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不同温度下MESBR工艺和传统的 SBR工艺 对比试验研究 ＊ 马春艳 1 韩洪军 2 王卓艺 1 1 .哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 哈尔滨 150090; 2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室, 哈尔滨 150090 摘要 在不同温度下, 研究了流化填料分格式 SBR 工艺 简称 MESBR 工艺 与传统的 SBR 工艺的 COD 去除率, 有机物 降解速率, 脱氮效果和污泥沉降性能。 结果表明 MESBR 系统温度下降到5 ℃时, COD 的去除率基本稳定在 90以 上, 比传统 SBR 系统高出 15左右; MESBR系统与传统SBR 系统的温度系数 θ分别为 1. 021 和 1. 045。 温度由20 ℃下 降至5 ℃时, 传统 SBR系统的 TN 和 NH3-N 去除率分别降低 26. 5和 20, 而 MESBR 系统分别降低 18. 6和 11。 传统 SBR 系统 SVI 值随温度变化较大, 当温度下降到 5℃时 SVI 值达到234. 8 mL g, 而 MESBR 系统的 SVI 值没有明显 的变化, 基本维持在 120～ 130mL g。 关键词 MESBR 工艺; SBR 工艺;流化填料 CONTRAST STUDY ON MESBR PROCESS AND SBR PROCESS AT DIFFERENT TEMPERATURES Ma Chunyan1 Han Hongjun2 Wang Zhuoyi1 1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China Abstract A modified SBR process had been designed, which was called suspended carrier dividing SBR process and also called MESBR process.The COD removal rate, the degradation of organic pollutants, the effect of nitrogen removal and the sludge sedimentation perance were compared between MESBR process and SBR process at different temperatures.Experimental results showed that the COD removal rate maintained above 90with the temperature declined from 20 ℃ to 5 ℃. When the temperature declined to 5℃, the COD removal rate was 93, which was 15 higher than the SBR process.The temperature coefficient of MESBR process and SBR process were 1. 021 and 1. 045, respectively. When the temperature decreased from 20 ℃ to 5 ℃, the removal efficiency of NH3-N in SBR process and MESBR process decreased by 20 and 11, and the removal efficiency of TN decreased by 26. 5 and 18. 6. The SVI value varied greatly with temperature in SBR process. The SVI value of SBR process in normal temperature and low temperature are 125. 3 mL g and 234. 8 mL g, however, the SVI value of MESBR process was 120 to 130 mL g which hasn t drastic change with the decrease of temperature. Keywords MESBR process; SBR process; fluidized filler ＊国家“863”攻关项目 2007AA06A411 。 北方地区污水处理厂冬季运行时普遍存在活性 污泥絮体体积偏小 、 结构松散, 污泥中能够降解有机 污染物的微生物数量少、代谢活性低等问题 ,这直接 影响了污水处理厂在冬季运行的效果。因此 ,寻求经 济高效的污水处理方式对于实现寒冷地区生活污水 的处理有着重大的意义 。针对这些问题设计了一种 SBR工艺的改进工艺, 即流化填料分格式 SBR 工艺 简称 MESBR工艺 。 本文比较了在低温条件下MESBR工艺和传统的 SBR工艺对 COD、NH3- N 去除率, 污泥负荷与出水 BOD的关系 、 污泥沉降性能 ,低温对MESBR 系统生物 膜活性和生物量的影响去除效果; 探讨了温度对两系 统有机物降解规律和脱氮效果的影响。 1 材料与方法 1. 1 试验用水 试验采用生活污水和人工配水相结合的污水 ,生 活污水取自哈尔滨工业大学二校区教师家属区青年公 38 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 寓楼附近的污水检查井,水质状况为 ρ COD 230～ 350mg L , ρ BOD5 160～ 250 mg L , ρ NH3- N 15～ 30 mg L, ρ TP 1～ 3 mg L,pH 6. 5～ 7. 4。 1. 2 试验装置 试验装置如图 1 所示。反应器由透明有机玻璃 制作 ,装置呈矩形 , 长40 cm , 宽15 cm, 高30 cm , 有效 容积15 L。反应器中间用隔板隔开, 隔板左侧池中加 入流化填料; 隔板右侧池中只有悬浮污泥存在 。两池 由一个矩形孔洞相连通, 孔洞位于隔板底部位置, 孔 洞内设有格网, 格网之间的间距 7 mm , 以免堵塞, 孔洞的总面积在试验中会根据需要进行变化。低温 阶段反应器放置于冰柜中, 温度控制在 5 ～ 10 ℃, 反 应器内水温由测温仪连续监测 。 1水箱; 2pH测定仪; 3pH传感器; 4DO 测定仪; 5DO 传感器; 6空气泵; 7转子流量计; 8曝气管及曝气头; 9反应器; 10隔板; 11孔洞; 12滗水器; 13温度测定仪; 14温度传感器; 15排水管 取样口 ; 16排泥管及放空管。 图 1 反应器试验装置 2 结果与讨论 2. 1 对两系统 COD 去除率的影响 试验模拟自然降温过程 , 以2 d降温1 ℃的速度 逐渐降低反应器内的污水温度。反应器运行状态与 常温时相同。污水 ρ COD 值控制在300 mg L左右。 连续监测传统 SBR 系统和 MESBR 系统的出水 COD 值,系统运行 2个月, 试验结果见图 2。 由图 2 可知,MESBR系统对 COD 的去除效果受 温度的影响不大 。随着温度的下降, COD 的去除率 基本稳定在90以上 。当温度下降到5 ℃时,COD去 除率达到 93, 比相应传统 SBR 系统高出 15 左右。 这是由于MESBR 系统中生物量较大, 污泥负荷较低, 即使在低温的条件下 ,也能保证足够的对有机物降解 的能力 ; 另外,MESBR系统内生物膜中生物固体停留 时间较长 ,世代时间较长能适应较低温度的微生物容 易吸附在其表面 。因此,MESBR 系统在较低的温度 下也能够保证较高的 COD去除率 。 图 2 不同温度下两系统 COD 降解情况 2. 2 低温对两系统有机物降解速率的影响 污泥负荷与出水 BOD 的关系曲线反映了BOD 的 降解速度, BOD 的降解速度是城市污水处理设计的 一个重要的参数 。 对完全混合系统的 BOD 的降解速度一般用埃肯 菲尔德 Eckenfelder 公式表示 ,见式 1 Fw La-Le Sat KLe 1 式中 Fw BOD5污泥负荷 ,kg kgd ; La、 Le 进出水 ρ BOD5 ,mg L ; Sa 挥发性污泥浓度 ,mg L ; K BOD5降解速度常数 ; t 曝气时间,h 。 为了表示温度对反应速度的影响,一般采用菲尔 普斯 Phelps 公式表示 ,见式 2 K2 K1 θ T2- T1 2 其中 K2、K1是温度 T2、T1的反应速度常数 。该公 式引出了温度系数 θ ,这就明确地反映温度对污水生 物处理的反应速度的影响 。 试验采用埃肯菲尔德公式进行回归分析, 在 20 ℃ 和5 ℃ 两个温度条件下得出了污泥负荷与出水 BOD浓度的关系曲线 ,曲线斜率即 BOD 降解速度常 数K 值 。试验结果如图 3所示。 传统SBR系统在20 ℃和5 ℃条件下, K 值分别 为 0. 0124 和 0. 0064, 两者差距较大。这是由于低温 条件下 ,活性污泥中的微生物活性明显下降 ,甚至处 在休眠阶段, 因此相对于常温条件下 BOD 的降解速 度有明显的降低 。将 K 值带入式 2 , 得出传统 SBR 系统的温度系数 θ 为1. 045,与文献[1] 中报道的活性 污泥法的 θ 值基本一致,这也说明了温度对传统 SBR 系统有机物的降解能力的影响是较大的 。 MESBR系统在20 ℃和5 ℃条件下, K 值分别为 39 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 图3 SBR 和MESBR 系统中污泥负荷与出水 BOD5的关系 0. 0084 和 0. 0061, 差距相对于传统 SBR 系统较小。 在20 ℃时,MESBR系统的 K 值相对于传统 SBR系统 较小, 这是由于其生物量较大, 单位微生物降解有机 物的数量相对较少 。在5 ℃时, MESBR 系统与传统 SBR系统的 K 值接近, 这是由于 MESBR 系统中对冷 较适应的微生物比较容易附着在生物膜载体上,使得 反应器中的微生物活性相对于传统 SBR 系统内高。 将K 值带入式 2 , 得出 MESBR 系统的温度系数 θ 为1. 021,低于传统 SBR系统 ,说明温度对MESBR 系 统的有机物降解速度的影响要小于传统 SBR系统。 2. 3 温度对两系统脱氮效果的影响 2. 3. 1 温度对两系统NH3- N 去除效果的影响 试验进水 ρ NH3-N 控制在25 mg L左右, 比较常 温和低温条件下传统 SBR 系统和 MESBR 系统的 NH3-N 去除效果 ,试验结果见图 4。 图4 不同温度下两系统NH3-N 的去除效果 传统SBR系统由20 ℃降低到10 ℃时, NH3- N 的 去除率有一定程度的下降, 由 77. 4 下降到 67. 4。 当温度继续下降时, 系统内 NH3- N 的去除率有了明 显的下降, 5 ℃时仅为 58. 4。而 MESBR 系统常温 下NH3-N 的去除率达到 89. 0, 温度对其影响并不 是很明显,5 ℃时系统内 NH3- N 的去除率为 77. 9。 温度对MESBR系统NH3- N 的去除效果的影响要远小 于传统SBR 系统 。 2. 3. 2 低温对两系统TN 去除效果的影响 在5 ℃条件下, 试验测得 MESBR 系统和传统 SBR 系统的TN 平均去除率分别为 51. 4和 23. 5, 与常温相比有了明显的下降。MESBR系统与常温相 比下降了 18. 6,而传统SBR系统则下降了 26. 5。 有资料表明 ,反硝化细菌存在一定的耐冷性 [ 2] , 因此 保证了在低温条件下系统对 TN 去除作用。但是, 在 低温条件下, 传统SBR系统的硝化速率明显下降 ,反 硝化作用没有足够的电子受体, 影响了其脱氮效果。 而在MESBR 系统中,硝化作用没有受到严重的抑制, 并且系统内部微环境比较复杂 ,系统仍然能保持较高 的脱氮效果 。研究表明 硝化作用在整个脱氮过程中 起着相对重要的作用 。 2. 3. 3 低温脱氮时系统内NO - 2- N 的积累 在温度为5 ℃时 , 传统 SBR 系统的出水 NO - 2- N 偏高 , 通常在1 mg L以上, 有时甚至达到2 mg L, 而 40 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 MESBR系统虽然 NO - 2-N 有所升高, 但仍然可以忽略 不计 。硝化过程是由亚硝化细菌和硝化细菌共同完 成的 , 一般认为亚硝化过程是整个硝化过程的关 键 [ 3] 。在低温条件下,亚硝化细菌的活性降低程度要 低于硝化细菌的活性降低程度 ,因此亚硝化反应速度 要快于硝化反应的速度, 导致了硝化过程中 NO - 2- N 在反应器内的积累 。另外 , 由于反硝化作用并不彻 底,也会导致NO - 2- N 的积累 。这就是传统 SBR系统 的出水 NO - 2-N 偏高的原因 。而 MESBR 系统的硝化 作用和反硝化作用相对比较彻底, 所以不存在 NO - 2- N 积累的问题。 2. 4 低温对两系统污泥沉降性能影响的比较 在温度为20,15和5 ℃ 的条件下,曝气4 h后,用量 筒取样观察30 min内量筒中污泥界面的下降高度 ,比 较两系统温度对其沉降性能的影响 。试验结果发现 在温度为20 ℃ 的条件下 ,MESBR系统和传统 SBR 系 统的沉淀曲线所差无几, 其 SVI 都稳定在120 mL g左 右, 这是由于 SBR 系统本身具有很好的沉降性能。 随着温度的下降 ,两系统的差别增加, 所以本文仅列 出15 ℃和5 ℃的条件下两系统沉降曲线的差别, 试 验结果如图5 所示。 图 5 不同温度下两系统活性污泥的沉降效果 由图5 可知,传统SBR系统在两温度下的沉降性 能差距较大 。而 MESBR系统在两温度下的沉降性能 并无明显差别, 只是在15 ℃时相对于5 ℃时的初期 沉降比较快 。温度对 MESBR系统的沉降性能的影响 要小于传统SBR系统。这是由于MESBR系统中存在 附着相生物 ,使整个系统污泥的密度增大 ,沉淀性能 提高 ; 另外 ,由生物膜脱落下来的悬浮生物相的沉淀 性能较好, 其与系统内的活性污泥混合后可以提高整 个系统的沉淀性能。 3 小结 1 进水 COD 值控制在300 mg L左右时 ,传统 SBR 系统在20 ℃和5 ℃时的 COD 去除率分别为 89和 77. 8, 下降比较明显 ; 而 MESBR 系统 COD 去除率 稳定在 90以上 。另外 ,MESBR 系统与传统 SBR 系 统的温度系数 θ 分别为 1. 021 和 1. 045, 说明温度对 MESBR 系统的有机物降解速度的影响要小于传统 SBR 系统。这主要是由于 MESBR 系统中保持了较高 的生物量, 系统内的污泥负荷较低, 温度对其的冲击 较小 。 2 进水NH3- N 控制在 25mg L 左右时 ,传统 SBR 系统温度由 20℃下降 5℃时,NH3- N 去除率由 77. 4 下降到 58. 4; 而 MESBR 系 统 NH3- N 去 除率由 89. 0 下降到 77. 9。对于 TN,MESBR 系统与常温 相比下降 了 18. 6, 而 传统 SBR 系统则下 降了 26. 5。另外, 传统 SBR 系统低温时出现了系统内 NO - 2- N 的积累的现象 。由于载体对硝化细菌有较强 的吸附性能等因素影响。低温下MESBR系统的脱氮 效果要明显好于传统 SBR 系统 。 3 传统 SBR 系统 SVI 值随温度变化较大, 而 MESBR系统随温度的下降 SVI 值没有明显的变化, MESBR系统的沉降性能要优于传统 SBR 系统 。 参考文献 [ 1] 韩洪军, 黄集华, 马文成. 低温对于脱氮效果影响的试验研究 [ J] . 现代化工,2005, 25 增刊 171 -173. [ 2] Rusten R,HemL J , Υ degaard H.Nitrogen removal from dilute waster water in cold dimate using moving-bed biofilm reactors[ J] . Water Environ Res, 1995, 67 1 65 -74. [ 3] Urbainetal. Bioflocculation in actived sludge an analystic approach[ J] . Wat Res, 1993,27 5 829 -838. 作者通信处 马春艳 150090 哈尔滨市南岗区海河路 202 号 哈尔 滨工业大学 2601信箱 E -mail irene501tom. com 2009- 02-23 收稿 41 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期