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CASS反应器内反硝化聚磷菌处理生活污水性能研究

发布时间:2018-9-25 10:09:24  中国污水处理工程网

  随着污水排放标准的不断提高,国家严格限制水体中氮、磷营养元素的排入,使得污水处理厂必须具备脱氮除磷能力。同步脱氮除磷工艺以生物法为主,应用较多的主要有A2/O(anaerobic/anoxia/oxic)、UCT(university of cape town)、氧化沟、SBR(sequencing batch reactor)及其改良工艺等。这些工艺虽能实现较好的脱氮除磷效果,但在实现出水氮、磷稳定达标上仍面临一些问题,比如污水中碳源不足,硝化菌和聚磷菌二者泥龄冲突,除磷菌和反硝化菌对碳源的竞争。为解决这些问题,一些新技术、新工艺得到开发,其中反硝化除磷技术是近年来国内研究的热点。

  反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate accumulating organisms,DNPAOs)兼具反硝化脱氮和聚磷的功能,广泛存在于厌氧好氧交替的环境中,如在A/O(anaerobic/oxic)、A2/O、SBR、UCT、BCFs(biologisch-chemische-fosfaat-stikstof-verwijdering)等工艺中均可发现此类菌的存在。DNPAOs属于兼性厌氧菌,相较于聚磷菌(phosphate accumulating organisms,PAOs),能够以NO3−-N、NO2−-N作为最终电子受体,在超量吸磷的同时进行反硝化脱氮。自20世纪90年代起,DNPAOs因其“一碳两用”的特点,在双污泥系统中被证实能够节约50%的碳源利用、30%的需氧量和降低50%污泥产出[5-6]。

  缺氧条件下的反硝化除磷现象已成为同步脱氮除磷工艺的研究热点,有关的研究多集中于SBR、A2N、Dephanox、UCT、BCFs及A2/O改良工艺,这些典型工艺可分为单污泥系统和双污泥系统。其中,Dephanox工艺与A2N-SBR工艺均依据反硝化聚磷菌的特点而设计,属于双污泥系统,工艺流程以A2N-SBR工艺为例:生活污水首先进入厌氧/缺氧-SBR进行碳源吸收和生物释磷,然后静沉排水,含氨氮上清液进入硝化-SBR完成硝化反应,含硝氮出水再回流至厌氧/缺氧-SBR进行缺氧反硝化除磷。其他工艺则为单污泥系统:改良UCT工艺及BCFs工艺则是在厌氧池与缺氧池之间增设一个缺氧池,避免了回流污泥中硝氮对生物释磷的抑制,同时创造了有利于反硝化聚磷菌生长的条件,使反硝化除磷作用在脱氮除磷中扮演重要角色;A2/O改良工艺中,以冯元平等自行设计的A3/O-MBR工艺为例,此工艺与改良UCT工艺和BCFs有相通之处,在厌氧池与缺氧池之间增设缺氧池,并与MBR组成复合工艺,运行结果显示,反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例达到95.47%,成为该系统实现良好脱氮除磷效能的关键。

  以上工艺为反硝化聚磷菌的生长提供了适宜的条件,较好地利用了反硝化除磷作用的优点,但在实现的过程中不可避免地也存在一些问题。双污泥系统处理工艺可能存在几个问题:1)静沉污泥中氨氮无法得到去除,可能导致出水氨氮较高;2)以厌氧-缺氧模式运行一定时间后,污泥除磷能力降幅明显甚至逐渐消失,而脱氮能力受影响不太,可推测,该现象很可能与反硝化菌的竞争有关;3)反硝化除磷对N/P比有一定的要求,但实际污水中的N、P含量变化较大。目前已有研究对前2个问题进行优化,通过引入后置好氧段来加强对氨氮的去除,这同时有利于反硝化聚磷菌数量的维持,但多数反硝化除磷工艺仍面临着工艺复杂的问题。

  循环式活性污泥系统(cyclic activated sludge system,CASS)具有良好的脱氮除磷以及去除有机物的能力,具有占地小、工艺简单等优点,在实际工程中有诸多应用,但目前有关CASS工艺采用反硝化聚磷菌同步脱氮除磷的研究比较少。马娟等考察了多种因素对CAST除磷能力的影响,张智谋等研究了CAST在不同运行模式下的除磷能力,两者的研究主要聚焦于生物除磷,后者虽能富集一定比例的反硝化聚磷菌,但脱氮效果一般。可见,有必要对CASS工艺中的反硝化除磷性能进行研究。

  本研究以实际生活污水作为处理对象,采用CASS反应器创造出适宜反硝化聚磷菌生长的条件,并且对运行参数进行优化,总结出一套运行模式以实现较好的脱氮除磷性能,为CASS反硝化除磷工艺的应用提供支持。

  1 材料与方法

  1.1 实验装置

  实验装置如图1所示,CASS反应器采用有机玻璃制作,反应器总容积17.60 L,有效容积12.00 L,排水比1:3,左侧为生物选择区,右侧为主反应区,两者容积比为1:6.5。其中,溶解氧(DO)是影响CASS反应器脱氮除磷能力的关键因素,微孔曝气头设在主反应区末端,以减轻曝气对生物选择区厌氧环境的影响。厌氧阶段和缺氧阶段采用搅拌器进行缓慢搅拌,以保证污泥处于均匀悬浮状态。

  图1 CASS工艺示意图

  1.2 测试方法

  实验中所有水样经定性滤纸过滤后进行测试,依据文献中的方法测定COD、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)、磷酸盐、硝酸盐和污泥浓度(MLSS)。COD采用重铬酸钾消解法;氨氮采用纳氏试剂分光光度法;TP和磷酸盐采用钼锑抗分光光度法;硝酸盐采用紫外分光光度法;MLSS采用滤纸称重法;pH由STARTER 2100/3C型pH计测定,DO由HANNA HI 9146型便携式溶解氧仪测定。

  1.3 运行参数

  实验所用污泥接种自北京市环境保护科学研究院MBR水处理装置,实验用水为院内实际生活污水,COD、氨氮、硝酸盐、TN、TP浓度分别为162.80~211.80、51.66~91.72、0.26~9.92、65.56~117.81、4.80~9.69 mg·L−1。C/N比参照A2/O、SBR等工艺对同步脱氮除磷的要求,通过向生活污水中添加乙酸钠调节进水C/N为5左右。

  反应器运行模式如表1所示,每周期进、出水量为4 L,由时间控制器自动控制各阶段的启动与关闭。混合液回流比为进水流量的20%,且不间断回流。通过温控器维持温度为25 ℃,SRT控制在15 d左右,稳定运行期间MLSS为4 500~6 000 mg·L−1。主反应区内DO控制在2~3 mg·L−1左右,生物选择区内DO为0.07~0.10 mg·L−1。

  表1 CASS反应器运行方式

  

  实验首先以阶段I方式运行44 d,此阶段主要用以探究CASS反应器在A/O/A/O运行模式下富集聚磷菌以及处理实际生活污水中氮、磷的能力。CASS工艺通常按进水-曝气-沉淀-排水4个阶段周期性运行,周期时间为4 h时,曝气时间设置为2 h。有些污水厂为应对TN(以氨氮为主)冲击负荷(TN为100 mg·L−1左右),采用6 h运行模式,曝气时间延长为4 h。本实验进水为高氨氮生活污水(51.66~91.72 mg·L−1),且采用间歇曝气,故参数调节以曝气时间为主。阶段II周期时间为6 h,保证较长的好氧停留时间以应对进水中的TN负荷。当达到一定的脱氮除磷能力后,反应器采用阶段II运行模式运行,至第66 天,反应器取得较好的脱氮除磷效果,并实现稳定运行。

  1.4 反硝化聚磷菌占聚磷菌比例的实验

  该实验的原理是以缺氧吸磷速率与好氧吸磷速率的比值作为DNPAOs占PAOs的比例,实验方法参照WACHTMEISTER等的设计。实验具体步骤:从稳定运行的CASS反应器中取出一定量污泥,去除杂质后加入乙酸钠溶液使COD浓度为300 mg·L−1左右,进行2 h的厌氧释磷反应。厌氧反应完成后用生理盐水清洗污泥2遍,均分为2份:一份加入KH2PO4溶液和KNO3溶液,使总磷浓度和硝酸根浓度分别为15 mg·L−1和30 mg·L−1左右,进行缺氧吸磷反应;另一份加入KH2PO4溶液,使总磷浓度为15 mg·L−1左右,进行好氧吸磷反应,控制DO浓度为2~3 mg·L−1。

  2 结果与分析

  2.1 CASS反应器对COD的去除

  进水中COD由原生活污水碳源和外加碳源(乙酸钠)构成,由于原生活污水COD浓度较低(平均浓度为181.12 mg·L−1),而氨氮浓度较高(平均浓度为83.00 mg·L−1),C/N比通常低于3,添加碳源以维持C/N比为5,有利于保证CASS工艺较好的脱氮除磷效果。CASS工艺对COD的去除效果见图2。由于采用实际生活污水,进水COD浓度波动较大,为248.00~525.00 mg·L−1,平均浓度为362.72 mg·L−1,但阶段 I和阶段 II的出水COD均比较稳定,平均浓度分别为30.41、33.08 mg·L−1。该CASS反应器在2种运行模式下均可取得较高的COD去除率,且具有较强的有机负荷抗冲击能力,这也是CASS工艺得以广泛应用的优势所在。

  图2 阶段I、阶段II COD浓度及其去除率随时间的变化

  此外,CASS反应器以A/O/A/O方式运行,在时间序列和空间序列上创造了厌氧、缺氧、好氧交替的环境,既保证了聚磷菌对厌氧、好氧环境的需要,也保证阶段I和阶段II 2种运行模式对COD的去除率达到90%以上,基本实现出水达到城市污水排放标准(GB 18918-2002)一级A标准(COD低于50 mg·L−1)。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  2.2 CASS反应器对氨氮的去除

  CASS反应器对氨氮的去除情况如图3所示。进水氨氮浓度较高,平均浓度达到83.00 mg·L−1。阶段I氨氮的去除很不稳定,去除率在18.89%~96.32%之间上下波动,平均去除率为57.72%;至阶段II,氨氮的去除率逐渐趋于稳定,维持在81.14%~99.07%之间,平均去除率为95.15%。研究证明,氨氮的去除主要依靠硝化菌的硝化作用,氨氮的去除效果与曝气时间也密切相关。在阶段I,由于周期时间较短(4 h),曝气时间为1 h,难以实现对高浓度氨氮的去除。在阶段 II,周期时间为6 h,在保证DO为2~3 mg·L−1前提下,曝气时间延长到3 h,达到一般CASS工艺的要求。结果显示,采用阶段II运行模式之后,氨氮的去除率降幅明显,阶段II能够实现高氨氮生活污水中氨氮的稳定去除,出水浓度基本可达到城市污水排放标准(GB 18918-2002)一级A标准(氨氮低于5 mg·L−1)。

  图3 阶段I、阶段II氨氮浓度及其去除率随时间的变化

  2.3 CASS反应器对TN的去除

  原生活污水中TN浓度为65.56~118.61 mg·L−1,平均值为85.30 mg·L−1,成分主要以氨氮为主。硝氮浓度较低(0~9.92 mg·L−1),平均浓度2.15 mg.L−1,不会对聚磷菌的释磷作用产生明显影响。TN去除情况如图4所示。阶段I去除率变化幅度较大(1.76%~76.89%),平均值为40.14%,其原因可归结为曝气量的变化和进水TN浓度的变化所致。至阶段II,反应器稳定控制参数,污泥浓度稳定在4 500~6 000 mg·L−1,TN去除率逐渐趋于稳定,最高去除率95.48%,最低去除率57.83%,平均去除率82.17%,稳定运行期平均出水浓度为11.58 mg·L−1,基本达到城市污水排放标准(GB 18918-2002)一级A标准(TN低于15 mg·L−1)[21]。

  2.4 CASS反应器对总磷的去除

  图5是总磷浓度的变化情况,进水浓度为4.80~9.69 mg·L−1,平均值7.02 mg·L−1。阶段I污泥浓度较低,浓度为3 372~3 715 mg·L−1,为提高污泥浓度,初始23 d不进行排泥,出水总磷浓度变化幅度较大,为0.20~14.88 mg·L−1,平均浓度为4.96 mg·L−1,表现出一定的除磷能力。该阶段共运行44 d,运行数据表明系统在A/O/A/O运行模式下得以迅速富集一定比例的聚磷菌。阶段II稳定运行条件,正常排泥,维持污泥浓度为4 500~6 000 mg·L−1,15 d后总磷浓度趋于稳定,出水浓度为0~0.55 mg·L−1,出水总磷平均值为0.07 mg·L−1。

  磷的去除受泥龄的影响最大,有必要保证稳定的排泥并且保持较高的污泥浓度(4 500~6 000 mg·L−1)。此外,严格控制曝气量的大小(DO 2~3 mg·L−1),避免过度曝气对生物除磷的影响[23];CASS反应器生物选择区的设置有效地加强了脱氮,一定程度上减轻了硝态氮对释磷作用的影响。阶段 II能够实现稳定的除磷性能,也与主反应区中非曝气段的设置有关,非曝气段有利于聚磷菌的富集。

  图4 阶段I、阶段II TN浓度及其去除率随时间的变化

  

图5 阶段I、阶段II TP浓度及其去除率随时间的变化

  2.5 反硝化聚磷菌的比例及硝酸盐与磷酸盐去除关系的测定

  污泥的释磷/吸磷实验在实验室温度22 ℃下进行。由图6可知,缺氧吸磷反应和好氧吸磷反应主要发生在前90 min,前30 min缺氧速率和好氧速率比较接近,可能与溶液中DO有关;之后好氧聚磷占据优势,好氧吸磷速率与缺氧吸磷速率拉开差距。好氧吸磷污泥与缺氧吸磷污泥的污泥浓度分别为3 500 mg·L−1和3 400 mg·L−1,计算前90 min的好氧吸磷速率和缺氧吸磷速率分别为2.25 mg⋅ (g⋅h)−1(以MLSS计)和1.80 mg· (g·h)−1(以MLSS计),得出反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例为80.00%。该富集比例与张智谋等报道的CAST中81.10%、77.10%和79.70%以及李慧等采用SBR得出的80.68%相当,高于A2N2双污泥系统中67.81%。结果表明,该CASS工艺可实现一定比例反硝化聚磷菌的富集,且操作简单,相比A2N-SBR、A2/O等改良工艺具有一定的优势。

  通过进行多组释磷/缺氧吸磷实验,得出磷酸盐的吸收量与硝酸盐的去除量之间的关系(见图7)。对图7中数据进行线性拟合分析,得出磷酸盐吸收量是硝酸盐去除量的1.139 8倍,R2=0.964 2。考虑到溶液中可能存在的DO和COD对缺氧反硝化吸磷的影响,可推知硝酸盐的去除量与磷酸盐的吸收量呈线性关系。该结果与杨文婷等研究得到的结果(磷酸盐吸收量是硝酸盐去除量的1.213 8倍,R2=0.982 8)相当。此外,该结果同时也表明CASS在阶段 II稳定运行期间的污泥具有良好的反硝化除磷能力,可维持一定比例的反硝化聚磷菌。

  图6 好氧吸磷、缺氧吸磷实验中TP浓度随时间的变化

  

图7 硝酸盐去除量与磷酸盐吸收量之间的关系

  3 结论

  1)实验采用CASS工艺,以实际生活污水作为处理对象,在A/O/A/O运行模式的基础上调节运行参数,创造出适宜反硝化聚磷菌生长的条件,实现了较好的脱氮除磷效果,稳定运行近2个月,出水COD、TP、TN、氨氮去除率平均值分别为90.47%、99.09%、84.71%、95.02%,基本达到城市污水排放标准(GB 18918-2002)一级A标准。

  2)在实现CASS反应器稳定运行的同时,反硝化聚磷菌得到一定程度的富集,经测试,DNPAOs占全部聚磷菌的比例为80.00%,且稳定运行阶段的污泥对硝酸盐和磷酸盐的去除呈较好的线性关系。

  3)曝气量、污泥浓度是影响CASS工艺运行的重要影响因素,较低的曝气量、较高的污泥浓度有利于实现较好的同步脱氮除磷。在富集DNPAOs方面,A/O/A/O模式中好氧段的参与可有效控制反硝化菌的生长,有利于维持较高的DNPAOs比例,避免常规SBR工艺A/A模式运行下除磷能力的减弱。(来源:环境工程学报 作者:刘康)

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