由于采用厌氧/缺氧倒置的工艺布置,使污泥回流中所携带的硝酸盐先经反硝化去除后再进入厌氧,,1.3 水质分析方法

.

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中全部的活性污泥均经历完整的厌氧/好氧过程.因此虽然进水Q(TP)较高,系统对TP的去除率达到90%左右,出水基本可以达到一级标准的要求.工艺对TN的去除率平均可以达到73.8%.由表2,系统总的回流比控制为100%~200%,较常规

[6]

AAO(厌氧)缺氧)好氧)工艺低[6],根据传统的工艺脱氮效率计算,这种条件下TN的去除率只能达到50%~67%.由表3可见,TN的实际去除率高于理论分析值.研究发现,原因在于联合系统的好氧池对TN亦有明显的去除.

表2 运行参数Tab.2 Operatingparameters

进水量/

回流比/%

(m3#d-1)

60

100~200

水温/e20~33

Q(DO)/(mg#L-1)缺氧<0.3

厌氧<0.1

好氧1~4

泥龄/d4~9

污泥负荷/

(kg#kg-1#d-1)0.15~0.47

thr/h8

生物质量浓度/(mg#L-1)Q(MLSS)2900~4000

生物膜1)500~625

注:1)生物膜的质量浓度系指将生物膜的量折算到整个生化反应池中的质量浓度.

表3 污泥负荷对氮磷去除效果的影响

Tab.3 Organicloadvs.NitrogenandPhosphorusremoval

测试

次数12345678910111213141516171819平均

Q(NH3-N)/(mg#L-1)NH3-N

去除率/%进水出水

32.8

26.733.132.629.127.634.330.235.430.930.533.334.831.729.236.946.535.436.733.0

2.41.11.31.513.53.89.13.60.81.15.12.23.10.63.00.24.40.16.43.3

92.795.996.195.453.686.273.588.197.796.483.393.491.198.189.799.590.599.782.685.3

Q(TN)/(mg#L-1)进水43.427.042.141.635.441.933.541.045.738.250.346.139.240.537.044.359.247.944.742.1

出水10.38.79.27.520.013.817.312.57.59.614.112.77.06.911.56.18.913.511.911.0

TN去除率/%76.367.878.182.043.567.148.469.583.674.972.072.582.183.068.986.285.071.873.473.8

Q(TP)/(mg#L-1)进水12.28.610.510.613.511.213.114.59.17.79.012.310.613.67.57.111.85.58.610.4

出水1.40.40.50.72.70.51.11.40.60.20.21.70.42.61.00.41.50.20.91.0

TP去除率/%88.595.395.293.480.095.591.690.393.497.497.886.296.280.986.794.487.396.489.590.7

污泥负荷/

-1-1

(kg#kg#d)

0.15

0.180.160.400.200.210.180.190.280.220.240.180.220.260.450.470.470.410.280.27

注:污染物进水值为中试设备的初沉池出水,根据工艺的运行情况,取样间隔一般为3~10d.

2.2 好氧池对总氮的去除分析

在好氧池内取样分析期间,污泥回流比控制为150%,好氧池内的溶解氧及生物量分布情况见表4和图3.表4中数据为多次测试平均值.

表4 好氧池内溶解氧与生物量的分布

Tab.4 DOandbiomassinaerobictanks mg#L-1#好氧池

生物质量浓度Q(MLSS)生物膜总计3200

950

4150

2#好氧池

生物质量浓度Q(MLSS)生物膜总计3200

12504450

1

L-1;Qcout(TN)为好氧池出水TN质量浓度,mg#

L-1;Qin(TN)为生物反应池进水TN质量浓度,mg#L-1.TN总削减率为1#池和2#池削减率之和.

Q(DO)1.5

Q(DO)2.1

GTN=(1+150%)Q[Qcin(TN)-Qcout(TN)]/

[Q#Qin(TN)]

式中:GTN为好氧池TN削减率,%;Q为进水水量,

m3-1

图3 悬浮载体的生物膜Fig.3 Biofilmonsuspendedcarrier

观察表5,可以看出好氧池对TN的削减率平(TN,#

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质量浓度有关.在系统溶解氧不太高的情况下,活性污泥与生物膜的内部都有可能存在着缺氧的微环

境,从而有助于同步硝化反硝化现象的发生[7].试验同时观察到1#好氧池对TN的削减率平均为16.4%,明显低于2好氧池30.4%的TN削减率.1#好氧池内Q(DO)平均为1.5mg#L-1,低于2#好氧池,原因主要是大量的有机物的降解过程发生在这里,因此1#好氧池主要以有机物的去除和好氧吸磷过程为主,硝化作用并不明显.硝化主要是在2好氧池内进行的,所产生的大量硝态氮为同步硝化反硝化创造了条件;而2#好氧池总生物质量浓度达到4450mg#L-1,高于1#好氧池,Q(DO)值平均控制在2.1mg#L.在这种条件下,活性污泥的絮体内部以及生物膜的内部存在着的缺氧微环境促进了硝态氮在好氧池内的去除.

表5 好氧池内TN的削减率Tab.5 TNremovalinaerobictanks

(mg#L-1)

测试总好氧池好池TN好池TNTN总削次数进水进水氧池削减率/%氧池削减率/%减率/%1234567

42.138.535.441.933.541.045.7

16.518.727.321.619.519.618.420.2

13.115.024.519.217.018.015.417.5

20.324.019.812.518.79.816.517.0

8.911.921.712.314.011.310.112.9

24.920.119.841.322.440.829.029.0

45.244.139.653.841.150.645.546.0

1#

1#

2#

2#

-1

#

#

膜中硝化菌的数量正比于载体所能提供的有效表面积,因此硝化按照氨氮的载体面积负荷计算更为合理.

(3)试验发现,利用系统较高的污泥质量浓度,并控制合理的溶解氧值,有利于好氧池内同步硝化反硝化的发生,不仅降低出水的总氮量,而且也可以降低工艺所需的硝化液回流量,节省能耗.

(4)联合工艺好氧池水力停留时间只有4h,少于我国目前许多传统活性污泥法的城市污水厂生化反应池停留时间,从而为这些城市污水厂增加脱氮除磷功能提供了可能.

因此,活性污泥-悬浮载体生物膜法系统在较高污泥有机负荷条件下的氮磷去除效果说明,该技术是强化污水厂脱氮除磷功能的有效方法.参考文献:

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ChinaArchitecture&

平均

39.7值

注:好氧池进水来自工艺的厌氧池,根据工艺的运行情况,测试

间隔一般为3~10d.

3 结论

(1)在0.18~0.55kg#kg-1#d-1较高的污泥负荷条件下,联合工艺对氮、磷均能够达到良好的去除效果,生化反应池出水能够达到5城镇污水处理厂污染物排放标准6(GB18918)2002)中一级标准.(2)在较高的污泥有机负荷条件下,悬浮态活性污泥中硝化菌难以获得优势增长,但好氧环境和好氧池末端较低的有机物质量浓度有利于硝化菌在载体表面的优势生长并发挥其活性,因此活性污泥与生物膜中微生物的优势菌种分布是不同的.这种情况下,工艺设计不宜采用传统的有机负荷作为指导工艺运行的关键参数.在相同的好氧环境中,生物

(编辑:曲俊延)

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