嵌入式旁路污泥減量污水處理系統研究

晏 鵬 ,吉芳英 *,王 靜 ,范劍平 ,顏達超 (.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400045；.重慶建筑工程職業學院建筑工程系,重慶 400039)

近年來,隨著城市污水的快速增長和污水處理廠排放標準的越來越嚴格,剩余污泥的產量也同步快速增加[1-3].大量未穩定處理的污泥已成為城市污水處理廠的沉重負擔和環境的嚴重威脅[4].如何在污水處理過程中最大限度的減小污泥產量(污泥過程減量化技術)已成為近幾年研究的重點[5-11].但目前眾多的研究處于實驗室小試的探索性階段,中、大規模的污泥減量工程示范較少,其研究結論存在著一定的差異性和不確定性.另一方面,在中國大多數污水處理廠為了節約成本和保證脫氮除磷所需的碳源,通常取消了初沉池,傳統沉砂池通常情況下只能有效去除大于0.2mm的無機砂顆粒,這樣就使得小于0.2mm的特細無機顆粒物(砂)不能得到有效去除,直接進入生物處理系統.同時國內大部分城市排水體制混亂及排水管網雨污分流不徹底,從而導致降雨初期大量的泥沙隨污水進入污水處理廠.這樣就造成了細砂在污水處理系統中逐漸積累[12].而污泥減量技術的運用如延長污泥停留時間(SRT),在減少剩余污泥量方面已取得良好效果,但是在減少剩余污泥排放量的同時也減少了惰性或無機物質(砂)的排放量[13-14].這就使得淤砂在污水處理系統的積累更加嚴重.直接導致活性污泥的MLVSS/MLSS 比值降低,通常只有 0.3～0.5[15](遠小于常規活性污泥法中的0.7這一經驗參數).由于細沙在污水處理系統中長期積累,不僅影響了污水的處理效果和污水處理系統的穩定運行,而且還加大了對各種設備的磨損.

針對目前污泥過程減量技術所存在的問題以及污水處理廠無機物積累的問題,本課題組開發了一種集旁路污泥減量、污泥淤砂分離、側流化學除磷、強化氮磷去除于一體的嵌入式旁路污泥減量污水處理系統.

1 材料與方法

1.1 試驗流程與裝置

圖1 嵌入式旁路污泥減量污水處理系統流程示意Fig.1 Schematic diagram of the embedded side stream sludge reduction wastewater treatment system

嵌入式旁路污泥減量污水處理系統由4個子系統組成:(1)污水生物除磷脫氮系統、(2)旁路污泥強化水解酸化系統、(3)旁路污泥淤砂分離系統、(4)側流化學除磷系統.該工藝系統通過堿解促進污泥減量及碳源化轉化,堿解后的污泥作為碳源回流至生物除磷脫氮系統強化氮磷的去除.通過污泥淤砂分離保障污泥減量工藝無機淤砂的排除,防止無機顆粒在活性污泥中的積累.通過側流化學除磷消除系統除磷效果對剩余污泥排放量的依賴,化學結晶產物農用.該工藝系統流程示意見圖1.

試驗裝置為建在重慶市某城市污水處理廠現場的中試系統,中試規模為10m3/d.中試系統由CASS池、污泥強化水解酸化池、污泥淤砂分離器、側流化學除磷池組成.污泥強化水解酸化池和污泥淤砂分離器嵌入在剩余污泥管線上.系統平均SRT為73d.污泥淤砂分離器是課題組根據旋流分離模型及原理開發的一種基于生物污泥與特細無機顆粒物(砂)之間的密度、粒徑差異的無機物分離設備[16].其處理能力為5m3/h.

1.2 試驗方法

系統每天運行 4個周期,每周期 6h,進水0.5h、曝氣4h、沉淀1h、出水0.5h.每個周期的內回流污泥比為 20%其量為 0.5m3.系統 MLSS為(4600±200)mg/L.質量比為 4%(0.2m3)的活性污泥(沉淀后)從好氧區泵至污泥強化水解酸化池,污泥強化水解酸化池采用NaOH對污泥進行溶胞破解,NaOH投加量為0.09g/ g干污泥.污泥在減量池中的停留時間為 24h.經堿處理后的碳源化污泥(0.2m3)回流至生物選擇區.與此同時,質量比約3%～4%的活性污泥被泵入污泥淤砂分離器,經過分離器分離后,溢流污泥回流至生物選擇區而底流高含砂量污泥被排放出系統.化學除磷池接受厭氧區的富磷上清液,磷以化學結晶的方式被回收,完成泥水分離后,上清液回流至主反應系統進一步去除其他營養物質.

1.3 試驗水質及分析方法

表1 試驗進水水質及分析方法Table 1 Characteristics of wastewater influent

中試試驗的進水來至該污水處理廠的細格柵后的渠道,進水水質見表 1.中試系統的接種污泥為污水處理廠的剩余污泥(其MLVSS/MLSS為0.33).

2 結果與討論

2.1 系統出水水質

嵌入式旁路污泥減量污水處理系統可以通過 2種方式來強化生物系統的氮磷去除效率:第1方式就是通過污泥堿解使污泥碳源化,碳源化污泥作為內碳源回流至生物系統來強化生物系統的反硝化能力;第 2種方式就是通過排富磷上清液進行化學除磷來強化生物系統的除磷能力.如圖 2所示,中試系統對各營養物具有良好的去除效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分別達 到 了 (92.7±2.49)% 、 (98.2±1.34)% 、 (75.5±3.46)%和(95.3±1.65)%.在穩定運行期間,中試系統對各營養物的去除效率比較穩定,并沒有出現明顯的波動.

圖2 系統出水NH4+-N、COD、TN、TP去除率Fig.2 The removal rate of NH4+-N、COD、TN and TP

圖3 系統出水NH4+-N、COD、TN、TP濃度Fig.3 The effluent concentration of NH4+-N、COD、TN and TP

中試系統出水水質如圖 3所示:出水ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和 ρ(TP)分別為(26.8±8.8),(0.5±0.3),(8.6±1.6),(0.14±0.04)mg/L,其范 圍 分 別 為 11.8～39.6,0.1～2,4.5～10.4,0.1～0.2mg/L.系統出水水質不僅穩定達到一級 A標[17],各營養物出水濃度還遠低于其限值.綜合中試系統對營養物的去除效果和其出水水質可以看出:嵌入式旁路污泥減量污水處理系統具有良好的營養物去除能力.而這種良好的營養物去除能力正是得益于堿解污泥作為內碳源的回流和排富磷上清液進行化學磷回收.

2.2 系統MLVSS/MLSS的變化特征

圖4 系統MLVSS/MLSS變化及處理單位水量的排砂量Fig.4 Variation in MLVSS/MLSS and girt removal with treatment per unit of wastewater of the pilot system

目前,中國大部分城鎮污水處理廠一直受到特細砂積累的困擾,其活性污泥中MLVSS/ MLSS比值普遍較低.由于排砂量受到排泥量的限制,致使這種現象在運用了污泥過程減量技術(如長SRT)的污水處理廠更加凸顯[18-19].中試系統的接種污泥是該系統所在污水處理廠的剩余污泥,由于該污水處理廠長期受到特細砂的影響所以致使其剩余污泥的MLVSS/MLSS只有0.33.從圖4中可以看到:由于特細砂的積累,系統的初始MLVSS/MLSS值很低(0.33).在系統培養期,雖然系統的性能指標(如出水水質等)不穩定,但是由于污泥淤砂分離器在系統運行后就開始發揮無機物(淤砂)分離的作用,無機物不斷地排出活性污泥系統,從而致使在系統培養階段系統的 MLVSS/MLSS不斷上升,其值從0.33上升到0.44.在系統穩定運行90d后,系統MLVSS/MLSS增加到0.52.因此,嵌入式旁路污泥減量污水處理系統有效地防止了惰性或無機固體在生物處理系統中積累,強化了生物系統對特細砂的去除(其處理單位水量所排砂量為 87.7g/m3,圖 4).由于活性污泥通過分離器的作用使得污泥有機質與無機顆粒發生有效分離,污泥有機質(溢流污泥)返回到生物系統,高含砂量污泥(底流污泥)作為廢棄污泥排放出系統.溢流污泥不斷地去替換生物系統中的活性污泥,從而使得系統MLVSS/MLSS值逐漸提高.

2.3 系統的SRT和污泥減量性能

圖5 系統SRT隨時間的變化Fig.5 The SRT of the pilot system

SRT和污泥表觀產率系數(Yobs)是衡量污泥減量性能的 2個重要參數.通常來講,SRT越長,系統所排出的污泥量就越少.由于微生物的維持代謝和內源代謝在長 SRT條件下被強化.因此,系統將獲得一個較低的污泥產率系數.在穩定狀態下,其 SRT只與微生物的特定生長速率有關.圖5中,系統平均SRT為73d,這個值遠高于常規除磷脫氮活性污泥工藝中的 10～20d[20].因此,可以推斷系統的產率系數將遠小于常規活性污泥工藝中的產率系數.從圖6可知:系統的產率系數為 0.103gVSS/gCOD,而常規活性污泥工藝的產率系數在0.4～0.8之間[21].中試系統處理每m3污水所排放的凈污泥量(以干污泥計)為37gMLVSS/m3,而污水處理廠處理每 m3污水所排放的凈污泥量(以干污泥計)為 95gMLVSS/m3.中試系統處理每m3污水所排放的凈污泥量不到污水處理廠的一半.中試系統展現了良好的污泥減量性能.而這種良好的污泥減量性能是系統強化微生物的維持代謝和內源代謝(維持系統長 SRT條件)以及細胞溶解-隱性增長共同作用的結果.系統通過運行在長SRT條件下,使得系統中的活性污泥的維持代謝和內源代謝一直處于被強化的狀態.而污泥堿解促使微生物細胞溶解為溶解態有機物,這些有機物被回流到生物處理系統被活性污泥降解和轉化為簡單的產物如二氧化碳、水和少量生物質.因此,嵌入式旁路污泥減量污水處理系統通過這兩方面實現了污泥過程減量并展現了良好的污泥減量性能.

圖6 系統污泥產率系數Fig.6 The observed sludge yield Yobs of the pilot system

3 結論

3.1 堿解污泥作為內碳源的回流和排富磷上清液進行化學磷回收使得中試系統對營養物具有良好的去除效果.出水水質能夠穩定的達到一級A標,并遠低于其限值.

3.2 由于污泥淤砂分離器的作用使得系統MLVSS/MLSS隨著系統運行時間的增加而升高,其值從0.33增加到了0.52.系統依靠污泥淤砂分離器將高含砂量污泥作為外排污泥進行排放,有效地防止了無機砂顆粒在生物處理系統的積累.

3.3 在系統穩定運行過程期間,其表觀產率系數Yobs為0.103gVSS/gCOD所以嵌入式旁路污泥減量污水處理系統展示了良好的污泥減量性能.

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