常見污水處理工藝對生活污水處理效果的比較

馬驍軒， 劉愛菊， 張子間， 馮雪冬， 孟慶梅， 李夢紅

(山東理工大學 資源與環境工程學院, 山東 淄博 255049)

常見污水處理工藝對生活污水處理效果的比較

馬驍軒， 劉愛菊， 張子間， 馮雪冬， 孟慶梅， 李夢紅

(山東理工大學 資源與環境工程學院, 山東 淄博 255049)

摘要：通過模擬生活廢水處理方式，考察了幾種常見的生化法處理工藝對生活廢水的處理效果并加以比較和分析. 分別采用曝氣生物濾池、A2/O處理工藝、SBR處理工藝和MBR處理工藝對采自學校中水處理站的生活污水進行模擬處理研究. 結果表明，幾種方法均可以較好地處理生活污水.其中，A2/O處理工藝的COD去除率可達95.2%；MBR工藝的COD去除率可達93.3%，氨氮去除率可達65.9%；SBR工藝的COD去除率可達88.2%，氨氮去除率可達68.3%；曝氣生物濾池的COD去除率可達86.7%，氨氮去除率達83.9%.實驗結果表明，A2/O處理工藝的處理效果最好，而其他幾種方法各具優點.

關鍵詞：污水處理; COD; 氨氮

生活廢水是一種最為普遍的污水, 具有流量大, 完全處理費用較高的特點; 但是同時其營養成分較為全面且無毒或低毒, 以COD和氨氮為主, 使得生活污水相對工業廢水來說較易處理.通過適度處理, 可以滿足部分場合的回用標準, 作為中水進行回用.最為常見的污水處理方法為生化法, 具有運行費用低, 處理容量大且效果較好的特點.常用的生化法均可以對生活廢水進行有效處理. 本研究通過模擬生活廢水處理, 考察幾種常見的生化法處理工藝對生活廢水的處理效果并加以比較和分析.

1實驗部分

1.1污水來源與組成

廢水采自山東理工大學中水處理站, 為普通生活污水, 采樣點為細格柵之后; 另外, 為了確保廢水微生物處理的效果, 從二沉池中取活性污泥, 在模擬試驗運行之初, 對實驗裝置進行培養掛膜.由于污水多次取樣, 因此原水水質上存在一定的波動, COD為350～500mg/L, 氨氮為30.1～36.3mg/L.

1.2水質測定與分析

COD的測定采用國家標準方法GB11914-1989(水質化學需氧量的測定)[1], 對個別高濃度水樣采用稀釋十倍的方法進行測定; 氨氮則采用納氏試劑分光光度法進行測定[2]. 具體實驗步驟參見相應的標準計量分析方法.

1.3污泥培養

取適量水樣和污泥裝滿處理裝置, 調節流量和曝氣量, 使得池內的溶氧量保持在2.5～3.5mg/L之間, 2～3d后掛膜完成, 活性污泥培養完畢. 污泥濃度(MLSS)為3000mg/L, 污泥沉降比為20%, 泥齡3d, 污泥指數(SVI)為80mL/g.

1.4各種處理工藝實驗步驟及運行參數

1.4.1曝氣生物濾池

曝氣生物濾池是集生物氧化和截留懸浮固體一體的新工藝, 具有處理效率高、占地面積小、工藝流程短、運行管理方便等優點[3].

本實驗主要控制氣水比和水力停留時間(HRT)兩個運行參數, 濾池外尺寸為1.2m×0.8m×0.7m, 有效容積為0.5m3, 流量分別取0.5, 0.25, 0.125 m3/h以確保HRT分別為1h, 2h, 4h, 此時水力負荷分別為0.6m3/ (m2·h), 0.3 m3/ (m2·h), 0.15 m3/ (m2·h); 氣水比分別采用5∶1, 10∶1, 20∶1.擇優選擇參數交叉進行了5組實驗外加一組平行實驗.

1.4.2SBR工藝

序批式間歇活性污泥反應器(SBR)具有運行方式靈活、節省費用和用地、脫氮除磷效果好等優點[4], 有研究采用厭氧/好氧/缺氧模式運行的SBR 處理人工配水模擬生活污水，在不同的曝氣量下比較了對反硝化除磷過程的影響[5]. 而本研究將進一步探討不同時間段設置對污水處理效果的影響.

SBR工藝流程分充水, 反應(曝氣), 沉淀, 排水和閑置五個階段. 其中, 充水和排水時間都設定為30min, 反應時間和沉淀時間分別采取整個流程周期的40%和15%, 35%和20%以及30%和25%; 曝氣量分別采取0.25m3/h, 1.0m3/h; 流程周期分別采取4h, 8h和12h, 擇優選擇參數交叉進行了4組實驗以測定不同操作參數下的COD和氨氮的去除率.

1.4.3MBR工藝

膜生物反應器(Membrane bioreactor, MBR)是一種將膜分離技術和生物降解技術有機結合而成的新型水處理技術. 該工藝利用膜分離設備將生化反應池中的大分子有機物和活性污泥截留在池中, 使得反應器中保持很高的微生物量, 并可完全省掉二沉池; 因此，MBR 工藝具有許多其它生物處理工藝所不具備的優勢[6].

本實驗采取的PP中空纖維膜，膜壁厚40～45μm, 膜孔徑0.1～0.2μm, 水通量1～1.2t/d，標準有效過濾膜面積9.0m2, 出水濁度小于0.2NTU. 主要考察HRT, 同時在最佳HRT的基礎上增加沉降步驟, 探尋最佳沉降時間; HRT分別采取4h, 6h, 8h, 沉降時間分別采取20min, 30min以及40min.

1.4.4A2/O工藝

A2/O工藝具有流程簡單, 運行靈活, HRT短, 活性污泥不易膨脹, 基建和運行費用低等優點. 污水處理過程中, A2/O 工藝存在厭氧, 缺氧, 好氧三種不同的環境條件和不同種類微生物菌群的有機配合, 具有同步脫氮除磷及去除COD 的功能[7].

HRT是影響A2/O工藝處理效果和處理費用的核心參數, 對污水的實際處理效果具有決定性的作用[8]. 因此本實驗主要考察HRT對污水處理效果的影響. 厭氧段, 缺氧段, 好氧段反應器體積分別為0.12 m3, 0.12 m3, 0.36m3, 水力停留時間之比為1∶1∶3, 流量分別取0.3, 0.15, 0.12m3/h, 總HRT分別為2h, 4h, 5h. 好氧段, 缺氧段, 厭氧段pH分別為7.0～8.0, 6.5～7.5, 6.0～8.0. 好氧段、缺氧段、厭氧段DO分別控制在2.0mg/L, 0.5 mg/L, 0.2 mg/L.

2結果與討論

2.1曝氣生物濾池

各組實驗處理結果見圖1.采取不同HRT和氣水比時, 處理效果存在較大差異.第1, 2組由于HRT過短導致處理效果不理想, 此時COD的去除率受氣水比影響較大, 但是對氨氮來說卻出現了相反的趨勢; 此時生物處理與物理處理因素共同起作用, 生物處理尚未進入穩定運行狀態, 并未占據主導地位, 因此實驗結果不穩定且無規律.

圖1　 不同操作參數下曝氣生物濾池對COD和氨氮的去除率

當HRT達到1h以上時, 如3, 4, 5組實驗的處理效果大大增強, 且具有明顯的規律性, 即無論COD還是氨氮, 去除率都與HRT和氣水比呈正相關, 且HRT的影響要更大.尤其當HRT采取2h, 氣水比采取20∶1時, 由于生物處理的條件相對前幾組得到強化, 故取得了最理想的處理效果; 對該組進行平行試驗, 與先前的一組結果非常接近, 表明此時實驗的重現性良好, 生物處理進入穩定狀態并起到了主導地位.

因此, 對曝氣生物濾池來說, HRT是具有決定作用的操作參數, 采取2h以上的HRT時, 配合較大的氣水比, 可以對COD和氨氮取得良好的去除效果. 此時出水COD為46.6mg/L, 氨氮為5.6 mg/L.

2.2SBR工藝

處理結果見表1.可以看出在SBR工藝中, 不同操作參數下氨氮的去除率較為穩定, 而COD的去除率對操作參數較為敏感; 對COD影響最大的因素是反應周期以及由整個反應周期所決定的反應時間與沉淀時間. 由1, 2組數據可以看出, 當反應周期在4～8h時可以收到較好的COD處理效果; 當反應周期采取4h, 曝氣量采用0.25m3/h時, 由于周期過短且曝氣量較小, 一些生化反應來不及進行完全, 因此處理效果不如采用1.0m3/h的8h周期. 此時出水COD為48.4mg/L, 氨氮為11.0mg/L. 而當反應周期達到12h時, 處理效果則大大下降, 可能是由于時間過長微生物出現了死亡使得污泥中的COD重新釋放所導致; 尤其是第3組, 由于曝氣量較小, 使得好氧微生物在后期大量死亡從而導致處理效果不理想.

表1不同操作參數下SBR工藝對COD和氨氮的去除率

組別曝氣量/m3·h-1周期/h反應時間/min沉淀時間/minCOD去除率/%氨氮去除率/%10.254963677.868.421.081927288.268.330.251221618050.666.541.01225214468.266.3

2.3MBR工藝

由表2可以看出, HRT對COD的去除率影響不大, 卻對氨氮的去除率具有較大影響; HRT采取4～6h時, 由于停留時間過短, 使得氨氮的去除率很不理想, 當HRT達到8h時, 氨氮去除率大為提升, 同時COD的去除率也得到了進一步的提高; 因此, 8h是較為合適的HRT. 當HRT采取8h時, 增設后續沉降步驟, 可以看到, 當沉降時間采取30min時, COD的去除率最大, 此時出水COD為28.2mg/L; 而沉降時間為20min時, 氨氮的去除率最大, 此時出水氨氮為12.4mg/L; 但是彼此之間相差不大, 在實際操作時可以根據需要加以選擇.

表2不同HRT以及當HRT采取8h時不同沉降時間下的COD和氨氮的去除率

HRT/hCOD去除率/%氨氮去除率/%HRT為8h時沉降時間/minCOD去除率/%氨氮去除率/%4h86.543.2220min89.765.96h84.941.3030min93.363.58h90.062.8940min91.564.2

2.4A2/O工藝

由于實驗條件所限, A2/O工藝模擬實驗中沒有開啟回流裝置, 因此僅僅測定其對COD的處理效果.HRT采取較短的2h以及相對較長的4h, 5h. 由于所處理廢水具有較高的養分和可生化性，污泥具有較大的比生長速率，增殖較快，因此可以在不同的稀釋率下維持一定的污泥濃度, 從而將污泥濃度變化的影響降到最低.由表3可以看出, A2/O工藝對COD的去除率與HRT具有正相關. 當HRT為2h時由于停留時間較短, 處理效果不如4～5h組; 當HRT為4～5h時, 為了進一步探尋A2/O工藝對COD去除率的特征, 在運行開始后一個HRT周期的前20min和后20min分別取樣進行分析, 結果表明, 在A2/O工藝運行過程中, 后期的處理效果要略好于前期; 亦即在A2/O工藝中隨著處理的運行, 處理效果會緩慢達到最佳狀態. 最后出水COD濃度可降至24.0mg/L.

表3不同HRT下A2/O工藝的COD去除率

HRT2h4h前20min4h后20min5h前20min5h后20minCOD去除率74.6%80.9%86.1%91.3%95.2%

3結束語

對常見的幾種生活污水處理工藝曝氣生物濾池、SBR工藝、MBR工藝以及A2/O工藝進行了模擬污水處理實驗.結果顯示, 以上幾種常見處理工藝對于生活污水都可以起到較好的處理效果, 出水水質均達到或接近中水回用及景觀回用標準.

曝氣生物濾池在較短的HRT(2.0h)下可以對COD和氨氮收到86.7%和83.9%的較高處理效果, 但是需要較大的氣水比20∶1, 在實踐中對動力需求較高并因此形成較高的運營成本.

SBR工藝在較長的HRT(8h)及適中的曝氣量(1.0m3/h)下可以收到88.2%和68.3%的COD和氨氮的去除率, 同時其可調節操作參數眾多, 可以較為靈活的處理不同類型的污水.

MBR作為一種較為新型的膜處理工藝, 在較長的HRT(8h)外加一定的沉降時間(30min)下可以收到93.3%和65.9%的COD及氨氮的去除率.

最后, 傳統的A2/O工藝在COD的去除率上占據絕對優勢, 適中的HRT(5h)下就可以收到95.2%的COD去除率.

以上結果可以看出, 占地較小基建投資較少的曝氣生物濾池、 SBR工藝以及MBR工藝, 需要較長的HRT或者較大的曝氣量才能收到良好的效果, 顯示了其較弱的處理強度和相對較高的運營成本; 而占地較大基建投資較多的A2/O工藝可以在較小的HRT和曝氣量下取得較好的處理效果, 顯示其較強的處理強度和相對較低的運營成本.在實際應用中, 可以根據污水的類型, 場地的條件以及處理成本預算來選擇相應的處理工藝.

參考文獻：

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[2]環境保護部標準.HJ 535-2009水質 氨氮的測定 納氏分光光度法[S].

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[4]楊菲菲, 馬放, 魏利，等. 不同進水條件對SBR 工藝脫氮除磷效能的影響[J]. 環境科學與技術, 2011, 34(6): 127-131.

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(編輯：姚佳良)

Comparation of the effect of common wastewater treatment methods for living wastewater

MA Xiao-xuan, LIU Ai-ju, ZHANG Zi-jian,FENG Xue-dong, MENG Qing-mei, LI Meng-hong

(School of Resources and Environmental Engineering， Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:The efficiency of several common biochemical wastewater treatment technologies were investigated, compared and analyzed by mean of treating sanitary wastewater. The Biological Aerated Filter Process (BAF), Anaerobic-anoxic-oxic Process (A2/O), Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process (SBR), and Membrane Bio-Reactor Process (MBR) were carried out to treat living wastewater from the water treatment station in school for reclaimed water. The treatment results displayed that all of those methods could treat the living wastewater effectively. The removement rates of the chemical oxygen demand (COD) could reach 95.2% in A2/O, 93.3% in MBR, 88.2% in SBR and 86.7% in BAF; while the removement rates of ammonia nitrogen could reach 65.9% in MBR, 68.3% in SBR and 83.9% in BAF. So the A2/O gained the best treatment effects, and the other methods had their own characters individually.

Key words:wastewater treatment; COD; ammonia nitrogen

收稿日期：2015-09-16

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2014BL034，ZR2015DM010)

作者簡介：馬驍軒, 男， casmxxcas@126.com; 通信作者： 劉愛菊， 女，liuajnju@yahoo.com.cn

文章編號：1672-6197(2016)05-0036-04

中圖分類號：X799.3

文獻標志碼：A