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序批式自动增氧型生活污水处理器的运行 ＊ 朱联东 李兆华 黄 田 黄 婧 王 钪 湖北大学资源环境学院, 武汉 430062 摘要 设计一种序批式自动增氧型生活污水处理器, 采用间歇运行方式, 考察其对 SS、COD、TN 、TP 的去除效果以及抗 有机冲击负荷能力。 结果表明, 系统启动后, 对 SS、COD、TN 、TP 的去除率分别稳定在 90、80. 9、87. 4和 88. 4以 上; 在一定范围内, 处理器对有机冲击负荷有较强的适应性和稳定性, 适合于生活污水的处理, 具有一定的应用前景。 关键词 生活污水处理器; 自动增氧; 序批式; 去除率; 有机冲击负荷 RUNNING TEST OF SEQUENCING BATCH SELF-AERATION SANITARY SEWAGE PROCESSOR Zhu Liandong Li Zhaohua Huang Tian Huang Jing Wang Kang School of the Resources and Environmental Science, Hubei University , Wuhan 430062, China Abstract A sequencing batch self-aeration sanitary sewage processor was designed, starting with intermittent operation. The removal effects of SS, COD, TN, TP and organic shock load bearing were studied. The experimental results showed that the removal efficiencies of SS, COD, TN and TP could separately reach 90, 80. 9, 87. 4 and 88. 4;To some degree, the processor had good adaptability and stability to organic shock load.So it is suitable for the treatment of the sanitary sewage, and will have a certain application scene. Keywordssanitary sewage processor; self-aeration;sequencing batch;removal rate; organic shock load ＊国家星火计划 2007EA761001 ; 武汉市科技攻关项目 20062008133 - 06 资助。 0 引言 近年来 ,随着我国经济的高速发展 ,生活污水的 大量排放 [ 1-4] ,面源污染不断加剧 ,直接危及环境质量 和人民健康。水污染已成为我国经济可持续发展的 一大制约因素, 严重威胁着我国经济的发展。目前, 生活污水处理率低的主要原因在于污水处理基建和 运行费用高 [ 1-2] , 常规污水处理技术通常借助高能耗 来控制反应器内溶解氧浓度, 例如活性污泥法 、 曝气 生物滤池等。而对于低能耗甚至无能耗的污水处理 技术而言,大型曝气机械的使用是不现实的。因此, 如何因地制宜地提高污水处理系统中的溶解氧浓度, 保证出水水质, 是污水处理系统设计中的一个重要和 关键问题 。 本课题结合人工湿地 [ 5-8] 及序批式活性污泥法 SBR 最新研究动态 [ 9-10] , 针对常规生活污水处理技 术存在的一些问题, 通过 2 种系统对比试验 , 探讨生 活污水处理系统中有效的天然自动增氧方法 ,发出一 种高效率、低投资、低维持技术和低能耗的序批式自 动增氧型生活污水处理器。通过运行试验测试其对 污染物的去除效果以及抗有机冲击负荷能力 ,以便对 生活污水的处理提供理论指导 。 1 试验 1. 1 试验装置的设计 试验在湖北大学蔬菜大棚内进行 。序批式自动 增氧型生活污水处理器 1 号系统 池体尺寸60 cm 40 cm 39 cm, 结构如图 1 所示 。 图 1 序批式自动增氧型生活污水处理器 1 号系统池体内部从下至上按一定的粒径和填 78 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 充高度分别配置卵石 、煤渣、陶粒和黄沙 。黄沙层中 种植美人蕉 ,种植密度为 25 株 m 2 。在填料层内设置 了由 PVC 穿孔管制成的自动增氧装置。该装置共两 层,每层共设 4根 PVC 水管 20 mm , 水管底部呈类 似S 型布有通气小孔, 穿孔率为 10. 7。两层通过布 设6 根PVC 水管 20 mm 相互连接, 上层通过布设 6 根PVC 水管 20 mm 与大气相通。通过自动增氧装 置的布设方式 一方面增加管路中污水与空气的接 触,增强大气的输氧作用 ; 另一方面 ,系统采用间歇进 水、 周期出水的运行方式 ,系统出水时, 快速排干有利 于空气通过自动增氧装置被抽吸进入填料内部。为 了检验该装置的自动增氧效果 ,设计填料层中未放置 自动增氧装置的生活污水处理器 2 号系统 作为对 照,该系统其他所有配置情况和1 号系统完全相同 。 1. 2 试验方法 1、 2 号系统于 2007 年4 月 1 日开始运行, 试验期 间大棚内水温 10～ 39 ℃,气温 13～ 44 ℃。试验用水 来自内沙湖水 生活污水 ,水质如表1 所示。依次按 间歇进水 流量为0. 45 cm 3 s 、 反应沉淀 、系统出水、 待机闲休的方式运行, 控制各阶段耗用时间分别为 24,60,0. 5和11. 5 h。进水时控制处理器水位高度为 32 cm, 相应孔隙率约为 55, 对应污水处理量约为 42. 4 L ; 出水阶段 , 当水位高度为6 cm时, 关闭水阀, 系统进入待机状态。试验后期提高进水 COD 浓度以 比较 1、 2 号系统抗有机冲击负荷的能力 。 表 1 进水水质mg L pH 除外 pHρ DOρ SSρ CODρ TNρ TP 7. 3～ 8. 60. 6～ 3. 646～ 7266～ 949 . 7～ 16. 00. 96～ 1 . 21 2 结果与讨论 2. 1 系统启动 启动开始前 ,向处理器内投加少量活性污泥 取 自曝气池,0. 5 L , 而后间歇进水, 周期出水 。在整个 启动过程中, 系统运行良好 。填料有完好的挂膜过 程,填料上生物膜呈现由红褐色斑点※块状※膜状的 变化。运行45 d后 ,两种处理器内的填料都覆盖有一 层均匀而致密的菌膜 ,褐色膜状。膜上动物种类与数 量较多 ,优势动物种群有钟虫 、轮虫和环节动物等。 结合陈汉辉等人 [ 11] 的研究 , 系统经过45 d的间歇运 行,填料挂膜基本完成。此外, 运行45 d后, 系统出水 水质稳定, 也可以表明系统已经启动 。美人蕉引种 后,成活率 100。15 d后植株开始有明显的长势 ,试 验期间1 、 2号系统植株生长状况差异不大。 2. 2 去除效果 系统启动后 , 连续监测了 8 个周期的进出水水 质,主要指标为 SS 、 COD、 TN 和 TP 。图 2 反映了 1、 2 号系统在运行过程中的进出水浓度及其去除率变化。 图 2 污染物去除率变化 由图 2a～ 图 2d 可以看出, 在进水水质波动不大 的情况下, 1号系统出水水质 SS 、 COD 和 TN 优于 2 号系统 ,1、 2 号系统对 TP 的去除效果差别不大 。1 号 系统对SS、 COD、 TN 和 TP 的去除率分别稳定在 90, 79 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 80. 9, 87. 4和 88. 4以上。尤其是对 COD 的去 除,1 号系统表现了更为明显的优势。根据鄢璐等 [ 12] 对人工湿地内部溶解氧的研究 ,表明填料层溶解氧含 量普遍偏低,尤其是填料下层溶解氧含量几乎为零, 使硝化反应不能在整个系统中有效进行 ,从而限制了 总氮的去除效果 [ 12-13] 。1 号系统的设计巧妙地启动 了天然自动增氧 当间歇进水时, 通过布水系统将污 水均匀地分布在基质层断面, 污水向下流动 ,由于基 质层呈落干状态 ,基质层中的孔隙间充满空气 ,水流 在基质孔道内呈非饱和流状态 ,因此提供了一个硝化 环境; 随着污水不断流入 ,基质层内自由水面形成并 逐渐抬升 ,处于自由水面以下的水与大气缺乏有效接 触面积,提供了一个反硝化环境 。当周期出水时, 基 质层中的水快速排空 ,并在此过程中抽吸大气进入填 料内部 [ 14] 。通过这样的运行方式 , 实现了人工控制 的大气复氧和基质内好氧缺氧环境的时空交替。因 此内部设有自动增氧装置的 1号系统比 2 号系统 ,除 了进水携带 、 植物根系输氧和表面大气复氧外 ,还实 现了大气复氧的另一途径 填料内部天然自动增氧 , 大气复氧充分, 使截留 、吸附和吸收在填料上和呈溶 解状态的污染物得到有效的生物降解, 截污量大的填 料下层生化反应也比较剧烈。 另外 ,1号系统自动增氧装置的布设还可能改善 填料内部水流条件, 优化水流 ,使水气交错流动,提高 了传氧效率。当然大气复氧方式需要进一步合理运 用,使基质的好氧区和缺氧区之间比例合理 ,才能实 现脱氮去污的最终目的。 从图 2d 可以看出, 1、 2 号系统对 TP 的去除效果 差别不明显 ,去除率都在 91左右。这说明磷的去 除主要依靠填料对污染物的截留、吸附、吸收、过滤、 离子交换、络合反应等物理化学作用, 而不是微生物 的作用 。这与国外报道的人工湿地中高达 87的磷 可以通过物理化学作用而被去除相一致 [ 15] 。 2. 3 有机冲击负荷的影响 试验后期, 提高进水 COD 浓度, 考察 1、2 号系统 对有机冲击负荷的适应能力和稳定性, 在运行周期 内, 不同进水 COD 浓度下去除率随停留时间的变化 关系如图 3 所示 。 由图 3可以看出 , 进水 COD 浓度成倍增大后 , 1 号系统COD去除率变化幅度不大 ,在停留3. 5 d后 ,其 去除率都可以达到 82左右 ; COD 浓度变化对 2 号 系统影响较大 , 尤其是当 COD 浓度由198 mg L增至 1ρ COD 101 mg L; 2 ρ COD 198 mg L; 3 ρ COD 411 mg L 图 3 冲击负荷对1、2 号系统的影响 411 mg L时 ,其去除率波动较大 。这说明 1 号系统耐 有机冲击负荷能力强 ,且能在较强的冲击负荷后短时 间内恢复其去除能力 。这是因为 1号系统间歇进水、 周期出水的操作方式, 天然自动复氧充足 ,在较高的 基质浓度下基质与底物传递动力大 [ 16] , 生物活性较 高。在适当的有机冲击负荷作用下 1 号系统不仅抗 冲击负荷, 反而改善了微生物的生活环境 ,提高了菌 群降解有机底物的能力 。因为城市生活污水排放呈 明显的早、午、 晚冲击的特点 [ 1] ,并且在每一冲击之后 都存在着 1～ 2 h或更长的恢复期。因此序批式自动 增氧型生活污水处理器符合生活污水排放的规律 ,适 用于生活污水的处理 ,具有一定的应用前景。 3 结论 1序批式自动增氧型生活污水处理器采用间歇 运行方式, 启动时间大约为45 d。 2系统启动后,1 号系统对SS 、 COD、 TN 和 TP 的 去除率分别稳定在 90、80. 9、87. 4和 88. 4以 上,去除效果优于 2号系统 。 3 在一定范围内, 有机冲击负荷对1 号系统影响 不大 ,抗有机冲击负荷能力强于2 号系统 。该序批式 自动增氧型生活污水处理器适用于生活污水的处理, 具有一定的应用前景 。 参考文献 [ 1] 王然, 杜晓雪, 李桂菊, 等. 高效自流式家庭生活污水净化槽的 研究[ J] . 环境工程, 2007, 25 5 21 -24. 下转第 87 页 80 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 a 脉冲宽度0. 2 s, 振幅 0 . 5; b脉冲宽度 0 . 2 s, 振幅 1 . 0。 图 3 系统在不同脉冲宽度和振幅时的响应曲线 从 HSIC 与 PID控制算法控制的仿真结果比较可 以看出 对 DO 参数这样难于控制的过程 ,HSIC 不仅 使系统能很快达到稳定, 且 DO 参数在设定值范围波 动内较小, 滞后现象得到了改善, 操作人员可根据实 时监测值决定鼓风机开启的台数和曝气量,在保证溶 解氧在正常范围内的基础上大幅度节省能源消耗 。 5 结语 曝气过程中的需氧量是实时变化的, 为降低能 耗,减少系统波动,使处理后的废水达到排放标准 ,采 用基于仿人智能的融合控制策略 , 把曝气池内的 DO 浓度控制在容许指标范围内, 使间歇式活性污泥法控 制系统在保证出水水质的同时达到节能的目的。仿 真结果表明 ,采用融合控制策略, 其系统的控制品质 比较理想, 系统结构简单 ,实时性好 。 参考文献 [ 1] 李林, 丁轶成. 智能控制在污水处理中的应用[ J] . 微计算机信 息, 2007 34 35 -37. 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