王磊

(中国市政工程西北设计研究院有限公司山东分公司,山东 青岛 266000)

工作目的是研究一种反硝化效果优良的新型混合碳源,并研究投加该碳源和化学除磷剂后对冬季污水(7～10 ℃)氮磷的处理效果。

污水中VFAs含量与脱氮除磷效果,在适当的范围内具有显著的正相关关系[1-2]。在进水水温低于10 ℃时,由于微生物活性降低以及碳源争夺,TN去除率显著降低[3-4]。同时出水氨氮有所上升。[5]外加碳源可以显著提升VFAs,增强微生物代谢。

周丽颖[6]和赵庆彬[7]的研究中指出,乙酸钠做单一碳源强化反硝化能力比葡萄糖好。程喆[8]指出,微生物可以同时利用混合碳源中多种 VFA 以及碳水化合物进行反硝化,脱氮效果比单一碳源好。杨婷[9]的研究表明,乙酸钠和葡萄糖按物质的量2∶1的混合碳源处理废水具有一定的经济效益。目前水厂外加碳源大多采用葡萄糖和乙酸钠,而针对二者所制混合碳源反硝化性能研究极少,对混合碳源与除磷剂联用对污水处理效果也很少报道,本研究希望充实这方面的内容,并且探索出效费比最佳的去除污染物的方法。

1 实验部分

1.1 反硝化实验

1.1.1 实验原料

某城市污水处理厂进水原水,曝气池末端混合液,乙酸钠固体(分析纯),葡萄糖固体(分析纯)。原水和混合液的主要指标如表1所示。

表1 主要指标表

1.1.2 实验装置

本试验采用静置实验,实验装置为5个有效容积为4 L圆柱形有机玻璃容器和19.1型恒温磁力搅拌器。

1.1.3 分析仪器

752型紫外可见分光光度计,COD消解仪,SX2-4-10箱式电阻炉,XFS280手提式压力蒸汽灭菌器,101型电热鼓风干燥箱,温度计,pH计,量筒等。

1.1.4 分析方法

COD采用重铬酸钾法,TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,硝酸盐氮采用酚二磺酸分光光度法,亚硝酸盐氮采用分子吸收分光光度法,MLSS和MLVSS采用重量法。水温用温度计测定,pH值用pH计测定。

1.1.5 实验方法

碳源储备液的制备:分别将单一的乙酸钠,单一的葡萄糖,葡萄糖与乙酸钠物质的量比分别为1∶3 ,1∶5.5和1∶7的混合碳源制备50 g·L-1的COD储备液,编为1～5号,方便实验时投加。

将反应容器编号为1～5号,以对应投加的碳源类型。每个容器中先加入1 L污水原水,再加入2 L曝气池末端混合液。然后以C与N物质的量比7的量投加COD储备液。通过恒温磁力搅拌器进行混合搅拌,控制搅拌器转速为30 r·min-1,恒速搅拌60 min。每隔10 min测一次NO3-N浓度并记录。

1.2 某水厂情况介绍

1.2.1 水厂工艺

某水厂的改良型AAO工艺图如图1所示。进水原水按照7∶3的比例分别流入预缺氧池和厌氧池,回流比为75%的回流污泥从沉淀池流入预缺氧池,污泥和污水汇总流入缺氧池,同回流比为200%的回流硝化液在反硝化菌和聚磷菌作用下进行反硝化反应和吸磷,然后进入曝气池进行硝化反应和吸磷,最后经过沉淀池沉淀后排出。

图1 水厂工艺图

1.2.2 分析仪器与分析方法

同反硝化实验部分。

1.2.3 外加碳源和除磷剂情况

为进一步验证反硝化实验的研究结果,某水厂于2020年9月-2021年2月进行了为期6个月的生产性试验。同时外加除磷剂辅助除磷。

按照总COD/TN物质的量比为10,投加1∶5.5物质的量比的葡萄糖和乙酸钠混合型碳源,投加位置在缺氧池首端,将碳源溶于水后进行连续性投加,缺氧池HRT为7.16 h。

以35 mg·L-1的浓度在曝气池首端投加聚合FeCl3溶液,20 mg·L-1的浓度在沉淀池末端投加聚合AlCl3溶液,曝气池HRT为8.92 h,沉淀池HRT为2 h。

2 结果与讨论

2.1 反硝化实验结果与讨论

试验期间,5个反应器内NO3-N浓度随时间变化情况如图2所示。

图2 NO3-N浓度变化图

图2中采样数据显示,外加碳源加入后,NO3-N去除情况明显出现三个分区[10]。第一阶段反硝化菌首先利用混合液中易被生物降解的有机物作为碳源进行反硝化,NO3-N降幅最大的是1号和4号,达到55%左右。最低的是2号,降幅为37%。

第二阶段下降平稳,该阶段中反硝化菌优先利用较易降解的有机物,4号中NO3-N的去除率降幅最大,达到20%,其他组降幅基本都在15%左右。

第三个阶段30 min处各组NO3-N浓度基本停止变化,主要因为污水中可被降解的有机物已被耗尽,此时主要依靠内源反硝化作用[11]。

整个实验中反硝化速率最低的是葡萄糖,为2.13 mg/(g·h),最高的是采用1∶5.5物质的量比例的葡萄糖和乙酸钠混合碳源,其反硝化速率为2.85 mg/g·h,接近乙酸钠的反硝化速率2.69 mg/(g·h),为葡萄糖的1.34倍。随着乙酸钠物质的量比例大于5.5,反硝化速率反而降低。

葡萄糖是微生物细胞组成成分之一,可以促进微生物生长,而乙酸钠较葡萄糖更容易水解,被反硝化菌利用进行新陈代谢,当二者按照1∶5.5的比例混合时,碳源可以达到促进反硝化菌增殖和代谢的最佳比例。其反硝化速率比金学文[12]等以焦化废水为原水,以1∶4物质的量比例的葡萄糖乙酸钠混合碳源反硝化速率高21.4%。当乙酸钠比例进一步上升时,反硝化速率不升反降,可能因为两种碳源对水体pH值影响相反,进一步投加乙酸钠会导致水体碱度上升,超过最适pH值,从而抑制反硝化菌。

2.2 水厂氮磷去除情况

2.2.1 出水SS去除情况

试验期间进水SS均值为94.93 mg·L-1,出水SS均值为7.81 mg·L-1。由于聚合FeCl3和聚合AlCl3的加入增强了污水絮凝性能,能够捕捉并更好地将颗粒物沉降,因此能够协助降低SS值。

2.2.2 氨氮去除情况比较

将试验期间各月进出水氨氮均值与上一年同期氨氮均值作比较,情况如图3所示。

图3 氨氮去除情况

碳源加入前后氨氮去除情况基本未改变,出水平均值都低于1 mg·L-1,达到一级A标准。可以看出外加碳源不能影响低温污水硝化性能以及氨氮的去除。其原因是参加硝化反应的硝化菌是以溶解性CO2为碳源的自养菌,除了少部分兼性菌外绝大部分不能利用有机物为碳源。外加碳源经过缺氧池异养菌利用后已经不能显著影响曝气池微生物群落结构,未出现异养菌大量增殖以排挤自养菌的现象。

2.2.3 COD去除情况比较

试验期间各月进出水COD均值与上一年同期COD均值比较,情况如图4所示。

图4 COD去除情况

在两期进水COD浓度变化幅度很小的情况下,可以看出加药后出水COD降低了10～15 mg·L-1,去除率也提高了6%。这一方面是因为混合型碳源提高了VFAs,更容易被异养菌吸收,促进了异养菌增殖和代谢,改善了污泥性能,一定程度缓解了低温对微生物的影响,而且此时未出现COD过量的现象。另一方面是因为在曝气池首端投加的聚合氯化铁,不仅能够氧化部分难降解的有机物,而且生成的Fe(OH)3又具有电荷中和絮凝作用,能够网捕卷扫大部分有机物以沉淀形式去除[13]。而且沉淀后的污水经过聚合氯化铝进一步絮凝作用后可以将大部分难溶有机物去除。

2.2.4 TN去除情况比较

试验期间各月TN去除率与上一年同期比较情况如图5所示,出水NO3--N和NO2--N情况如图6和图7所示。

图5 TN去除率变化情况

图6 出水NO3--N变化情况

图7 出水NO2--N变化情况

刘弯弯[14]等指出,铁盐质量浓度在20～60 mg·L-1时不会对污泥的活性产生显著影响。因此只需考虑外加碳源对脱氮的影响即可。

两期相比进水TN浓度浮动低于15%的情况下,投加混合型碳源后出水TN比未投加时下降了28.6%;TN去除率达到了47.3%,比未投加时增加了25.67%;最高去除率达到了50.6%。在10月～1月期间,两期的进水水温都是7～10 ℃的低温进水,未加碳源时TN去除率从25%下降到最低14.5%,而投加碳源后TN去除率基本保持在45%左右。

根据出水NO3--N和NO2--N的变化情况,投加碳源后出水NO3--N平均要比未投加时低5.5 mg·L-1。从10月份开始,未外加碳源组因温度下降,反硝化菌活性降低,碳源不足,出现不完全反硝化,部分NO3--N在硝酸盐酶的作用下转化为 NO2--N, NO3--N去除率下降,出现了明显的NO2--N累积情况,最高累积到1.5 mg·L-1。与此相比外加碳源组同期NO2--N累积量只有0.64 mg·L-1,12月～次年1月降幅达到了67.2%,最低的累积量为0.22 mg·L-1。随后NO3--N稳定降低,降幅趋缓。

同期实验证明了低温条件下缺氧池污泥反硝化能力因外加混合型碳源的加入而得到提升,反硝化菌活性得到提升,减缓了亚硝酸盐积累程度,同时碳源增加后可以有效避免了各菌群之间的争夺现象,出水TN达到一级A标准。

2.2.5 TP去除情况比较

试验期间TP去除率和上一年同期情况对比如图8所示。

图8 TP去除率情况

投加化学除磷剂后,TP去除率超过了85%,比上一年度同期增加了10%,出水TP稳定达到一级A标准。两期的TP去除率变化情况都显示出随着温度降低,TP去除率先降后升的变化。该情况与Erdal[15]和李楠[16]的研究一致,即:当温度从9月降低到10月,TP去除率是随温度下降而下降的,当低温状态稳定后的10月～1月,低温导致活性污泥微生物群落中更加富含PAOs,系统除磷效果更好。温度低于10 ℃时PAOS相对于其他非聚磷微生物具有竞争优势。

投加除磷剂后TP去除率变化与未加时曲线相似,可以看出加药后TP去除率与原本的絮凝沉降作用相关性很大。对此可以推测为化学除磷剂溶于水形成的单核络合物通过吸附附着了PAOs的胶体,中和胶体电荷,促进胶体和悬浮物快速脱稳,对生物除磷起了辅助作用,而其形成铁磷酸盐和铝磷酸盐沉淀的化学反应居于次要地位。

通过生产性试验可以看出,在磷的排放标准比较严格而单纯依靠生物处理难以达标的情况下,化学法除磷的地位仍然不可替代,仍然有必要加强化学除磷的研究。化学除磷的发展方向将是开发应用新的化学药剂;将化学法与生物法结合起来,扬长避短;联合投药[17]。

3 结论

(1)C与N物质的量比7,MLVSS质量浓度为4 000 mg/L,温度为18 ℃的情况下,乙酸钠与葡萄糖组成的混合型碳源中,葡萄糖与乙酸钠物质的量比1∶5.5时的混合碳源强化反硝化能力最好,该比例下二者对污泥微生物的反硝化提升效果好,pH值适中。

(2)在冬季低温进水情况下,改良型AAO工艺采用外加混合型碳源和化学除磷剂,可以提升TN,TP和COD去除率,使出水中三个指标稳定达到一级A标准。对比单一碳源,混合型碳源能够降低至少15%的经济成本。

(3)化学除磷剂使用时间越久,水厂环境对其依赖性越大,越不利于生物除磷,因此今后应该研发更环保的生物除磷方法。