微污染水源水生物接觸氧化處理工藝的啟動與運行工況的調節
論文作者：梅翔 陳洪斌 高廷耀 周增炎 李懷正 喻文熙 傅威 許曉天
摘要：采用基于穿孔管曝氣方式和YDT型彈性立體填料的生物接觸氧化工藝處理微污染水源水。 分析 了水源水 自然 接種條件下的工藝啟動過程, 研究 了不同氣水比運行條件下污染物的去除效果。處理系統形成穩定的氨氮去除率和硝酸鹽氮生成率是工藝啟動過程完成的主要標志;工藝運行中的氣水比由生物硝化過程決定,氣水比 影響 氨氮去除率和氨氮去除的穩定性,針對不同的進水氨氮濃度應采用相應的氣水比。
關鍵詞：水源水 生物接觸氧化 啟動 氣水比 氨氮
由于 工業 、農業及生活等方面的污水未經適當處理而大量排入水體,許多城市取水水源污染日益嚴重,尤以氨氮和有機物的污染最為突出,常規給水處理工藝已難以保證安全、衛生的水質。采用生物接觸氧化工藝處理微污染水源水是改善給水水質的有效措施,并且一定的氣水比是保證微污染水源水生物接觸氧化處理系統正常運轉的必要條件[1,2]。
微污染水源水生物接觸氧化處理工藝啟動過程、工藝狀態是如何變化的?工藝啟動過程完成的標志有哪些?氣水比在工藝啟動及運行調節中的作用到底有多大?調節氣水比的依據又是什么?我們通過YDT型彈性立體填料穿孔管曝氣方式的生化池在水源水自然接種的條件下,填料掛膜過程工藝運行狀態的變化,分析工藝啟動過程完成的標志。并通過氣水比的調節考察氣水比對污染物去除效果的影響,以期為工程設計及運行管理提供優化的設計參數和運行條件。
1 試驗概況
1.1 工藝流程
試驗在廣東省東江的一條引水渠道邊開展,工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程框圖
渠內水源水通過潛水泵提升至進水計量槽,由量水堰測針讀數計量進水流量,經進水井和進水配水池進入生物接觸氧化池,由尾門測針讀數控制生物接觸氧化池水位。處理后的出水經出水配水池排入主渠。以羅茨鼓風機向生物接觸氧化池供氣,供入池內的空氣量通過玻璃轉子流量計、氣壓表和壓力式溫度計進行計量,多余的空氣通過旁通管排空。
生物接觸氧化池(以下簡稱生化池)為長×寬×高=20.00m×1.00m×4.30m(有效水深.80m);池內均勻布置60m3的YDT型彈性立體填料(填料單體尺寸為F 200×3 000mm);池底部安裝20根DN25的穿孔曝氣管(ABS工程塑料管),兩側F 3孔45°向下,同側孔距120mm,異側孔距60mm。
1.2 試驗設計
1.2.1 工藝運行條件
采用引水渠內的水源水對生化池進行微生物接種,保持水力停留時間(HRT)為60min,控制氣水比為1.70(空氣量已換算成20℃、1 atm狀態,下同),進入填料掛膜的工藝啟動過程。啟動過程完成后,進入工況試驗階段,保持生化池HRT為50min,調節氣水比分別為1.30、1.00、0.90、0.80和1.20,每個工況運行10天左右。工況試驗階段水溫為25.4℃～30.1℃,平均為27.6℃。
1.2.2 取樣與測試
每隔1h分別在生化池進出口取樣,連續取12h的混合水樣作為當日水樣,并及時分析。測試項目與 方法 如表1所示。
2 試驗結果與分析
2.1 工藝啟動過程
2.1.1 氨氮去除效果的變化
由圖2可見,生化池經水源水自然接種后,由于水溫適宜(24.0℃～27.4℃,平均25.4℃),供氧充分,硝化細菌經短暫適應后迅速增殖,填料掛膜速度快,生化池發揮硝化能力所需時間短。經兩周時間氨氮去除率即超過75%,隨后去除效果穩定,工藝啟動較為順利。
表1 測試項目與方法
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序號
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項目
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方法
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1
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水溫
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德制Oxi320型DO儀(現場測試)
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2
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DO
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德制Oxi320型DO儀(現場測試)
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3
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pH
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德制pH320型pH儀(現場測試)
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4
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NH3-N
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納氏試劑光度法[3]
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5
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NO3-N
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酚二磺酸光度法[3]
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6
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CODMn
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酸性高錳酸鉀法[3]
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7
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SS
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重量法[3]
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圖2 氨氮去除效果的歷時變化
圖3 硝酸鹽氮生成率的歷時變化
2.1.2 硝酸鹽氮生成率的變化
氨氮經生物硝化作用最終轉化為硝酸鹽氮,故從氨氮轉化量和硝酸鹽氮生成量的變化可以反映出工藝啟動過程運行狀態的變化。由圖3可見,一方面,隨著填料上硝化細菌的生長繁殖,生化池的硝化能力逐步發揮,氨氮轉化量和硝酸鹽氮生成量日漸增加,在一定的進水水質條件下,兩者同步達到最大值后趨于穩定;另一方面,根據已有的測試數據,生化池進、出水的有機氮和亞硝酸鹽氮的含量很小且分別相近,而且生化池內微生物有機體的合成和分解對池內氮平衡的影響可以忽略,故可認為生化池內硝酸鹽氮生成量主要來自氨氮經生物硝化而轉化的量,前者與后者之比基本反映了生化池的硝酸鹽氮生成率。啟動初期,亞硝酸鹽細菌和硝酸鹽細菌在生長速度上的差異導致兩類細菌在轉化能力上的差異,硝酸鹽氮生成率偏離1.00較大且不穩定;隨著生物膜的漸趨成熟,兩類細菌在轉化能力上趨于穩定協調,氨氮轉化至硝酸鹽氮的過程進行得較為徹底,兩周時間后氨氮轉化量與硝酸鹽氮生成量趨于一致,硝酸鹽氮生成率穩定在1.00附近。
2.1.3 進、出水DO和pH的變化
由圖4可見,由于氨氮轉化為硝酸鹽氮的過程是一個耗氧、耗堿度的過程,隨著填料上硝化細菌的生長,生物硝化作用的進行,在一定的進水條件和工藝運行條件下,生化池出水與進水DO的差值由大變小,漸趨穩定。與此同時,出水與進水pH的差值亦由大變小,并且必定會出現出水pH低于進水pH的時候,隨后出水pH繼續下降,趨于穩定。工藝啟動中,生化池進、出水DO和pH的變化指示了填料掛膜的進程和生物硝化作用進行的程度。
圖4 進、出水DO和pH的歷時變化
2.1.4 CODMn去除效果的變化
由圖5可見,啟動中CODMn去除率在出現幾次起伏波動后趨于穩定。這說明填料上異養微生物在生長初期繁殖速度很快,但易流失。經過一段時間的培養馴化后,填料上異養微生物的種類、數量趨于穩定,對水源水中的有機物形成較為穩定的去除效果,CODMn去除率達20%左右。工藝啟動過程中CODMn去除效果的變化從一個側面反映了填料上生物膜成熟的程度。
2.2 氣水比對污染物去除效果的影響
圖5 CODMn去除效果的歷時變化
工藝啟動過程完成后,保持生化池HRT為50min,調節氣水比分別為1.30、1.00、0.90、0.80和1.20,考察各運行工況下生化池對污染物的去除效果。
2.2.1 氣水比對氨氮去除率的影響
由于試驗期間生化池進水氨氮濃度低于2.00mg/L和高于5.00mg/L的情況較少,故以進水氨氮濃度為2.00mg/L～5.00mg/L的范圍進行分析。將各氣水比條件下氨氮去除情況按進水氨氮濃度的高低分段求出氨氮去除率平均值,繪出各濃度段氨氮去除率隨氣水比的變化曲線(見圖6)。
圖6 氣水比對氨氮去除率的影響
由圖6可見,在每一進水氨氮濃度段,隨氣水比的增大,氨氮去除率升高;同一氣水比條件下,高濃度段的氨氮去除率低于低濃度段的氨氮去除率,即氨氮去除率隨進水氨氮濃度的升高而降低。這一方面說明了氣水比影響著硝化細菌活性的發揮,另一方面說明了對于一個確定的處理系統,為保持穩定的氨氮去除效果,既需維持穩定的硝化細菌生物量,又需針對不同的進水氨氮濃度采用相應的氣水比運行。
2.2.2 氣水比對氨氮去除穩定性的影響
由于在每一氣水比運行條件下,隨進水氨氮濃度的升高,氨氮去除率降低,則氨氮去除率隨進水氨氮濃度的變化而變化的量表示了生化池去除氨氮的穩定性(見圖7)。
圖7 氣水比對氨氮去除穩定性的影響
由圖7可見,氣水比越大,生化池的氨氮去除穩定性越好。即進水氨氮濃度增大時,以較高氣水比運行的生化池氨氮去除率降低的幅度比以較低氣水比運行的生化池氨氮去除率降低的幅度小。
2.2.3 氣水比對CODMn去除效果的 影響
將各氣水比條件下CODMn去除情況按進水CODMn濃度的高低分段求出去除率平均值列入表2。
表2 各氣水比條件下CODMn去除情況
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氣水比 |
進水CODMn濃度分段(mg/L) |
|||
|
C0≤4.00 |
4.00＜C0≤4.50 |
4.50＜C0≤5.00 |
C0＞5.00 |
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1.30 |
(3.60, 15.8) |
(4.23, 17.2) |
(4.60, 18.9) |
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1.20 |
(3.35, 14.0) |
(4.33, 13.2) |
(4.93, 22.9) |
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1.00 |
(3.66, 11.8) |
(4.16, 17.3) |
(4.71, 21.2) |
(5.23, 28.9) |
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0.90 |
(3.60, 21.0) |
(4.20, 21.2) |
(4.74, 15.9) |
(5.53, 21.8) |
|
0.80 |
(3.81, 13.7) |
(4.44, 17.8) |
(4.99, 25.9) |
(5.54, 25.6) |
|
平均 |
(3.62, 15.8) |
(4.24, 17.3) |
(4.76, 20.0) |
(5.50, 25.1) |
注：表內括號中的數值,前為進水CODMn濃度分段平均值,后為對應該濃度段的CODMn去除率平均值(%)。
由表2可見,氣水比對CODMn去除率沒有明顯的影響;各氣水比條件下,CODMn去除率總體上隨進水CODMn濃度的上升而上升。由此說明,在氣水比為0.80～1.30的工況條件下,氣水比對水源水中有機微污染的去除不是限制因素。
2.2.4 氣水比對SS去除效果的影響
試驗中發現SS的去除 規律 不明顯,氣水比對氨氮去除率沒有明顯的影響。綜合各運行工況的情況,SS去除率大致為50%～80%。在氣水比為1.00工況時,由于進水SS的沖擊和生物膜的異常脫落,氨氮去除效果明顯受到影響。
微污染水源水生物接觸氧化處理工藝中SS的去除,即水源水中的SS在生化池內的積累對生化過程會造成不良影響。主要表現為生化池內填料的表面積不能充分利用,生物量受到限制,影響傳質效果,導致工藝運行效果的不穩定。為保證穩定的生化效果,需定期對生化池內積累的SS進行人為沖排。
3 結語
(1) 采用引水渠內的水源水在生化池內 自然 富集接種,通過培養馴化,能使填料掛膜,順利實現工藝啟動。適宜的水溫和充足的供氧是使填料迅速掛膜的必要條件。在水溫超過25℃時,采用HRT為60min,氣水比為1.70的工藝條件可以順利完成啟動過程。
(2) 以硝化為主要目的的微污染水源水生物接觸氧化處理工藝啟動過程完成的主要標志是處理系統形成穩定的氨氮去除率和硝酸鹽氮生成率。生化池進、出水DO、pH及CODMn的變化指示了生物硝化作用的進程,反映了生物膜成熟的程度。
(3) 保持生化池內足夠的硝化細菌數量,維持其良好的生物活性,是保證穩定的硝化效果的前提。工藝運行中的氣水比由生物硝化過程決定,隨氣水比的增大,氨氮去除率上升,氨氮去除穩定性增強。氨氮去除率隨進水氨氮濃度的升高而降低,為保證生化池穩定的氨氮去除效果,針對不同的進水氨氮濃度應采用相應的氣水比運行。
(4) 氣水比對CODMn去除效果的影響不甚明顯,各氣水比條件下CODMn去除率總體上隨進水CODMn濃度的上升而上升。水源水中的SS在生化池內的去除過程較為復雜且影響工藝運行的穩定性,需對生化池內積累的SS定期進行人為沖排。
參考 文獻
1 李家就,錢望新.富營養化湖泊水源生物預處理 研究 . 中國 給水排水,1992,8(6)：4～7
2 許建華,萬英,湯利華,等.微污染原水的生物接觸氧化處理技術研究.同濟大學學報,1995,23(4)：376～381
3 國家環保局《水和廢水監測 分析 方法 》編委會.水和廢水監測分析方法(第三版),北京：中國環境 科學 出版社,1989
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