顾 倩 吕锡武 史 静 李 洁

(1东南大学能源与环境学院,南京 210096)(2无锡太湖水环境工程研究中心,无锡 214000)

生物除磷是相对经济、效果较好的除磷技术[1],但是原水中碳源不足是生物除磷的主要障碍之一,同时生物方法是通过排出的富磷剩余污泥来除磷,不仅造成二次污染,也是对磷资源的浪费．近年来,将化学与生物方法相结合的除磷工艺已成为研究热点[2-5],利用化学除磷不仅减轻了除磷脱氮过程中由于碳源短缺而造成的生物除磷负担,又能达到回收磷的作用,实现资源化利用[6-7]．

本文将双污泥反硝化除磷工艺与诱导结晶工艺相结合．在双污泥工艺中,反硝化聚磷菌利用硝态氮作为最终电子受体进行反硝化聚磷,为了使硝化菌和聚磷菌有良好的生长环境，将其在2个独立的反应器中培养[8]．羟基磷酸钙诱导结晶技术是基于诱导成核的原理,将投加矿物粒子作为晶种，加快晶体成核速度,促进羟基磷酸钙在晶种表面结晶,得到纯度高且易于分离的结晶产物,直接用于工业生产[9-10].将2种工艺有机结合可取得提高除磷脱氮效率和有效回收磷资源的双重效益.

本文利用SBR双污泥-诱导结晶工艺,重点研究加药量对诱导结晶磷回收量的影响、诱导结晶回收量对双污泥生物除磷系统的强化作用及其影响程度．

1 试验材料与方法

1.1 工艺流程

SBR双污泥-诱导结晶工艺(A2N-IC SBR)的流程见图1．本研究中双污泥工艺由厌氧/缺氧间歇反应器(anaerobic/anoxic SBR,A2SBR)与硝化间歇反应器(nitrification SBR,N SBR)构成,在A2SBR中设置后置曝气装置,2个SBR生物反应器由有机玻璃制成,有效容积均为10 L,容积交换比为65%，即2个SBR互相交换的水占反应器有效容积的体积分数为65%.在A2SBR中设有搅拌器和曝气头,在N SBR中设有曝气头.诱导结晶间歇式反应器(induced crystallization SBR,IC SBR)由有机玻璃制成,有效容积为1.3L,设有均匀布气装置和连续加药装置．

图1 SBR诱导结晶-双污泥除磷脱氮工艺流程图

1.2 接种污泥和试验用水

双污泥SBR系统的活性污泥取自500L/d的连续流双污泥-诱导结晶除磷脱氮中试装置,双污泥分别表现出良好的反硝化聚磷和硝化功能．进水采用人工配水,投加乙酸钠、脲素、磷酸二氢钾和碳酸氢铵等,碳磷质量比控制在30左右,进水中COD,TP,NH3-N和TN质量浓度分别为250,8,45和50mg/L．诱导结晶单元选择经过预处理后的100～150目的方解石作为晶种[11],投加量为40g,将氯化钙作为沉淀剂,考虑到自来水中含有Ca2+,Mg2+等离子,所以沉淀剂采用超纯水配置,进药量和进水量体积比为1∶10．

1.3 水质指标与分析方法

水质指标按照国家环保总局颁布的标准分析方法测定,监测指标和检测方法见表1．

表1 监测指标与检测方法

1.4 试验方法和检测方法

1.4.1 进药量对磷回收量的影响

1.4.2 结晶磷回收量对反硝化除磷的强化作用

通过改变加药量来提高结晶磷回收量,从厌氧释磷量、聚磷量与释磷量之比和反硝化聚磷等方面考察提高结晶磷回收量对双污泥生物系统的强化作用．

表2 A2N-IC SBR试验条件

2 实验结果与分析

2.1 加药量对磷回收量的影响

由于采用加药量与进水量的体积比为1∶10,即出水体积与进水体积不同,所以推导结晶柱内回收率公式为

(1)

整理得

(2)

式中,R为磷结晶率;Cin,Cout为进水和出水的磷浓度;Vin为进水体积．

图2 不同对磷结晶回收率的影响

2.2 结晶回收磷对双污泥反硝化除磷的强化作用

根据工艺流程可知,提高结晶磷回收率会降低反硝化聚磷段进水磷负荷,聚磷反应能否正常进行又会影响到下一周期的厌氧释磷反应,故需要考察提高结晶磷回收率对厌氧释磷的影响．由试验结果可知,30个周期平均释磷量分别为13.32,13.89,12.98,13.24mg/L,可见厌氧释磷量并没有随着结晶磷回收率的大幅提高而有明显变化,说明提高磷的结晶量并不会对厌氧释磷效果有较大的影响.这是由于生物反应器内MLSS变化不大,聚磷菌的数量变化很小,且进水碳磷比较稳定,因此厌氧释磷量也变化不大．

生物聚磷量和释磷量之比的计算式为

(3)

式中,θ为聚磷量与释磷量之比;N为聚磷量;M为释磷量;QT,QAn,QA,QIC分别为进水磷含量、厌氧释磷量、反硝化聚磷量和结晶磷回收量．

在本试验中,释磷量与结晶磷回收率关系不大,而随着结晶回收率的提高,聚磷量与释磷量之比从1.51降至1.24,比值越接近1表明生物除磷作用越小[17],这是由于厌氧释磷后环境中的一部分磷通过化学方法得以去除,减轻了反硝化聚磷的负担,从而在进水碳磷比较低的水平下保证了出水水质.另一方面通过诱导结晶工艺得到了磷结晶产物,宏观上强化了整套工艺的除磷效能．图3为4种加药量下结晶磷回收量对聚磷量与释磷量之比的影响.

图3 结晶磷回收量对聚磷量与释磷量之比的影响

图4(b)比较了4种工况下,在反应时间段0～15,15～30,30～60,60～90min中缺氧段的比聚磷速率随时间的变化,利用下式计算比聚磷速率:

(4)

式中,ν为比聚磷速率;Δρ为比浓度差;Δτ为反应时间．

在反应时间0～15min时间段内,结晶回收量越多比聚磷速率越低.分析认为,缺氧段进水磷浓度越高,则磷在外界与微生物体内的浓度梯度越大,越有利于微生物进行反硝化聚磷反应．在反应时间15～30min时间段内,4种反应速率接近,但钙磷摩尔比为3∶1的反应速率高于其他工况,这是由于硝氮的浓度较高,加快了反硝化比聚磷速率．反应前期比聚磷速率明显高于反应后期,反硝化聚磷反应主要在反应前30min完成,反应至30min之后,比聚磷速率均趋于0,反硝化聚磷反应基本停止．

图4 提高结晶磷回收量对反硝化聚磷的影响

3 结论

3) 在反硝化聚磷反应前期,磷结晶回收量越大,反硝化比聚磷速率越小,随着环境中磷浓度的降低,比聚磷速率减小,30min后4种工况下聚磷反应均趋于停止．因此,在保证缺氧段适当反应时间的前提下,诱导结晶回收磷并不会对双污泥反硝化除磷产生负面影响．

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