活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)的生物除磷能力
摘要：通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)用排除剩余污泥方式除磷的能力有限，當(dāng)進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)要保證出水TP≤0.5mg/L是困難的。采用活性污泥外循環(huán)方式對(duì)釋磷的污泥進(jìn)行回流，通過(guò)提高SBR系統(tǒng)污泥濃度的方式來(lái)提高除磷能力的試驗(yàn)表明：當(dāng)MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量時(shí)，在進(jìn)水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情況下仍能保證出水總磷達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，而且該系統(tǒng)出水NH3-N≤3.6mg/L，對(duì)總氮去除率≥86%，同時(shí)獲得了最佳的除磷和脫氮效果。
生物除磷的效果不夠理想，通過(guò)發(fā)現(xiàn)：①根據(jù)生物除磷，要獲得好的除磷效果通常需控制較短泥齡［1］，而目前城市污水的有機(jī)物濃度越來(lái)越低，在短泥齡的情況下生物系統(tǒng)MLSS也較低，從而導(dǎo)致排除的剩余污泥總量少，磷的絕對(duì)去除量難以提高。早在1959年Srinzth的就證明了除磷速率和污泥濃度有關(guān)，F(xiàn)instein也認(rèn)為當(dāng)污泥濃度較高時(shí)生物系統(tǒng)除磷效率更高，因此如何提高系統(tǒng)污泥濃度是一個(gè)值得關(guān)注的。②系統(tǒng)泥齡短、污泥濃度低的生物條件不利于硝化和反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，因此在生物系統(tǒng)中尤其是SBR系統(tǒng)往往不可能同時(shí)獲得最佳的除磷脫氮效果；③富磷污泥以及污泥濃縮池上清液的妥善處置還是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
擬采用間歇進(jìn)出水、間歇曝氣的SBR工藝，利用活性污泥外循環(huán)技術(shù)，通過(guò)提高污泥濃度的方式來(lái)提高系統(tǒng)的除磷能力，最終實(shí)現(xiàn)生物除磷脫氮效果最佳的目的。
1 試驗(yàn)裝置和
1.1 試驗(yàn)裝置及流程
SBR反應(yīng)器是容積為20L的聚乙烯塑料容器，有效容積為16L。厭氧反應(yīng)器也是聚乙烯塑料容器，容積為4L。試驗(yàn)采用間歇進(jìn)、出水方式運(yùn)行，通過(guò)自行研制的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)曝氣、攪拌以及沉淀過(guò)程的自動(dòng)切換。
將經(jīng)實(shí)驗(yàn)室馴化后的污泥分裝在3個(gè)SBR反應(yīng)器中，3個(gè)反應(yīng)器在初始條件完全相同的情況下啟動(dòng)運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60d，追蹤測(cè)定進(jìn)水、出水氨氮、NO3-N、TP、COD以及好氧末期系統(tǒng)的SV30、MLSS等指標(biāo)。
④分析方法
COD：美國(guó)HACH-COD測(cè)定儀(用重鉻酸鹽標(biāo)準(zhǔn)法GB11914進(jìn)行校正)；氨氮：納氏試劑比色法；NO3-N：戴氏合金還原—納氏試劑比色法；TN：K2S2O8消解—紫外分光光度法；TP：抗壞血酸—鉬酸銨比色法。
2 結(jié)果
2.1 SBR系統(tǒng)處理效果比較
①對(duì)COD的去除
結(jié)果顯示，3個(gè)SBR反應(yīng)器出水COD都達(dá)到了GB8978—1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下污泥停留時(shí)間、污泥循環(huán)方式對(duì)COD去除率的不顯著。?
②脫氮
結(jié)果表明，3個(gè)反應(yīng)器出水的氨氮都可以達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)而言3#反應(yīng)器總氮去除效果較差，原因主要是該系統(tǒng)泥齡較短，MLSS濃度較低(見(jiàn)圖3、表4)，這種反應(yīng)條件既不利于世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌積累，也不利于反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行［2］。2#反應(yīng)器按SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)排泥，但經(jīng)過(guò)釋磷后又循環(huán)回到反應(yīng)系統(tǒng)，因此污泥性質(zhì)和1#反應(yīng)器相似，屬長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)，硝化菌含量相對(duì)較高，利于硝化、反硝化的順利進(jìn)行，具有理想的脫氮效果。
③除磷
結(jié)果表明，1#反應(yīng)器除磷效果明顯低于2#、3#反應(yīng)器，盡管3#反應(yīng)器總磷去除率可以達(dá)到89.1%，但不能保證處理出水能長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。值得關(guān)注的是2#反應(yīng)器(活性污泥外循環(huán)系統(tǒng))不僅脫氮效果好，而且除磷效果也好，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2#反應(yīng)器排出水中溶解性磷酸鹽的含量常和空白值處于同樣水平，總磷≤0.30mg/L，甚至進(jìn)水TP濃度高達(dá)9～11mg/L時(shí)出水總磷可以穩(wěn)定達(dá)到GB8978—1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.2系統(tǒng)某些指標(biāo)的歷時(shí)變化
①出水總磷
3個(gè)反應(yīng)器在初始條件完全相同的情況下啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的運(yùn)行后除磷效果差異很大(見(jiàn)圖2)。啟動(dòng)初期10d內(nèi)這種差異并不顯著，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，則越來(lái)越明顯。當(dāng)進(jìn)水TP濃度控制在6～8mg/L時(shí)，1#反應(yīng)器出水TP在2～4mg/L變化，并呈增加的趨勢(shì)；3#反應(yīng)器出水TP≤0.88mg/L且相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水TP濃度控制在9～11mg/L，1#反應(yīng)器出水TP基本維持在5～6.5mg/L，3#反應(yīng)器出水TP在2～3.5mg/L波動(dòng)。2#反應(yīng)器出水TP自始至終都小于0.3mg/L，且不具有上升的趨勢(shì)。
②污泥濃度
3個(gè)反應(yīng)器在活性污泥濃度相同的條件下啟動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，其污泥濃度出現(xiàn)了很大的差異。
由于系統(tǒng)按照厭氧—好氧—缺氧的方式運(yùn)行，污泥產(chǎn)率較常規(guī)活性污泥系統(tǒng)低［3］，而3#反應(yīng)器一直按照SRT=8d的方式外排富磷污泥，致使系統(tǒng)增加的污泥量小于外排污泥量，導(dǎo)致試驗(yàn)初期污泥濃度急劇下降直至穩(wěn)定，此時(shí)該系統(tǒng)MLSS維持在1.1g/L的低濃度水平。
就排泥來(lái)說(shuō)，2#和1#反應(yīng)器在本質(zhì)上相同(未進(jìn)行有計(jì)劃的排泥)，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加，系統(tǒng)的污泥濃度逐漸增加并趨于平緩，且維持在較高的污泥濃度。筆者發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)條件下泥齡直接影響生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的污泥濃度，泥齡越短則穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的污泥濃度越低。
④厭氧釋磷和好氧吸磷
磷的釋放和吸收都經(jīng)歷了一個(gè)從快速到緩慢的過(guò)程，厭氧初期30min和好氧初期50min的時(shí)間段為快速轉(zhuǎn)化過(guò)程。
3#反應(yīng)器比釋磷、吸磷速率最快，可以認(rèn)為在這種情況下聚磷菌的活性最高，但由于系統(tǒng)污泥濃度低，總的釋磷量、吸磷量仍然很低，除磷效果并不理想，而1#、2#反應(yīng)器則剛好相反。由于污泥的外循環(huán)使2#反應(yīng)器的外排污泥在厭氧池釋磷卻在SBR反應(yīng)器好氧段參與吸磷，從而導(dǎo)致2#SBR系統(tǒng)超量吸磷量遠(yuǎn)大于1#、3#反應(yīng)器，出水水質(zhì)明顯提高。
2.3 除磷能力分析
①長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)
長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)(1#反應(yīng)器)在厭氧—好氧條件下同樣具有吸磷和釋磷現(xiàn)象，該系統(tǒng)好氧結(jié)束時(shí)污泥含磷率比其他2個(gè)反應(yīng)器還高(可達(dá)5.12%～7.22%)，經(jīng)3.5h厭氧釋磷后溶液中具有更高的磷濃度(62mg/L)，但從好氧段磷的變化曲線好氧段可以看出，長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)好氧吸磷平衡時(shí)溶液中殘留的磷酸鹽濃度也較高(超量吸磷現(xiàn)象很弱，不足以使溶液中磷酸鹽降到較低的程度)。可以預(yù)測(cè)，這種長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，生物系統(tǒng)中將積累越來(lái)越多的磷，出水中磷酸鹽濃度也會(huì)越來(lái)越高。
②外排富磷污泥系統(tǒng)?
3#反應(yīng)器以SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)外排富磷污泥以達(dá)到除磷的目的。
3#反應(yīng)器在進(jìn)水TP=9～11mg/L時(shí)可通過(guò)排除富磷污泥的方式從SBR系統(tǒng)去除(90～130mg/d)，顯然該值低于進(jìn)水磷的引入量，可以預(yù)測(cè)此時(shí)系統(tǒng)除磷效果不佳(實(shí)際出水TP=2～3.5mg/L，見(jiàn)圖2)。因此在反應(yīng)器處理污水量為20L/d、進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)，要獲得良好的除磷效果是不現(xiàn)實(shí)的。
③活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)
2#反應(yīng)器以SRT=8d的方式從系統(tǒng)排除富磷污泥，然后將它們放置在厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行有效的磷釋放，泥水分離后在好氧曝氣階段將釋磷污泥循環(huán)至SBR系統(tǒng)的這種活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)除磷效果和下列因素有關(guān)：
A=B×(P1-P2)×1000(2)?
式中B——排除的富磷污泥總量，g/d(2#反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)B=10g/d)
P1、P2——好氧吸磷、厭氧釋磷污泥含磷率(當(dāng)進(jìn)水TP=9～11mg/L時(shí)，2#反應(yīng)器的P1為4.22%～5.94%，P2為2.3%～3.3%)
按照式(2)可以計(jì)算出2#反應(yīng)器通過(guò)活性污泥外循環(huán)方式的除磷量為192～264mgTP/d，遠(yuǎn)大于外排富磷污泥(3#反應(yīng)器)所帶走的磷量，因此活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)具有更好的除磷效果。在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)出水TP濃度＜0.01mg/L，可以認(rèn)為出水總磷主要是由出水中懸浮物SS引起的。
3 結(jié)論
①在常規(guī)生物除磷系統(tǒng)中，通過(guò)外排富磷剩余污泥的方式除磷，除磷能力和排泥量以及好氧污泥含磷率呈正比。試驗(yàn)結(jié)果表明，在SBR系統(tǒng)中泥齡較短，相應(yīng)地污泥濃度也較低，系統(tǒng)除磷能力有限；當(dāng)進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)，要保證出水總磷能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)是困難的。
②在活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)中除磷能力與循環(huán)污泥量以及好氧污泥和釋磷污泥的含磷率有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)釋磷污泥的再循環(huán)利用提高了系統(tǒng)的污泥濃度，系統(tǒng)的除磷能力大大提高。當(dāng)MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量、進(jìn)水TP≤11mg/L時(shí)仍能保證出水總磷達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
③活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)的除磷效果和剩余污泥的排放量沒(méi)有直接的關(guān)系，該系統(tǒng)的泥齡可以通過(guò)硝化和反硝化效果來(lái)確定。試驗(yàn)結(jié)果表明，活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)可以同時(shí)獲得最佳的除磷和脫氮效果。
④活性污泥外循環(huán)技術(shù)將富磷污泥的處理和污水處理系統(tǒng)密切聯(lián)系起來(lái)，有效地解決了常規(guī)生物除磷系統(tǒng)處理大量富磷污泥的難題，可以降低污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
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2］王城信.活性污泥硝化系統(tǒng)的泥齡［J］.中國(guó)給水排水，1992，8(5)：41-43.
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