變頻控制DO條件下溫度對中試SBR脫氮除磷的影響

顧升波,王淑瑩,楊 培,李凌云,李 論,楊 慶

(北京工業(yè)大學 a.環(huán)境與能源工程學院;b.北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京100124)

近20年來,SBR法已經(jīng)得到廣泛應用,主要用于間歇排放的工業(yè)廢水和中小型城鎮(zhèn)污水的處理[1-3]。作為污水處理系統(tǒng)的重要運行參數(shù)之一,溫度在很大程度上影響著污水處理系統(tǒng)的處理效率。實際污水處理過程中,溫度是隨著季節(jié)更替而不斷變化的,水溫不僅影響著污泥微生物的比增長速率,活性和沉降性能,而且會影響曝氣裝置供氧的傳遞效率。因此,冬季運行過程中,SBR污水處理廠可能會出現(xiàn)硝化效果差,曝氣時間長等現(xiàn)象[4]。這些現(xiàn)象都不利于SBR污水處理的節(jié)能降耗。為了能夠最大限度地實現(xiàn)節(jié)能降耗,很多污水處理廠開始采用變頻技術對鼓風機進行改造,實現(xiàn)鼓風機的變頻控制,變頻控制能夠有效地節(jié)省曝氣階段供氧量,避免不必要的能源浪費。楊岸明等[5]研究了變頻控制下中試SBR系統(tǒng)在不同恒DO水平下的脫氮性能和節(jié)能效果,同時考察了頻率作為過程控制參數(shù)的可行性。然而,目前為止還沒有關于溫度對變頻控制條件下SBR中試系統(tǒng)脫氮除磷效果影響的研究報道。

試驗采用變頻技術控制SBR工藝曝氣階段DO恒定,在此條件下分別考察溫度對中試SBR系統(tǒng)的硝化速率、反硝化速率、吸磷速率、放磷速率、耗電量的影響,從動力學角度分析溫度對SBR脫氮除磷性能的影響機理,并分析了不同溫度下變頻控制DO濃度對SBR曝氣階段耗電量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗用水及分析方法

試驗所用種泥取自北京某城市污水處理廠,試驗所用生活污水取自北京工業(yè)大學家屬區(qū)化糞池,該水質(zhì)C/N比較低,具體水質(zhì)指標如表1所示。系統(tǒng)每天進水量相同。試驗啟動階段為期1個月,待系統(tǒng)具有良好生物脫氮功能后開始跟蹤測定。

試驗中的分析方法均采用中國規(guī)定的標準方法[6]。水樣經(jīng)過過濾后測定,項目包括堿度等水質(zhì)指標。TN、TC、TOC和 TIC通過TN/TOC分析儀(Multi N/C3000,德國耶拿)測定。采用 WTW測定儀及相應探頭在線監(jiān)測反應器內(nèi)DO、ORP和p H值。變頻裝置利用ABB公司ACS350型號變頻器對回轉式鼓風機進行變頻控制,實現(xiàn)DO和頻率f兩者之間的閉環(huán)控制。

表1 試驗水質(zhì)特性

1.2 試驗裝置及運行方式

中試裝置位于北京工業(yè)大學校園內(nèi),反應器容積為8.8 m3,采用微孔曝氣,如圖1所示。SBR反應周期分為5個階段:進水0.25 h,曝氣6～10 h,攪拌1～2 h,沉淀2 h,潷水0.5 h,閑置階段。曝氣和攪拌階段隨進水水質(zhì)和溫度等因素變化而變化。閑置階段可長可短,根據(jù)各周期反應階段長度而相應改變。反應階段通過實時控制系統(tǒng)進行在線控制。具體運行方式如下:進水完成后,啟動鼓風機進行曝氣,曝氣過程中DO與變頻器構成了閉環(huán)控制回路,通過DO信號(4～20 mA電流)的大小調(diào)節(jié)風機電機工作頻率,以實現(xiàn)風機鼓風量的自動調(diào)節(jié)。反應過程中在線檢測DO、p H值、ORP及變頻器頻率 f。控制系統(tǒng)實時識別出pH或頻率f曲線上指示硝化結束的變化點,及時停止曝氣;風機關閉之后開啟攪拌器,同時啟動加藥泵為系統(tǒng)補充外碳源進行反硝化,攪拌階段通過識別p H曲線上‘硝酸鹽峰'變化點控制攪拌時間。反應全部結束之后按照設定的時間進行沉淀,然后通過潷水器排水,排水完成后進入閑置階段等待進入下1個周期。

圖1 SBR中試裝置示意圖

SBR系統(tǒng)的平均MLSS控制在2 000 mg/L左右,SRT為15～18 d,變頻器的DO濃度設定值控制在2.0 mg/L水平。由于采用中試規(guī)模SBR作為研究對象,反應器液相溫度無法采取人為控制方式,但反應器液相溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化,因此試驗中考察的各個溫度是通過環(huán)境溫度變化引起的反應器液相中水溫變化而得到的。

2 試驗結果與分析

2.1 中試SBR處理生活污水脫氮除磷的性能

圖2是中試SBR系統(tǒng)長達200 d的長期運行結果。在水溫從26℃到11℃范圍內(nèi)變化時,SBR系統(tǒng)性能仍能維持相對穩(wěn)定且具有較好的NH 4+-N、PO43--P、COD 去除率,NH 4+-N、PO43--P、COD平均去除率分別達到89.7%,95.4%和81.4%以上。相比之下,NH 4+-N去除率更容易受到溫度變化的影響,在第95 d到115 d之間,NH4+-N去除率急劇下降,當溫度降到14℃以下時NH4+-N去除率明顯降低,特別是水溫降到11℃時NH 4+-N去除率降到47.2%左右。之后隨著溫度逐漸回升,污泥的活性和系統(tǒng)的脫氮性能也逐漸恢復到原來的水平。

圖2 中試SBR脫氮除磷性能隨時間的變化規(guī)律

2.2 溫度對硝化過程的影響

研究表明:生物硝化反應在4～45℃的溫度范圍內(nèi)進行,溫度不僅影響硝化菌的比增長速率,而且影響硝酸菌的活性,硝化過程對溫度的變化最為敏感[7]。試驗中,溫度為20℃時的硝化效率是11℃時的1.8倍,相比之下,Kim D等[8]發(fā)現(xiàn)30℃時的硝化效率是10℃的3倍。由此可見:溫度對系統(tǒng)脫氮性能影響很大。

圖3分別總結了不同溫度范圍(11～26℃)內(nèi)比氨氧化速率變化規(guī)律,其中各溫度下的比氨氧化速率值均為SBR系統(tǒng)運行10個周期以上的平均值。參考Blackburne等[9]提出的溫度與硝化菌活性的經(jīng)驗關系式,經(jīng)過適當修正,得到與試驗數(shù)據(jù)擬合性較好的擬合方程。

其中μT為溫度為T℃時,系統(tǒng)的比氨氧化速率,單位kgNH4+-N?kgMLSS-1?d-1;T為 反應器液相的水溫,單位℃。

從圖3中可以看出,SBR系統(tǒng)的比氨氧化速率與溫度成指數(shù)增長關系,20℃時比氨氧化速率是0.047 kgNH4+-N ?kgMLSS-1?d-1,是 11℃時比氨氧化速率的1.8倍。相比之下,Kim等[10]指出30℃的亞硝化速率是10℃時的2.6倍。由此可見,溫度每增加10℃,硝化速率大約增加1倍。試驗結果顯示:溫度在11℃～26℃之間范圍內(nèi),硝化反應受溫度的影響很大,特別是低溫(11～18℃)運行條件下,硝化速率下降從而導致曝氣時間的延長,既增加了曝氣階段的運行費用,又延長SBR系統(tǒng)的周期長度,降低SBR系統(tǒng)的日處理量。

圖3 比氨氧化速率隨溫度的變化規(guī)律

2.3 溫度對反硝化過程的影響

溫度對反硝化速率的影響由以下方程式表示[11]:

式中:qD,T為溫度為T℃時反硝化速率;qD,20為20℃時反硝化速率,單位為θ為溫度系數(shù),1.03～1.15。根據(jù)試驗得出的反硝化速率,利用上式可以得出中試系統(tǒng)的活性污泥的溫度系數(shù)范圍為0.94～1.19,平均值為1.09。

研究表明:溫度是制約反硝化反應的一個重要因素,溫度越高,反硝化菌的活性越好,對污水中硝酸鹽的轉化就越好。圖4總結了不同溫度下微生物比反硝化速率的變化規(guī)律,其中各個溫度下的比反硝化速率值均為SBR系統(tǒng)運行10個周期以上的平均值。由圖4可知,在投加碳源充足的前提下SBR系統(tǒng)的比反硝化速率隨著溫度的增加而呈指數(shù)性增長趨勢。利用方程式(2)對圖4數(shù)據(jù)進行擬合,取得較好的擬合效果。圖4結果顯示:20℃的比反硝化速率 0.571 kgNO3--N?kgMLSS-1?d-1,是11℃時的比反硝化速率的2.2倍。這與Yang等[12]研究結果幾乎一致,不同之處在于試驗得出的反硝化速率值在0.025～0.663 kgNO3--N?kg MLSS-1?d-1之間波動,是其試驗結果的一半。主要原因在于試驗采用SBR傳統(tǒng)硝化工藝,而Yang等[12]采用短程硝化反硝化工藝。由此可見,與短程硝化新工藝相比,傳統(tǒng)硝化工藝對溫度變化更敏感。

圖4 比反硝化速率隨溫度的變化規(guī)律

2.4 溫度對生物除磷過程的影響

溫度對釋磷速率的影響遵循 Arrhenius方程[13],可用如下方程式表示:

其中:k為反應速率常數(shù);Ea為反應所需的活化能,J/mol;T為熱力學溫度,K;A為頻率因子;R為摩爾氣體常數(shù)8.31 J/(K?mol)。

利用試驗所得出的釋磷速率,進行線性回歸分析計算,可以得出活性污泥釋磷反應所需要的活化能為39.51k J/mol。一般來說,活化能越大,微生物對溫度變化越敏感,即溫度波動直接影響微生物生長和代謝過程。

由圖5可知,在11℃時,微生物的比放磷速率為0.132 kgPO43--P?kgMLSS-1?d-1,比吸磷速率為0.016 kgPO43--P?kgMLSS-1?d-1;隨著溫度的增加,比放磷速率和比吸磷速率逐漸上升,但是溫度增加至20℃以后,比放磷速率和比吸磷速率增長緩慢,分別維持在0.25 kgPO43--P?kgMLSS-1?d-1和0.05 kgPO43--P?kgMLSS-1?d-1水平不變。姜體勝等[14]發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加,釋磷和吸磷速率變化較小,認為溫度對除磷的影響較小。Bao等[15]和Liu等[16]分別在10℃和12.2℃條件下獲得穩(wěn)定的除磷效果。然而Oehmen A等[17]卻認為活性污泥中的群落結構隨著溫度而變化,聚磷菌能夠通過改變其新陳代謝途徑在低溫(5℃)條件下達到較高的除磷性能以及在系統(tǒng)活性污泥種群中占據(jù)相對優(yōu)勢地位,而在常溫(20℃)條件下卻無法得到類似結果。由此可見,溫度對生物除磷過程的影響機理還需要進一步深入研究。

2.5 溫度對曝氣階段耗電量的影響

試驗過程中,反應器曝氣階段DO濃度通過變

圖5 不同溫度下的比吸放磷速率變化規(guī)律

頻器的變頻控制始終維持在2.0 mg/L左右。在維持DO濃度始終停留在2.0 mg/L的前提條件下,考察溫度對中試SBR系統(tǒng)曝氣階段能耗的影響。根據(jù)不同溫度下噸水耗電量的變化規(guī)律,進行線性回歸分析,得到相關性良好的線性回歸方程式,如圖6所示。在11～26℃溫度范圍內(nèi),溫度與SBR系統(tǒng)噸水耗電量呈反相關性。主要原因在于低溫抑制活性污泥的活性,導致曝氣階段反應時間大大延長,同時低溫下氧傳遞系數(shù)下降,引起氧傳質(zhì)速率降低,從而導致風機供氧量增加。因此,溫度是影響變頻條件下SBR系統(tǒng)能耗的重要因素之一。在實際的運行過程中,必須考慮溫度的影響,來及時調(diào)整SBR周期的運行時間。

圖6 不同溫度下的噸水耗電量的變化規(guī)律

3 結論

1)SBR中試系統(tǒng)在為期200 d的運行過程中,水溫(11～26℃)范圍內(nèi),處理時間為5～8 h左右,系統(tǒng)維持良好的營養(yǎng)物去除性能,氨氮、磷酸鹽和COD平均去除率分別達到89.7%、95.4%和81.4%以上。

2)與生物除磷和有機物去除過程相比,SBR系統(tǒng)脫氮過程對溫度的變化更為敏感。當水溫降低到18℃以下時,SBR系統(tǒng)脫氮效率開始下降,同時能耗也開始上升。根據(jù)Arrhenius方程擬合的硝化反硝化經(jīng)驗關系式能較好地預測不同溫度下硝化反硝化速率。

3)水溫在11～26℃范圍內(nèi)變化時,SBR中試系統(tǒng)曝氣階段噸水耗電量隨溫度增加而逐漸下降,且下降速度減緩。主要原因可能由低溫污泥活性下降,引起反應速率下降,從而延長曝氣時間,導致曝氣費用增加。

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