COD浓度对污泥转移SBR工艺除污性能的影响.pdf

COD 浓度对污泥转移 SBＲ 工艺除污性能的影响 * 陈晓杰潘杨邓猛俞苗新 苏州科技学院 环境工程系，江苏 苏州 215009 摘要 污泥转移 SBＲ 工艺采用污泥回流的方式， 将间歇运行的 SBＲ 反应器内处于沉淀期的污泥回流至厌氧生物选择 器中， 使得 SBＲ 沉淀撇水界面降低， 增加了系统的充水比和参与反应的活性污泥总量， 进而提高了除污能力。以生活 污水为原水， 研究新工艺下 COD 浓度对除污性能的影响。结果表明 污泥回流比为 30， 泥龄为 10 d， C/P 为 74 ～ 124， C/N 为 6 ～20 时， 系统除污能力较强且稳定， 出水 P 和 TN 浓度分别小于 0. 4， 15 mg/L， 达到一级 A 排放标准; 结 合碳源在系统中的合理分配可知， 50 ～70、 35. 60、 18. 86 的 COD 分别在厌氧区、 缺氧区、 好氧区被消耗， 该新 工艺实现了对碳源的优化利用， 提高了系统的除污能力。 关键词 污泥转移 SBＲ 工艺; C/P; C/N; 脱氮除磷 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409014 INFLUENCE OF CAＲBON SOUＲCE ON DECONTAMINATION PEＲFOＲMANCE IN THE SLUDGE- SHIFTING SBＲ PＲOCESS Chen XiaojiePan YangDeng MengYu Miaoxin Department of Environmental Science and Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215009，China AbstractThe sludge- shifting SBＲ process took use of sludge return way to make settled sludge of SBＲ return to the anaerobic selector． The sediment- water interface of SBＲ was reduced． The systems water filling ratio and the total amount of activated sludge were increased in the reaction，thereby decontamination capability was improved． With domestic sewage as raw water， the influence of COD on decontamination perance in the new process was studied． The results showed thatwhen the sludge transferring mass was 30 and the sludge age was 10 days， C/P ratio was 74 to 124 and the C/N ratio was 6 to 20， the decontamination ability of the system was better． The concentrations of effluent phosphorus and TN were less than 0. 4， 15 mg/ L，reaching the discharge standards A． Combined with a reasonable allocation of carbon in the system，50 to 70， 35. 60， 18. 86 of the COD were consumed in the anaerobic zone，anoxic zone and aerobic zone． The new process could achieve optimal utilization of the carbon source，and the ability of decontamination was improved． Keywordsthe sludge- shifting SBＲ process;C/P;C/N;nitrogen and phosphorus removal * 江苏省自然科学基金项目 BK2011315 ; 江苏省 “333” 人才工程资助项目 331491201 ; 苏州科技学院研究生科研创新计划项目 SKCX12S- 011 。 收稿日期 2013 －00 －00 0引言 开发高效经济的生物脱氮除磷工艺一直是水污 染控制领域的研究重点和热点。序批式活性污泥法 因其具有工艺流程简单、 运行方式灵活、 可控性好等 优点而得到广泛应用与推广， 但 SBＲ 工艺及其衍生 工艺普遍存在容积利用率低、 脱氮除磷效果不稳定等 缺点， 这在实际应用中严重限制了其处理效率。黄勇 等人在传统 SBＲ 工艺限制因素的基础上提出了“污 泥转移” 的概念， 即将处于 SBＲ 反应器沉淀期的污泥 部分转移， 提高污泥的利用率， 同时该工艺的充水比 和处理效率也得到了提高， 作为一种新型的生物脱氮 除磷工艺， 为解决现行序批式活性污泥法的缺陷提供 了一种新思路 ［1- 4 ］。 有机底物作为释磷菌和反硝化过程的电子供体， 是生物脱氮除磷得以顺利进行的必备条件［5- 6 ］， 因此 有机底物的含量对脱氮除磷效率有显著影响， 一般常 用 COD/TP、 BOD5/TN、 COD/TN 等来表征。多年来， 国内外许多学者就 C/N、 C/P 对工艺性能的影响进行 了较多探讨。彭永臻等 ［ 7 ］研究表明， 当水中 ρ COD / 16 水污染防治 Water Pollution Control ρ TN＜ 4 时， 碳源不足则会影响 A/O 系统脱氮。 Dong Wei、 Magdalena Zielinska 等 ［8- 9 ］认为 COD/TN 是 影响生物脱氮的重要因素之一， 直接影响自养型和异 养型微生物种群对底物的竞争， 进而影响脱氮效率。 在 EBPＲ 系统中， 进水 COD/TP 是影响 PAOs 和 GAOs 竞争和 PAOs 体内“能量库” 的关键性因素， 也 正是 这 些“能 量 库”决 定 了 微 生 物 间 的 竞 争 优 势 ［6， 10 ］。在实际工程中， 由于每个工艺所采用的运行 参数及污水水质均不同， 最佳碳氮比、 碳磷比略有差 异。因此， 本试验以污泥转移 SBＲ 工艺为对象， 调节 进水 COD 浓度研究进水中不同 C/N、 C/P 对该工艺 的脱氮除磷的影响， 探讨系统的稳定性， 为该工艺的 实际推广和应用提供技术参考。 1试验部分 1. 1试验装置 试验装置由一个连续运行的厌氧生物选择器和两 个并联的序批式主反应器构成 见图 1 ， 每个 SBＲ 中 底部设有泥斗。有效容积分别为 4. 8， 16. 8 L SBＲ 单 池 。SBＲ 池内设有进水管、 微孔曝气装置和出水管， 生物选择器与主反应器内均设有搅拌装置， 进水和污 泥回流通过三台蠕动泵进行控制。系统进水、 污泥回 流 转移 、 出水和曝气均由电磁阀和空气阀控制， 所有 的阀门和蠕动泵的启闭均采用 PLC 自动控制。 图 1污泥转移 SBＲ 工艺试验运行系统示意 Fig．1Schematics of operational system of the sludge- shifting SBＲ process SBＲ 的运行周期为 4h， 包括搅拌进水 30 min 、 曝气 进 水 90 min 、 曝 气 30 min 、 沉 淀 滗 水 90 min ， 泥龄 10 d， 充水比 50， 污泥回流比 30， 进水流量为 90 L/d。 1. 2试验材料 活性污泥取自苏州新区污水处理厂氧化沟工艺 的好氧池， 经沉淀静置去掉上清液过滤后加入到 SBＲ 反应 器 中， 试 验 期 间 所 用 水 为 城 市 生 活 污 水 ρ COD 170 ～ 472 mg/L， ρ NH 4 －N 22. 78 ～ 44. 14 mg/L， ρ NO － 3 －N 0 ～ 0. 45 mg/L， ρ TN 24. 57 ～46. 00 mg/L， ρ TP 磷酸二氢钾 1. 28 ～ 9. 74 mg/L。水质指标采用国家环保总局颁布的标准 分析方法进行测定［11 ］。 2试验结果与分析 2. 1对 TP 去除的影响 图 2 为不同 C/P 下系统中 TP 浓度的变化。由 图 2 可以看出 当 C/P 低于54 时， 磷的去除率随 C/P 的增加而增加， 在 C/P 54 时， 磷的去除率高达 98。之后随着 C/P 值的增加， 磷的去除率保持在 80以上。该工艺中， 原水进入厌氧生物选择器中与 回流的污泥混合接触， 在保证选择器有足够水力停留 时间的同时， 聚磷菌可利用污水中易降解有机物进行 充分释磷， 合成较多的 PHB， 为后续好氧段过量吸磷 提供了有利条件， 有利于磷的高效去除。即在 C/P 从 54 到 236 的整个增加过程中， 磷的去除率始终稳 定在 84 ～99， 出水磷浓度一直小于 0. 4 mg/L， 表 明系统 C/P 大于 54 时即可实现磷的稳定去除。 图 2不同 C/P 下 PO3 － 4 －P 的变化 Fig．2Variation of PO3 － 4 －P with different C/P ratio 一般认为， 聚磷微生物在厌氧环境下合成的 PHB 含量决定了其在好氧条件下吸磷能力的大小， 进而影响系统的除磷效率［12- 13 ］。图 3 为不同 C/P 下 生物选择器中污泥 PHB 含量和磷浓度。可见， 生物 选择器中磷浓度与污泥中 PHB 含量有较好的响应关 系。总体来看， 厌氧区磷的释放和污泥中 PHB 的含 量均随 C/P 的有先增加后下降的趋势。当 C/P 低于 74 时， 系统的释磷量和 PHB 含量变化不稳定; 而当 C/P 在 74 ～124 时， 厌氧释磷量和 PHB 含量变化趋 于稳定， 分别维持在 12. 51 mg/L 和 14. 89; C/P 大 于 124 时， 释磷量和 PHB 含量均有所下降。对三种 不同阶段的 C/P 38、 74、 150 下的污泥进行苏丹黑染 26 环境工程 Environmental Engineering 色， 并在显微镜下观察拍照， 见图 4。图 4 中被染成 黑色的为 PHB 颗粒， 其他菌体为红色， 可以发现 C/P 74 时， 有大量的 PHB 分散在污泥中。当 C/P 低于 54 时， 磷的去除效率也相应降低， 这主要是因为 在厌氧条件下的释磷可能会受到细胞体内外磷浓度 差过小的影响， 而抑制 PAOs 厌氧释磷， 污泥中 PHB 的含量也比较低， PAOs 释磷受到抑制会影响到其好 氧吸磷能力， 从而使得磷去除率下降 ［14 ］。有文献也 表明 随着 C/P 的降低， 厌氧阶段生成的 PHB 含量也 会降低或者消耗单位 COD 所生成的 PHB 量降低 ［15 ］。 但在 C/P 较高时， 进水 SCOD 的量相对于进水磷的浓 度充足， SCOD 不能在厌氧区得以充分利用， 过剩的 SCOD 将利于 GAOs 的生长， 而 PAOs 与 GAOs 相比， 前者是除磷的主导微生物菌群， 而后者则不能作出任 何贡献 ［16 ］。综上， 本工艺在 C/P 为 74 ～124 时， 该工 艺的除磷率、 PHB 合成量、 释磷量变化稳定， 可获得 良好的除磷效果。 图 3不同 C/P 下生物选择器中污泥 PHB 含量和磷浓度 Fig．3The concentations of phosphate and PHB in biological selector with different C/P 图 4活性污泥中 PHB 染色照片 Fig． 4The stained photo of PHB in activated sludge 2. 2对氮去除的影响 图5 为 C/N 对 NH 4 －N、 NO － 3 －N 和 NO － 2 －N 去除 效果的影响。由图 5 可以看出 C/N 增加与否对氨氮 去除效果影响较小， NH 4 －N 的去除效率始终稳定在 92. 50 ～99. 97。这说明在本试验的反应条件下， NH 4 －N 的去除不受 C/N 变化的影响。总氮去除率 的变化主要受反硝化反应效率的影响， 当 C/N 为 4 时， 出水的 NO － 3 －N 为 21. 82mg/L，TN 去除率仅为 39， 随着 C/N 的增加， 反硝化效率增加，出水中的 NO － 3 －N 浓度也随之降低， 当 C/N 为 11 时， 达到最低 为 5. 71 mg/L，TN 去除率也达到了 66， 之后 C/N 继续增加对 TN 去除率影响不大。当 C/N 大于 7 时， 可检测到出水中有 NO － 2 －N， 但浓度较低， 维持在 1. 60 mg/L 左右。在 C/N 为 6 ～ 20 时， TN 出水浓度 低于 15 mg/L。综上， C/N 的变化对硝化不产生影 响， 而反硝化则受 C/N 的影响较大。低 C/N 条件下， 因为没有足够的电子供体， 不利于反硝化作用， 导致 出水 NO － 3 －N 浓度过高，TN 去除率降低 ［17 ］。随着 C/N 升高， 反硝化作用明显， TN 去除率逐渐升高。该 工艺中 C/N 大于 6 时， TN 去除率的变化较小， 维持 在 61左右。即 C/N 为 6 ～20 时， 系统能达到较好 的同步硝化反硝化效果。 图 5C/N 对 NH 4－N、 NO － 3－N 和 NO － 2－N 去除效果的影响 Fig．5Influence of C/N ratios on removal efficiency of NH 4－N、 NO － 3－N and NO － 2－N 2. 3污泥转移 SBＲ 工艺对碳源的优化利用 图 6 为不同 COD 负荷下系统各阶段消耗 COD 百分比。由图 6 中可以看出 随着 COD 负荷的变化， 各阶段消耗的 COD 百分比的变化幅度较小。系统中 有 50 ～70的 COD 在厌氧区被消耗， 前置厌氧生 物选择器具有高浓度梯度筛选作用， 并且生物选择器 内碳源充足， 硝化细菌在生物选择器中的硝化作用受 到抑制， 厌氧区的 COD 主要用于 PAOs 合成细胞内 部储存物 PHAs， 为后续好氧阶段过量吸磷提供了有 利条件; 在缺氧区有 35. 60 的 COD 用于反硝化， COD 负荷大于 2. 42 kg/ m3L 时， 缺氧区消耗的 COD 百分比和厌氧区相当， 根据活性污非平衡增长 理论 ［18 ］， 推测活性污泥在经由厌氧区时大量吸附 COD， 在缺氧区时便将一部分 COD 释放出来用于反 硝化。一般以为， 硝化需要较低的碳源浓度， 碳源过 多会形成异养微生物与自养微生物对 DO 的竞争， 硝 化菌的增长速率较慢低于异养菌， 因而在竞争上失去 36 水污染防治 Water Pollution Control 优势， 使得硝化效率总量下降［19- 21 ］， 系统中好氧区有 18. 86的 COD 被消耗， 用于硝化和聚磷菌过量吸 磷。该工艺所具有的污泥转移的功能可使沉淀结束 后的泥水界面位置大为降低， 增加系统的充水比， 使 进水碳源含量逐渐增加， 确保了系统中的微生物所能 利用碳源量。结合图2 和图3， 出水 PO3 － 4 －P 和 NH 4 －N 浓度均较低， 所以该系统在保证硝化细菌充分发挥硝 化作用的同时， 也保证了聚磷菌好氧段过量吸磷， 工 艺的整体除污性能也得到了提升。在试验过程中， COD 浓度能够满足微生物的正常生长需要， 其良好 的处理效果也为系统其他性能的研究提供了保障。 图 6不同 COD 负荷下各阶段消耗 COD 百分比 Fig． 6The removal rate of COD at different cod loading 3结论 该试验以生活污水为原水， 通过污泥转移 SBＲ 工 艺深入考察 COD 浓度对系统除污性能的影响， 试验结 果表明 污泥回流比为30， 泥龄为 10 d， C/P 为 74 ～ 124， C/N 为6 ～20 时系统除污能力较强且稳定， 出水 下 TP 浓度一直小于0. 4 mg/L， TN 浓度小于15 mg/L， 达到一级 A 排放标准; 结合碳源在系统中的合理分配 可以看出， 50 ～70、 35. 60、 18. 86 的 COD 分别 在厌氧区、 缺氧区、 好氧区被消耗， 该新工艺实现了对 碳源的优化利用， 提高了系统的除污能力。 参考文献 ［1］潘杨， 俞苗新， 黄勇． 污泥转移序批式间歇活性污泥法 SBＲ 工 艺除磷特性［ J］ ． 环境化学， 2013， 32 2 275- 279. ［2］徐军， 潘杨， 李大鹏， 等． 溶解氧对污泥转移 SBＲ 工艺除污性能 的影响［ J］． 水处理技术， 2012， 38 12 122- 126. ［3］薛艳， 黄勇， 潘杨． 废水生物脱氮除磷工艺的进展与评述［J］ ． 工业用水与废水， 2006， 37 3 11- 15. ［4］潘杨， 黄勇， 曹桂华， 等． 污泥转移 SBＲ 工艺处理低浓度生活污 水［J］． 环境工程学报， 2012， 4 6 1225- 1230. ［5］Dwight Houweling，Peter Dold，James Barnard． Theoretical limits to biological phosphorus removal rethinking the influent COD∶ N∶ P ratio［ J］． Weftec， 2010， 91 7044- 7059. ［6］Wang Yayi，Geng Junjun，Ｒen Zhongjia． Effect of COD/N and COD/P ratios on the PHA transation and dynamics of microbial community structure in a denitrifying phosphorus removal process ［J］． J Chem Technol Biotechnol， 2013， 88 1228- 1236. ［7］彭永臻， 王之晖， 王淑莹． 基于 BP 神经网络的 A/O 脱氮系统外 加碳源的仿真研究［ J］． 化工学报， 2005， 56 2 297- 300. ［8］Wei Dong，Qiao Zhuangming，Zhang Yongfang． Effect of COD/N ratio on cultivation of aerobic granular sludge in a pilot- scale sequencing batch reactor［J］ ． Appl Microbiol Biotechnol， 2013， 97 1745- 1753. ［9］MagdalenaZielinska， KatarzynaBernat， AgnieszkaCydzik- Kwiatkowska， et al． Nitrogen removal from wastewater and bacterial diversity in activated sludge at different COD/N ratios and dissolved oxygen concentrations ［J］．Journal of Environmental Sciences， 2012， 24 6 990- 998. ［ 10］蒋涛， 方婧， 孙培德， 等． C/P 对 EBPＲ 系统 PAOs 与 GAOs 竞争 及 PHAs 代谢过程影响研究［J］ ． 环境科学， 2010， 31 12 2938- 2944. ［ 11］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京 中国环境科学出版社， 2006. ［ 12］张耀武， 吴广华， 邢亚彬， 等． COD 进水浓度对 SBMBBＲ 脱氮除 磷效果影响［ J］ ． 大连理工大学学报， 2008， 48 3 329- 333. ［ 13］毕学军， 高延耀． 缺氧/厌氧/好氧工艺的脱氮除磷研究［J］ ． 上 海环境科学， 1999 1 19- 21. ［ 14］孙培德， 蒋涛， 钟晓． 城镇污水厂生物除磷工艺优化理论与实践 ［M］ ． 北京 化学工业出版社， 2011 1- 187. ［ 15］史静， 吕锡武， 朱光灿． 进水碳磷比对连续流反硝化除磷工艺脱 氮除磷效果的影响［J］ ． 东南大学学报． 自然科学版， 2012， 42 1 94- 98. ［ 16］申沛， 陈银广， 张超． 影响聚磷菌与聚糖菌竞争的关键因素研究 进展［ J］． 四川环境， 2008， 27 1 73- 75. ［ 17］赵冰怡， 陈英文， 沈树宝． C/N 比和曝气量影响 MBＲ 同步硝化 反硝化的研究［J］． 环境工程学报， 2009， 3 3 400- 404. ［ 18］彭党聪， 王志盈， 袁林江． 活性污泥系统非平衡增长理论及其应 用［ J］ ． 中国给水排水， 2001， 17 1 19- 21. ［ 19］Fdz- Polanco F， Mendez E， Uruena IA， et al． Spatialdis- tribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged bilfilter for nitrification ［J］． Water Ｒes， 2000， 34 16 4081- 4089. ［ 20］徐云侠， 张耀斌， 全燮． MBBＲ 与 A/O 法对污水中有机物及氮 处理效果的研究［ J］ ． 环境工程学报， 2007， 1 7 19- 23. ［ 21］王劼， 周震宇， 胡筱敏． 曝气生物滤池进水 COD 浓度对 NH3－N 去除率影响［ J］ ． 环境工程， 2011， 29 S1 55- 57. 第一作者 陈晓杰 1986 － ， 女， 硕士研究生。chenxiaojie1019 126． com 通讯作者 潘杨 1972 － ， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事水污染控制 工程的教学科研工作。panyang mail． usts． edu． cn 46 环境工程 Environmental Engineering