微壓內循環多生物相反應器中試研究的啟動與運行

熊 磊,邊德軍,3,吳 忌,艾勝書,3,鐘 玲,劉偉華

(1.長春工程學院水利與環境工程學院，長春 130012； 2.柏林水務長春高新污水處理有限公司，長春130102；3.吉林省城市污水處理重點實驗室，長春 130012； 4.吉林省禹泰城市污水處理科技有限公司，長春 130000)

微壓內循環多生物相反應器中試研究的啟動與運行

熊 磊1,邊德軍1,3,吳 忌2,3,艾勝書1,3,鐘 玲4,劉偉華1

(1.長春工程學院水利與環境工程學院，長春 130012； 2.柏林水務長春高新污水處理有限公司，長春130102；3.吉林省城市污水處理重點實驗室，長春 130012； 4.吉林省禹泰城市污水處理科技有限公司，長春 130000)

介紹了以傳統活性污泥法為基礎研發的微壓內循環多生物相反應器的構造及原理，并以城市新區污水作為原水進行連續66 d的中試調試及運行研究。中試運行處理效果表明：反應器具有較好的抗沖擊負荷能力；調試運行23 d后，進入穩定運行狀態；對COD、SS、NH3—N、TP的平均去除效率分別達到82.06%、77.34%、97.71%、88.09%，TN的出水水質滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》。

微壓反應器；中試研究；城市污水；調試運行

0 引言

近年來，隨著城市發展速度和人民生活水平的提高，城市的污水排放量逐漸增大，水質成分愈加復雜，且由于城市污水的相關排放標準不斷修訂，導致城市污水處理工藝革新速度加快。從最早天津市紀莊子污水處理廠1984年采用的傳統活性污泥法[1]，衍生出如今污水廠常用的普通曝氣法、AB法(二段曝氣法)、A/O除磷工藝、A/O脫氮工藝、A2/O脫氮除磷工藝、氧化溝工藝等[2]，均為國內外專家以活性污泥法為基礎，創新優化出的能夠處理水質日益復雜的城市污水的改良污水處理工藝。

現今城市污水廠采用的處理工藝都具有良好的處理效果，但在水廠的運行過程中也存在一定的問題：AB法具有產泥量大和脫氮除磷效果差的問題[3]；A/O工藝處理單元多，管理較復雜，且不能同步脫氮和除磷[4]；A2/O工藝的碳源、泥齡、硝酸鹽等問題影響N、P的去除效果[5]；氧化溝工藝由于低負荷和污泥齡長，運行能耗較高[6]。

分析目前城市污水廠處理工藝的利弊及發展趨勢，可知城市污水處理技術的發展應該滿足高效率、低能耗、低成本的經濟性要求[7]。微壓內循環多生物相反應器(以下簡稱“微壓反應器”)作為一種新型城市污水處理反應器[8-9]，與當前污水廠采用的工藝相比，其占地面積及曝氣能耗均有所降低，并且能實現在同一空間內同時存在厭氧、缺氧、好氧3種不同氧區域，具有同步脫氮除磷效果。

1 反應器簡介

圖1所示為微壓內循環多生物相反應器，其頂部呈半密封結構，出水口處水位略高于頂板位置，使反應器內部處于微小壓力狀態。曝氣裝置設置于反應器底部前端，曝氣產生的氣泡沿池壁和頂板逐漸上升變大，增加了氧傳質的時間和距離，提高了氧傳質效率。而持續的曝氣為混合液在反應器內部循環流動提供了動力源，同時混合液的循環流動將反應器內部分成了3個氧分區，自內而外分別是厭氧區、缺氧區和好氧區。反應器從中心厭氧區進水，循環流動經過缺氧區，最后從好氧區出水，進入二沉池，整個反應經過3個氧分區，能有效實現同步脫氮除磷的功能。半密封頂板形成的微小壓力會將大部分活性污泥截留在厭氧及缺氧區，使進入二沉池的污泥量減少，降低了回流能耗。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

中試研究在長春市某污水處理廠開展，試驗裝置整體結構以微壓反應器為原型，采用不銹鋼鋼板無縫焊接而成。中試研究系統分為進水系統、曝氣系統、回流系統、排泥系統、主體反應器、二沉池、PLC中控系統，其流程圖如圖2所示。

圖1 微壓反應器示意圖

圖2 中試裝置工藝流程圖

進水系統：通過潛污泵抽取該廠曝氣沉砂池出水進入反應器進水箱，并在進水箱前設置電磁流量計和閥門來控制進水流量。

曝氣系統：采用回轉式鼓風機，曝氣裝置采用膜片式微孔曝氣器，曝氣量通過在管路上設置閥門和渦街流量計來控制。

回流系統：在二沉池底部設置回流泵，回流污泥至進水箱，與進水混合后進入反應器。通過變頻泵和電磁流量計控制回流量。

排泥系統：在二沉池底部及池壁設置排泥管，通過靜水壓力進行排泥。

主體反應器：微生物菌種進行生化反應的場所。

二沉池：反應器出水混合液進行泥水分離的場所。

PLC中控系統：通過在線儀表實時監測反應器運行情況和控制反應器鼓風機、進水泵、出水泵的啟動和終止。

2.2 試驗水質

試驗以長春市某污水廠曝氣沉砂池出水為原水，該污水廠服務區域為城市新區，其污水水質多變，全年水質變化幅度較大，容易對后續污水處理廠構筑物造成沖擊。本次試驗原水水質見表1。

表1 原水水質

2.3 試驗方法

中試反應器接種污泥取自該污水處理廠生化池，污泥質量濃度控制在4 000 mg/L，連續悶曝20 h，開始連續進水。

整個試驗運行階段分為2步：

1)調試階段是從接種污泥培養馴化后開始進水到反應器內微生物能適應新的環境及出水水質能夠達標的過程。整個過程持續時間為23 d左右，通過檢測反應器出水指標和分析在線儀表數據來對反應器的曝氣量、進水量等控制參數進行相應調整，使反應器出水效果穩定。

2)穩定運行階段是在調試階段對控制參數調整完成后，反應器進入穩定運行后的分析檢測階段。整個階段的持續時間為40 d左右，通過對反應器出水水質指標進行檢測，分析研究反應器處理效果。該階段具體運行控制參數見表2。

表2 反應器運行控制參數

2.4 分析項目與方法

試驗過程中，通過流量計分別對水量和氣量進行監控，而對水質指標進行檢測分析的具體方法見表3。

3 實驗結果與討論

3.1 反應器MLSS及MLVSS/MLSS變化

從圖3可以看出在反應器調試過程中，反應器內投入的接種污泥質量濃度在2 400 mg/L左右，在反應器運行前5天，污泥質量濃度都處于減少狀態，最低降到了920 mg/L，說明反應器內活性污泥處于適應期。在第6天—第16天，進水COD濃度增加，有機負荷增大，同時MLVSS/MLSS比值增高，因而污泥質量濃度呈現直線上升趨勢，說明此階段污泥質量濃度處于高速增長期。而在第17天—第23天，此階段污泥質量濃度再次出現了下降趨勢，且相比之前峰值下降了約2 600 mg/L，通過檢測發現，出現此現象是由于在反應器污泥質量濃度達到高質量濃度時，二沉池的回流泵回流效率降低，無法保證反應器的回流污泥量，導致反應器內部污泥質量濃度逐漸下降。故通過改造污泥回流系統提升回流效率，因而在第24天—第66天污泥質量濃度恢復正常，并保持在4 500～5 000 mg/L。

表3 水質指標檢測方法

在一般情況下，MLVSS/MLSS比值比較固定，對以生活污水為主體的城市污水，其值為0.75左右[10]。而圖3中，在反應器穩定后，MLVSS/MLSS比值保持在0.40～0.45之間。再通過對原水中的懸浮物的檢測，發現無機質在原水中占比達到50%以上，因此，判斷反應器內MLVSS/MLSS比值偏小主要是由于該地區污水中無機物所占比例過高。

3.2 對COD處理效果的分析

中試反應器的COD去除效率如圖4所示，在試驗期間，進出水平均COD濃度分別為105.3 mg/L、19.93 mg/L，平均去除率達到82.06%。在第1天—第5天，活性污泥適應期間，反應器出水COD處理效率只在50%左右。在第6天—第8天，污泥出現快速增長的同時，COD處理效率也上升到88%。但在第9天—第23天，進水COD濃度出現較大波動，導致COD處理效率有所降低，出水COD濃度達到30 mg/L以上，同時出現污泥質量濃度降低的現象，說明該階段由于進水COD的變化，反應器內微生物仍處于調整期，其處理效率并不穩定。而在第23天，反應器內微生物已適應生長環境，污泥質量濃度恢復至正常范圍。而在之后的運行中，進水COD再次出現波動，反應器COD處理效率一直保持85%以上的穩定狀態及出水COD濃度均在15 mg/L以下。這說明中試反應器對COD的去除較為穩定。

圖3 中試反應器MLSS及MLVSS/MLSS變化情況

圖4 中試反應器對COD的處理效果

3.3 對NH3—N和TN的處理效果分析

中試反應器對NH3—N和TN的處理效果如圖5～6所示。在運行期間，進水NH3—N質量濃度在8.57～22.50 mg/L，出水NH3—N平均質量濃度為0.25 mg/L，NH3—N的平均去除效率為97.71%。從圖5可以看出，在運行的前23 d，進水NH3—N質量濃度不斷升高，為微生物提供了緩沖期，能更快地適應新的環境，而在第8天，NH3—N的去除效率已達到100%，出水NH3—N質量濃度為0，說明反應器內硝化細菌在短期內已經迅速繁殖，并能進行硝化反應，NH3—N已全部轉化為硝態氮及亞硝態氮。在第24天—第66天的運行過程中，進水NH3—N的變化幅度較大，NH3—N的去除效率也均在95%以上，說明反應器對NH3—N的處理效果穩定，硝化效果好且抗沖擊能力較強。

在反應器運行過程中，進水TN濃度的變化幅度較大，其范圍在10.19～26.01 mg/L，平均進水質

量濃度為17.14 mg/L，出水TN范圍在9.16～14.97 mg/L。出水水質滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》。相較于其他水質指標，反應器對于TN的抗沖擊能力較弱，因此提高反應器TN的處理效率將作為下一步研究重點。

圖5 中試反應器對NH3—N的處理效果

圖6 中試反應器對TN的處理效果

3.4 對TP的處理效果分析

圖7為反應器TP處理效果的變化情況。反應器進出水TP的平均質量濃度值分別為1.63 mg/L、0.16 mg/L，平均去除率為88.09%。在運行的前23 d，原水TP濃度不斷升高，這能幫助微生物更快地適應新的水質。因而在反應器運行的第8天，TP的去除效率就達到了91.19%，出水TP濃度為0.1 mg/L，且之后的運行時間內，去除效率均保持在80%以上。而在運行24 d后，反應器進水TP的波動頻率較大，導致反應器出水TP出現波動，但微生物已經具備抗沖擊能力，故對反應器出水影響較小，出水TP濃度仍在0.5 mg/L以下。說明進水TP的變化波動會對反應器出水TP濃度造成沖擊，但反應器自身的抗沖擊能力會降低影響。

3.5 對SS的處理效果分析

從圖8可以看出，進出水SS濃度平均值分別為320.76 mg/L、80.79 mg/L。在運行前23 d，此階段由于進水SS波動幅度較大，且污泥中微生物處于適應期，反應器出水SS質量濃度平均值為198.89 mg/L。在第17天—第23天期間，由于改造回流裝置，反應器的SS處理效果極差，出水SS濃度最高達到480 mg/L。而在運行23 d后，反應器進入正常運行狀態，此期間原水SS濃度值高低峰值分別為490 mg/L、100 mg/L，但SS的去除效率均達到了80%以上，反應器出水SS濃度平均值為18.26 mg/L，說明反應器對于SS變化大的水質具有較好的抗沖擊能力和處理效果。

圖7 中試反應器對TP的處理效果

圖8 中試反應器對SS的處理效果

4 結語

微壓內循環中試研究經過66 d的連續運行結果表明：

1)微壓反應器在運行到第5天時，其種泥就已基本適應反應器，污泥開始大量繁殖，而由于該地區原水水質復雜及反應器自身結構的調整，其處理效果并未達到預期，運行到第23天時，反應器正式進入穩定運行階段。

2)當系統進入穩定運行階段，微壓反應器對COD、SS、NH3—N、TP具有良好的去除效果，平均去除效率分別達到82.06%、77.34%、97.71%、88.09%；TN的出水水質滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，但其去除效率還需進一步提高。

3)在運行期間，反應器對NH3—N、TP、SS具有較強的抗沖擊負荷能力，在原水波動幅度較大時，NH3—N、TP、SS出水比較穩定。表明對于水質波動較大的城市新區污水，微壓反應器在具有較好的處理效果的同時，還具有較強的抗沖擊負荷能力。

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The Start-up and Operation of the Micro-pressure Inner Loop Multi-biological Phase Reactor Pilot Study

XIONG Lei，et al.

(SchoolofWaterConservancy&EnvironmentalEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

This paper introduces the structure and principle of micro-pressure inner loop multi-biological phase reactor developed on the basis of the traditional activated sludge method，and makes pilot study of 66 days continuous commissioning and operation by taking city wastewater of a new development district as the experimental water.The results show that the reactor has better resistance to impact load；after the commissioning operation for 23 days，the reactor enters the stable running state.The average removal efficiencies of COD、SS、NH3—N、TP reached 82.06%，77.34%，97.71% and 88.09% respectively.The effluent quality of total nitrogen meets the “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” (GB 18918—2002).

the micro-pressure reactor；pilot study；city wastewater；commissioning and operation

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.010

2016-09-29

國家科技重大專項(2014ZX07201-011) 吉林省科技發展計劃項目(20150622026JC，20140312001ZG)

熊磊(1991-)，男(漢)，福建邵武，碩士 主要研究污水處理。

邊德軍

X52

A

1009-8984(2016)04-0036-05