低碳城市污水反硝化除磷试验.pdf

低碳城市污水反硝化除磷试验 ＊ 荣宏伟 1,2 彭永臻 1 张朝升 2 1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京 100022;2.广州大学土木工程学院, 广州 510006 摘要 采用序批式生物膜反应器 SBBR , 基于缺氧吸磷理论, 在 AO -SBBR 运行过程中引入一个缺氧段形成了一个 全新的 AO 2-SBBR 运行系统, 经过 4个阶段的培养驯化, 反硝化除磷菌占全部聚磷菌数量的比例从 14. 82增长到 63. 04。 在进水 CODCr、总磷、总氮和氨氮浓度分别为156. 41、4. 64、33. 08和30. 64 mg L的条件下, 出水总磷、总氮和氨 氮浓度分别为1. 06、17. 55和4. 32 mg L, 相应去除率分别达到 77. 15、46. 94和 85. 9, 有效解决了低碳城市污水同步 脱氮除磷过程中有机物不足的问题。 关键词 低碳城市污水 同步脱氮除磷 反硝化除磷 AO 2-SBBR 工艺 ＊国家自然科学基金 50578044 ; 广东省自然科学基金 5300438 ; 建 设部研究开发项目 06 -k4 -01 0 引言 在强化生物除磷过程和生物反硝化脱氮过程都 需要有机物 CODCr 的消耗, 而对于城市污水的处理 而言 ,废水中的有机物浓度往往不能同时满足这两个 过程的需要,成为城市污水营养物质去除过程的限制 因子 [ 1-2] 。近年来提出并研究的反硝化除磷理论在用 于处理城市污水时不仅有效地解决了传统生物脱氮 除磷中有机物不足的问题 ,而且可节省曝气量和减少 剩余污泥量 , 即可节省投资和运行费用 [ 3 -7] 。本试验 采用人工模拟污水为处理对象 , 通过实验室模型试 验,对 SBBR工艺脱氮除磷的处理效能进行了系统研 究,探讨了在单一反应器中实现反硝化除磷过程。 1 试验材料 1. 1 试验装置 试验装置见图 1。试验所用反应器由有机玻璃 制成 ,填料选用组合纤维填料 ,柱体内径约15 cm, 有 效水深约120 cm , 去除填料所占体积, 其有效容积为 17 L, 下部锥形沉淀区为2 L, 厌氧 、缺氧时采用循环 泵进行反应器内部循环, 曝气采用微孔曝气。 1. 2 试验水质 原水采用乙酸钠为碳源, 磷酸二氢钾为磷源, 氯 化铵为氮源的人工模拟污水, 并将BOD TN和 BOD TP 分别控制在3 和 16 左右, 低于 4～ 6 和 20 的正常值, 水质情况见表 1。 2 试验结果及讨论 图 1 序批式生物膜法试验装置图 2. 1 反硝化除磷菌的培养与处理效能分析 表 1 原水水质mg L pH 除外 项目 CODCr BODTNNH 4-N TPp H 数值136～ 19473～ 11226. 5～ 35 . 7 23 . 7～ 31 . 4 4 . 14～ 5. 95 6. 8～ 7 . 2 平均值1568732 . 629. 75 . 187 . 12 图 2 SBBR 运行方式 污泥性能的好坏直接影响着生化处理的效果 ,对 于反硝化除磷系统来说, 系统的工艺设计完全是根据 所需污泥中的反硝化除磷菌的特性来设计的 ,对于污 泥性能的依赖性更大 。通过创造特定的适合反硝化 除磷菌生存的环境条件, 进行自然选择 , 使其逐渐成 为优势菌群 。试验中对反硝化除磷菌的培养与驯化 分为 4个阶段 ,如图 2 所示, 每个阶段各连续运行 20 11 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 个周期。 第1 阶段在厌氧2 h、 好氧5 h条件下运行,目的是 使处理系统在低有机物浓度条件下具有良好的生物 除磷 、 好氧硝化性能 ,提高聚磷菌、硝化菌在活性污泥 中的比例。该阶段经过 20 个周期的连续运行培养, 在第 20 周期中反应器CODCr、 总磷 、 氨氮 、 亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮的变化情况如图 3 所示 。从图中可以看 出有机物浓度在厌氧1. 5 h左右就基本不再发生明显 变化 ; 厌氧结束时释磷量达到11. 59 mg L , 好氧结束 时总磷浓度降为0. 42 mg L , 去除率为 91. 19; 氨氮 浓度在好氧开始后迅速下降, 在好氧结束时已完全去 除,去除率为 99. 29; 同时硝酸盐氮浓度逐渐升高, 最终达到23. 15 mg L , 亚硝酸盐氮生成量较少仅为 1. 11 mg L ,总氮去除率仅为 25. 83。这说明反应系 统中的聚磷菌和硝化细菌在低浓度有机物条件下得 到有效的增殖, 并在生物膜中数量保持相对的稳定, SBBR 反应器表现出稳定的除磷效果和硝化性能, 但 由于碳源有限, 反硝化脱氮受到限制。 图 3 第 1阶段 CODCr、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮的变化曲线 生物膜经过第 1 阶段的培养驯化后, 进入第 2 阶 段。该阶段采用厌氧2 h 、好氧1. 5 h 、缺氧1 h、好氧 2. 5 h的运行方式 ,即在第 1 阶段的好氧过程中增加 了1 h的缺氧段, 并相应地减少1 h的好氧反应, 目的 是通过利用好氧反应过程中形成的硝酸盐作为反硝 化除磷菌所需的电子受体 ,为反硝化除磷菌的选择和 富集创造理想的条件。图 4 反映了在第 2 阶段结束 前的 1 个周期内 CODCr、 总磷 、 氨氮、亚硝酸盐氮和硝 酸盐氮的变化情况。从图中可以看出, 在缺氧环境下 出现了微生物吸收磷和反硝化脱氮的现象,但磷的缺 氧吸收 量和硝 酸盐氮 的反硝 化量都 不是很 大, 0. 94 mg L的磷在缺氧环境中被吸收 , 同时1. 58 mg L 的硝酸盐经反硝化作用被去除。第 2 次好氧反应结 束时, 总磷 、总氮和氨氮的去除率分别为 84. 11、 32. 52 和 95. 32,说明聚磷菌中的一部分反硝化除 磷菌的活性在缺氧条件下得到恢复 ,进行磷的缺氧吸 收和反硝化脱氮 。 图 4 第 2阶段 CODCr、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮的变化曲线 为了提高反硝化聚磷菌在全部聚磷微生物中的 比例 ,试验进入第 3阶段。该阶段进一步缩短了好氧 反应时间, 并相应地增加了缺氧反应时间 ,采用厌氧 2 h、 好氧1. 5 h、缺氧1. 5 h 、 好氧2 h的运行方式 。试验 连续运行 20 周期后 ,CODCr、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮在 1 个周期内的变化情况如图 5 所示 。 从图 5 中可以看出 ,在第 1次好氧结束时总磷和 硝酸盐氮的浓度分别为6. 31和8. 79 mg L , 经过1. 5 h 的缺氧反应后总磷浓度降为4. 79 mg L , 吸磷量为 1. 52 mg L ,硝酸盐氮浓度降为4. 98 mg L, 反硝化量为 3. 81 mg L 。 系统运行结束时, 总磷和氨氮的去除率分 别为 81. 29和 97. 63, 脱氮率为 40. 53。由此说 明,通过延长缺氧反应时间 ,反硝化除磷菌占全部聚 磷菌的比例开始增加 。 图 5 第 3阶段 CODCr、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮的变化曲线 经过第 3 阶段的反硝化除磷菌的选择与富集 ,反 硝化除磷菌的数量得到增殖, 表现出一定的反硝化除 磷性能, 但反硝化脱氮量仍较低, 因此第 4 阶段采用 厌氧1. 5 h 、 好氧2. 5 h、缺氧2 h、好氧1 h的运行方式。 该阶段减少了厌氧反应时间, 目的是降低厌氧段内可 能出现的无效释磷量, 同时增加了缺氧反应时间, 使 反硝化除磷菌在缺氧环境中得到进一步的增殖。 图6 为第4 阶段缺氧条件下 TN、 TP 及NO - 3- N 的变化 12 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 情况 。在第4 阶段的 20个运行周期内缺氧反应进水 的总磷和硝酸盐氮浓度基本维持在 4. 87 ～ 5. 79和 8. 21～ 9. 17 mg L ; 总磷缺氧吸收量和硝酸盐氮脱氮量 随着运行周期数的增加逐渐上升, 并在第 15 周期以 后稳定在2. 3和7 mg L左右, 最终好氧结束出水的总 氮去除率也随着运行周期数的增加而逐渐提高,并在 第15 周期以后稳定在 47左右, 总磷的去除率基本 恒定在 78左右 。说明在第 4 阶段的培养驯化中, 生物膜中的聚磷菌数量总体基本保持不变,而反硝化 除磷菌得到了进一步的增殖, 成为具有一定生长优势 的菌种 ,反应系统具有了良好的反硝化除磷性能, 并 处于稳定运行状态。 图 6 第4 阶段反硝化除磷菌的驯化情况 2. 2 AO2-SBBR反硝化除磷工艺处理效能分析 经过 4 个阶段的生物膜培养驯化后, 在 AO2- SBBR 反硝化除磷体系稳定运行的过程中 , 考察了 1 个典型周期内对有机物、总磷、总氮和氨氮的去除情 况,如图 7所示。 图 7 AO2-SBBR 工艺反硝化除磷脱氮性能 在进水 CODCr、总磷、总氮和氨氮浓度分别为 156. 41、 4. 64、33. 08、30. 64 mg L的条件下 , 经过1. 5 h 厌氧反应后 ,CODCr就基本不再发生明显变化, 同时反 应体系中总磷浓度增加到13. 17 mg L 。 随后进入到第 1 个好氧反应阶段 , 经过1. 5 h的好氧反应后, 体系中 的总磷和氨氮浓度分别下降到4. 95、18. 4 mg L, 硝酸 盐氮和亚硝酸盐氮上升为8. 62、0. 58 mg L。 然后停止 曝气进行水力循环使体系进入到缺氧反应 。在缺氧 反应的2 h内 ,总磷浓度继续下降, 硝酸盐氮也开始下 降,说明反硝化除磷菌开始利用硝酸盐氮作为电子受 体进行反硝化吸磷 ,吸磷量为2. 31 mg L , 硝酸盐氮去 除量为6. 96 mg L。 在硝酸盐氮下降的同时亚硝酸盐 氮也逐渐下降并消失 ,说明一部分反硝化除磷菌还可 以利用亚硝酸盐氮作为电子受体氧化细胞体内贮存 的PHA 获得能量并从水体中吸收磷 。经过缺氧反应 后,系统重新曝气再次进入到好氧反应 , 在好氧2 h, 反应系统出水中总磷、总氮和氨氮的浓度分别为 1. 06、 17. 55、4. 32 mg L , 相应去除率分别为 77. 15、 46. 94、 85. 9。这一结果与第 1 阶段 AO-SBBR 的 运行方式相比, 虽然总磷和氨氮的去除效率略有下 降,但总氮的去除率却从 25. 83提高到 46. 94, 取 得了比较理想的同步脱氮除磷效果 。所以, 在 AO2- SBBR 反硝化除磷系统中 ,借助反硝化除磷菌将反硝 化脱氮和除磷在同一环境中完成的生理特性 ,较好的 解决了 CODCr不足影响 SBBR系统同步脱氮除磷效果 的问题,而且降低了污泥的产量。 2. 3 反硝化除磷菌数量的测定 反硝化除磷菌作为聚磷菌中的一部分,具有同好 氧聚磷菌相似的除磷机理 。根据Wachtmeister 等提出 的反硝化除磷菌在全部聚磷菌微生物中所占的比例 可以用缺氧吸磷速率 qPn 和好氧吸磷速率 qPO 的 比值来表示的这个计算方法 [ 8] ,分别对 AO - SBBR和 AO2-SBBR 两种运行工艺的生物膜中反硝化除磷菌 在全部聚磷菌中的比例进行了测定 ,试验结果如图 8 和图 9 所示 。 根据图 8 中生物膜上的活性污泥在缺氧和好氧 条件下的吸磷速率, 计算得出 AO SBBR 工艺反硝化 除磷菌约占全部聚磷菌微生物个数的 14. 82, 说明 未经过厌氧 缺氧反应驯化的活性污泥生物除磷系统 中,在全部的聚磷菌中本身就含有一定量的反硝化除 磷菌, 即反硝化聚磷菌并不是一类特殊的微生物菌 群,它可以广泛地生存在厌氧 好氧或厌氧 缺氧的环 境中。相应地, 如图 9 所示 , AO 2-SBBR工艺的反硝 化除磷菌约占全部聚磷菌微生物个数的 63. 04。经 过从厌氧 好氧到厌氧 好氧 缺氧 好氧运行方式的连 续培养 ,反硝化除磷菌在缺氧环境中得到有效地增 殖。在 AO2- SBBR 工艺中 ,虽然存在着较长的好氧 反应时间, 但反硝化除磷菌和硝化细菌可以实现较好 的共存。 13 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 图 8 AO - SBBR工艺系统的污泥在好氧和 缺氧条件下对总磷的吸收情况 图 9 AO 2-SBBR 工艺系统的污泥在好氧和 缺氧条件下对总磷的吸收情况 3 结论 1 通过在 AO -SBBR运行过程中引入一个缺氧 段形成了一个全新的 AO2-SBBR 运行系统 。经过 4 个阶段的培养驯化, 有效地在单一反应器 AO2- SBBR 工艺中实现了反硝化除磷菌的增殖, 其数量占 全部聚磷菌数量的比例从 14. 82 增长到 63. 04。 2 稳定运行的 AO 2- SBBR 反硝化除磷工艺具 有良好的反硝化脱氮除磷性能 。CODCr、 总磷、总氮和 氨氮相应平均去除率分别为 85. 3、 79. 8、51. 26 和91. 4, 有效解决了废水中 CODCr浓度低, 导致同 步脱氮除磷过程中有机物不足的问题。 参考文献 [ 1] 龙腾锐, 郭劲松, 高旭. 连续流间歇曝气工艺脱氮除磷研究. 中 国环境科学, 2000 4 366 -370 [ 2] Siebritz L P , Ekama G A , Marais G R. A parametric model for biological excess phosphorus removal. Wat. Sci. Tech. , 1983, 15 34 127 -152 [ 3] Kuba T , Smolders G, Loosdrecht M , et al.Biological phosphorus removal fromwastewater by anaerobic -anoxiic sequencing batch reactor. Wat. Sci . Tech. , 1993, 27 5 6 241 -252 [ 4] Dae Sung Lee, Che Ok Jeon, Jong Moon Park.Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in a sequencing batch reactor using single sludge system. Wat . Res. , 2001, 35 16 3968 -3976 [ 5] Kuba T , Van Loosdrecht MCM ,Heijnen JJ. Biological dephosphatation by activated sludge under denitrifying conditions pH influence and occurrence of a full-scale wastewater treatment plant. Wat. Sci . Tech. , 1997, 36 12 75 -82 [ 6] 王亚宜, 彭永臻, 王淑莹, 等. 反硝化除磷理论、工艺及影响因 素. 中国给水排水,2003, 19 1 33 -36 [ 7] Peng Yongzhen, Zeng Wei, Wang Shuying . DO concentration as a fuzzy control parameter for organic substrate removal in SBR process. Environmental Engineering Science, 2004, 21 5 606 -616 [ 8] Wachtmeister A, Kuba T , Van Loosdrecht M C M, et al. A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge . Wat. Res. , 1997,31 3 471-478 作者通信处 荣宏伟 510006 广州市番禺区大学城外环西路 230号 A207 信箱 广州大学土木工程学院 E -mail rhwcn126. com 2007- 09-24 收稿 上接第 40页 4 结语 1 此次除尘改造是在攀钢两座提钒转炉大修期 间进行的 ,由于改造系统设计合理 、 施工组织严密 、 保 产措施落实到位 ,施工质量 、 进度和安全达到了预期 目标 。 2 脱硫提钒除尘系统投运以来, 该区域生产和 工作环境得到了显著改善 ,外排烟气含尘浓度达到了 国家环保要求, 为下一步攀钢炼钢老转炉除尘系统的 改造积累了宝贵的设计和施工管理经验 。 参考文献 [ 1] 袁宏伟. 攀钢铁水脱硫技术的进步与发展. 攀钢技术, 2007, 30 2 5 [ 2] 张殿印, 张学义. 除尘技术手册. 北京 冶金工业出版社, 2002 35-57 [3] 孙熙. 袋式除尘技术与应用. 北京 机械工业出版社, 2004 123 -124 作者通信处 姚小勇 617000 四川攀枝花攀钢 集团 提钒炼钢厂 电话 0812 3392914 E -mail yxyong2002sina . com 2007- 10-31 收稿 14 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 ENHANCEMENT OF NUTRIENT REMOVAL FROM DOMESTIC WASTEWATER WITH HRAP IN RURAL AREASHuang Xiangfeng He Shaolin Chen Guang et al7 Abstract In this paper, enhancement of nutrient removal from domestic wastewater was studied in a high-rate algal pond system HRAP in rural area of Taihu. At HRT of 8d and 4d for algal pond and hydrophyte pond respectively , dissolved CODCrin the treated effluent was below 100 mg L. The annual average removal efficiency was 46. 6 for total nitrogen and 90. 4 for ammonia.The major removal mechanism for ammonia removal in two -stage HRAP was biological assimilation, nitrification and ammonia evaporation, among which nitrification dominated. In hydrophyte pond, total nitrogenwas mainly removed through precipitation of particular organic nitrogen and denitrification of inorganic nitrogen. The annual average of effluent phosphoruswas 3. 33mg L. Aimedat unsatisfactory nutrient removalinHR AP system, enhancement strategies were proposed, such as lowering thewater depth in hydrophyte pond and using waste gypsum as planting medium to construct complex hydrophyte pond. After the modification, the HRT of hydrophyte pondwas reducedto 1. 6dwhile total nitrogen andphosphorus in the treated effluentwasmaintained below 5 mg L and 1 mg L respectively , which met the first class of national wastewater discharge limit GB18918-2002 . Keywords high-rate algal pond, hydrophyte pond, domestic wastewater in rural areas, nutrient removal and enhancement EXPERIMENT ON DENITRIFYING PHOSPHORUS REMOVAL FROM LOW CARBON SOURCE URBAN WASTEWATERRong Hongwei Peng Yongzhen Zhang Chaosheng 11 Abstract An innovative anaerobic -aerobic -anoxic -aerobic sequencing batch biofilm reactor AO 2-SBBR was developed by introducing an anoxic phase in the anaerobic - aerobic sequencing batch biofilm reactor AO -SBBR based on the theory of denitrifying phosphorus removal in the experiment.The proportion of denitrifying phosphorus removal bacteria DPBincreased from 14. 82 to 63. 04 of total PAOs by four stages of selection and domestication.When the concentration of CODCr, TP, TN and NH 4-N of influent was 156. 41, 4. 64, 33. 08 and 30. 64mg L respectively, the concentration of TP, TN and NH 4-N of effluent was 1. 06, 17. 55 and 4. 32mg L.The efficiency of TP, TN and NH 4-N removal was alternatively 77. 15, 46. 94 and 85. 9.The AO2-SBBR process was effective to solve the affect of low CODCr concentration on simultaneous biological phosphorus and nitrogen removal from urban wastewater. Keywords low carbon source urban wastewater, simultaneous biological phosphorus and nitrogen removal, denitrifying phosphorus removal and AO2-SBBR process RAPIDSTARTOFAEROBICGRANULARSLUDGEREACTORWITH INTERMITTENT PHOSPHORUS REMOVALGao Jingfeng GuoJianqiu Bi Huanyu et al 15 Abstract The real domestic wastewater was treated in SBR under alternate anaerobic aerobic conditions.The effect of decreasing settling time on the ation of aerobic granular sludge AGSfor phosphorus removal was investigated. Small AGS appearedwhen the settling time was 6 min; the settling time was changed to 4 min after 6d, at the same time, the AGS was mature.It spent 28d to cultivate AGS for phosphorus removal after the settling time was gradually decreased.The average effluent phosphorus concentration was 0 . 92 mg L, maximum value was 3. 34mg L and minimum value was 0mg L. There were lots of epistylis rotans around the AGS. The diameter percentage of the granules between 0. 0～ 0 . 3 mm, 0. 3～ 0 . 6 mm and 0. 6 mm was 44. 88, 51. 61and 3. 51 respectively , the floc -like activated sludge and AGS coexisted. The control of alternate anaerobic aerobic conditions made the phosphorus removal AGS more compact than short -cut nitrifying AGS and this is favorable for the stable maintenance of AGS.The results show that under the selective pressure of settling time, aerobic sludge granulation can be divided into three phases selection of good settling zoogloea, self-aggregation and maturation. Keywords phosphorus removal, aerobic granular sludge, real domestic wastewater, rapid start -up and settling time STUDY ON THE EFFECT AND MECHANISM OF pH AND AERATION ON IRON -CARBON REDUCTION PRETREATMENT OF NITROBENZENE WASTEWATERDai Peng 18 Abstract The mechanism was investigated, which indicated the effect of pH and aeration on iron -carbon reduction treatment for nitrobenzene wastewater.Result of this research proved that pH was an important parameter on iron -carbon reduction.Suitable aeration could enhance the result of iron-carbon reduction effectively. Under the conditions of pH 2～ 4 and aeration1. 50 m3 m2h, the CODCrremoval rate of nitrobenzene wastewater was 50～ 60, the removal rate of nitrobenzene concentrationwas ashigh as 90, and the B C ratio enhancedfrom lower than 0. 1 to 0 . 40. Keywords nitrobenzene wastewater, aeration and iron-carbon reduction COMPARATIVE TEST ON THE START-UP OF TWO KINDS PACKING MATERIALS IN BIOLOGICAL AERATED FILTERZeng Zhengzhong Wang Houcheng Li Bo et al 21 Abstract Fly-ash cellular granule and zeolite granule were tested on their start -up in the same conditions. The test results showed that the start-up speed of the fly -ash cellular granule was similar with the zeolite media, and the removal rate of CODCr 60 was slightly higher than the zeolite biofilm 55in the end, but the NH 4-N removal rate of the zeolite biofilm was higher than the fly -ash cellular granule, up to about 70. Keywords packing materials, biological aerated filter, zeolite and fly -ash cellular granule BIOLOGICAL NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL IN NEW SEQUENCING BATCH BIOFILM REACTOR SYSTEMJiang Shanquan Xiao Haiwen Zhai Jun et al 24 Abstract A new sequencing batch biofilm reactor SBBR was used to treat real domestic wastewater. The characteristics of simultaneous nitrification and denitrification and removal phosphorus of sequencing batch biofilm reactor SBBR in treating domestic sewage under the condition of anaerobic anoxic processwere studied. Results from the studies were presented that under the optimization situation of treating process, effluent 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 1,Feb. , 2008