雙級串聯變異SBR反應器處理堆肥滲濾液的研究

陳計洋，管錫珺，曹宇浩，宋 潔，陳彥昭，胡文韜(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

隨著我國社會經濟的快速發展，人民生活水平的迅速提高，人們產生的生活垃圾種類和數量也是日漸增多[1]，生活垃圾不僅占用土地資源，還會污染環境，直接影響人類健康，使得如何合理處理生活垃圾的這一問題引起了社會的高度重視[2].目前生活垃圾的主要處理方式有衛生填埋、焚燒、堆肥3種，由于堆肥處理工藝簡單，投資和運營費用適中，且適合于處理易腐有機物較多的垃圾，所以好氧堆肥是生活垃圾的有效處理方式.然而大部分生活垃圾為廚余垃圾，含水量高，其攜帶的水分成為垃圾滲濾液的主要來源之一；除此因素外，在露天收集生活垃圾的過程中降水是不可避免的，這也增加了垃圾的含水量；還有垃圾中含有大量微生物，其降解有機物和無機物產生的有機成分也會滲出，最終形成了一種高濃度有機廢水——堆肥滲濾液[3].這種液體有機物濃度高，重金屬含量高，一旦外泄流入地表水，會產生一系列的物理、化學和生物作用，所以堆肥滲濾液急需一套專門的處理工藝.本實驗采用自行設計組裝的雙級串聯變異SBR反應器，以間歇進水，間歇曝氣[4]的方式運行，將COD容積負荷控制在1.5 kg/(m3·d)的運性條件下，通過分析除碳脫氮效果，尋求最佳的運行參數，然后在該條件下，通過對比兩個不同厚度的葉輪對堆肥滲濾液的處理效果，得出此反應器的最佳運行工況.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗裝置為自控進水雙級串聯變異SBR反應器，該反應器總容積為230 L，兩個反應器的容積分別為150 L(長×寬×高=0.45 m×0.45 m×0.75 m)和80 L(長×寬×高=0.35 m×0.35 m×0.65 m)，有效容積分別為120和60 L.為了便于觀察污泥顆粒形態、曝氣變化、泥水分離狀況以及出水情況，實驗裝置材質選用透明有機玻璃，可以實時查看反應器的運行狀況[5]，以便在處理效果不佳時及時調整方案.實驗裝置如圖1所示.

圖1 實驗裝置及工藝流程1—電機；2—聯軸器；3—軸承；4—固定支架；5—進氣筒；6—曝氣葉輪；7—溶解氧儀；8—沉淀區；9—曝氣區；10—時間控制器；11—恒流泵；12—排泥口；13—導流管；14—出水口；15—最終出水口；16—導流管

實驗用水儲存于600 L的水箱中，為避免由于沉淀導致水箱上下部分水質差異過大，水箱中設有攪拌裝置，可以實現充分混合[6].兩個變異SBR反應器除容積不同外，基本構成完全相同.本實驗裝置可以實現同步進出水[7]，首先污水通過恒流泵進入一級反應器，待恒流泵停止工作，一級反應器即可曝氣，曝氣結束后沉淀片刻，然后污水通過水流通道自下向上進入二級反應器，水流通道設置的目的是防止未處理的水直接進入下一個反應器，待進水結束后，二級反應器即可曝氣，曝氣結束依然需要沉淀后，才可通過水流通道出水，二級反應器的部分活性污泥回流至一級反應器，且污泥回流比大約控制在40%[8].實驗過程中，恒流泵和曝氣裝置的啟動均由時間控制器來控制.

1.2 實驗水質

本試驗用水采用青島市即墨區溫泉鎮生活垃圾處理廠堆肥滲濾液，定期運送到青島理工大學實驗樓，用600 L的水箱儲存，其水質特征見表1.

1.3 接種污泥

本實驗所用接種污泥為青島海泊河污水處理廠二沉池回流系統污泥[9]，呈黃褐色，活性比較好，濃度約為5500 mg/L，SVI值約為65 mL/g.其中一級反應器接種量為80 L，二級反應器接種量為45 L[10].

1.4 檢測項目及測試方法

主要檢測進出水的COD、氨氮、總氮、亞硝氮和硝氮濃度，分別用重鉻酸鉀滴定法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀氧化法、紫外分光光度計法和N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法來測定；還需要測定兩級反應器的溶解氧和pH值，分別用溶解氧儀和玻璃電極法測定.

1.5 污泥馴化

由于滲濾液的水質較為復雜，前8天用自來水對滲濾液進行稀釋[11]，自來水所占比例為15%～30%.經過多次調整，馴化階段反應器的穩定運行參數為:周期為3 h，其中進水30 min,曝氣2 h，沉淀30 min.此階段水溫為15～20 ℃，pH為7.5～8.2，污泥回流比為30%左右[12].歷時36 d后，反應器的COD總去除率能穩定達到93%以上，氨氮總去除率可達到90%以上,反應器已具備一定的抗負荷沖擊能力.

2 優化實驗及討論

2.1 探求反應器在COD容積負荷為1.5 kg/(m3·d)條件下的最佳運行工況

通過對污泥馴化階段的反復調整，結合本實驗反應器的特點，制定了3種運行工況，見表2，反應周期都是6 h[13]，每個周期進水時間為30 min，每次進水量根據當日COD濃度而定，確保COD容積負荷約為1.5 kg/(m3·d)，然后依次在兩級反應器內進行循環曝氣，最后沉淀30 min后出水.該階段為第42天到第68天，水溫18～24 ℃，pH為7.3～8.1，污泥回流比為40%.通過檢測3種工況下的出水COD濃度和氨氮濃度，對比COD總去除率和氨氮總去除率，進而探求COD容積負荷為1.5 kg/(m3·d)的最佳工況.

表2 COD容積負荷為1.5 kg/(m3·d)條件下的3種運行工況 h

2.1.1 COD去除效果對比分析

3種運行工況下COD的去除效果如圖2所示.從圖2可以看出，工況1的COD總去除率最低，處理效果最差.第52—56天，隨著進水濃度提高，一級反應器COD去除率略有降低，但是總去除率波動不明顯；第62天，進水水質發生明顯變化，一級反應器COD去除率和總去除率都有小幅度下降，但在第64天很快恢復，這都說明了反應器可以適應水質變化的要求.工況2和工況3的COD總去除率相當，但是考慮到經濟方面，工況3曝氣量大，費用會有所增加，綜合考慮，工況2為最佳選擇.

2.1.2 脫氮效果對比分析

3種運行工況下氨氮的去除效果如圖3所示.從圖3可以看出，進水的氨氮濃度在300～450 mg/L，但是碳氮比基本維持在5左右[14]，所以保證了反應器的出水水質穩定.工況1的進水氨氮濃度僅在300～320 mg/L，但是出水氨氮濃度在32～40 mg/L，氨氮總去除率為88%左右，而工況2進水氨氮濃度約450 mg/L，出水氨氮濃度在29～38 mg/L，氨氮總去除率在90%～93%，依然可以保持穩定的出水水質，且在第54天進水氨氮濃度急劇上升，雖然對一級反應器造成了較大沖擊，致使一級反應器的氨氮去除率下降，但是氨氮總去除率并沒有受到影響，是因為二級反應器保證了出水的穩定性，表明本實驗裝置具有較強的耐沖擊負荷能力.工況1的氨氮總去除率低，分析原因是曝氣時間不足，溶解氧略低，好氧菌生長受到抑制，導致在COD容積負荷為1.5 kg/(m3·d)條件下硝化反應不徹底，所以工況2效果更好.

2.2 不同曝氣葉輪的對比實驗

本實驗裝置為雙級串聯變異SBR反應器，歸根到底屬于活性污泥法處理工藝，所以溶解氧的濃度是重要控制條件，而本實驗使用的曝氣裝置是本課題組自主研發的自吸攪拌式曝氣器，可以通過調節曝氣時間、葉輪大小以及轉速來控制溶解氧的濃度，以下實驗是通過選用不同厚度的葉輪，進而改變曝氣孔的大小，然后檢測出水的COD濃度、氨氮濃度、總氮濃度、硝態氮和亞硝態氮，對比污水處理的效果.本實驗選用了2種不同厚度的曝氣葉輪(具體構造如圖4所示)，外徑和內徑分別為100和30 mm，厚度(d)分別為2.5和5.0 mm，材質均為硬質PVC，具有質量輕、強度高、價格低、耐腐蝕的優點.兩個葉輪除了厚度不同，其余方面幾乎無差異，排除其他因素對實驗結果的干擾，更有利于實驗結果的對比分析.

圖4 葉輪構造1—輪轂; 2—前蓋板; 3—后蓋板; 4—葉片

該階段在COD容積負荷約為1.5 kg/(m3·d)的條件下進行，根據以上實驗分析，得知工況2處理效果更好，故此階段采用工況2的實驗參數，穩定運行18 d.

2.2.1 COD去除效果對比分析

不同葉輪反應器COD的去除效果如圖5和圖6所示.從圖5可以看出，反應器進水的COD濃度很高，雖然出水濃度在500～900 mg/L，但是COD總去除率依然穩定在97%以上，其中一級反應器的COD去除率就高達96%，與總去除率差距不大，主要是因為進水水質的可生化性能好，而且一級反應器有效容積大，接種污泥多，去除能力強，故大多數可降解的有機污染物可以由一級反應器去除，二級反應器只能去除一級反應器出水剩余的少量有機物.從圖6可以看出，第86天COD容積負荷變化幅度較大，導致COD去除率也出現小幅度下降，但是后邊COD容積負荷繼續提升，COD去除率并沒有繼續下降，說明第86天是反應器的適應期[15].從COD總去除率來看，兩個葉輪的處理效果差距不大，葉輪2(d= 5 mm)略好一些，但是在實驗過程中，葉輪1(d=2.5 mm)一級反應器和二級反應器的轉速分別為1220和850 r/min; 葉輪2一級反應器和二級反應器的轉速分別為1100和600 r/min，所以處理效果相當，而葉輪2更加經濟，故從除碳效果來看，葉輪2為最佳選擇.

2.2.2脫氮效果對比分析

不同葉輪反應器的脫氮效果如圖7—10所示.由圖7得知，兩種葉輪的氨氮總去除率穩定在98%左右，處理效果都較好，而圖8中，無論是一級反應器出水還是二級反應器出水，葉輪2運行時反應器的總氮去除率都高于葉輪1運行時反應器的總氮去除率.

圖9中葉輪1運行時的一級反應器出水硝態氮濃度高于進水硝態氮濃度，經過二級反應器處理后出水硝態氮濃度又有所下降，并且低于一級反應器進水硝態氮濃度，而葉輪2運行時的兩級反應器的出水硝態氮濃度都低于進水硝態氮濃度，可能是因為葉輪2厚度大，則出水孔大，減少對污泥絮凝體的剪切作用，更有利于帶有氣泡的泥水混合物通過[16]，且葉輪2轉速低于葉輪1，進一步減小剪切力，有利于反應器缺氧區的形成，更好地進行反硝化反應，所以葉輪2運行時的反應器硝態氮濃度更低.

從圖10中可以看出，葉輪2運行中的兩級反應器的亞硝態氮濃度都高于葉輪1運行時的，經查閱有關資料得知，這是因為葉輪2運行時雖然反應器出水硝態氮的濃度低，但是出水孔大，溶解氧濃度高，使得好氧區可以去除污水中大部分有機物，所以缺氧區的碳源并不充足，反硝化反應輕微受到限制，導致葉輪2運行時的反應器出水亞硝態氮略高于葉輪1運行時的，但是從圖中曲線走勢上看，并沒有造成亞硝態氮的積累，所以葉輪2依然是較好的選擇.

3 結論

從COD、總氮的去除效果方面考慮，COD容積負荷為1.5 kg/(m3·d)運行條件下的3種運行工況中，工況2為最佳；兩種厚度的曝氣葉輪運行中，葉輪2(d=5.0 mm)運行效果較好.即最佳工況為：反應周期為6 h，進水30 min，一級反應器以曝氣4 h停曝1 h的方式進行循環曝氣，二級反應器以曝氣2 h停曝1 h的方式進行循環曝氣，然后沉淀30 min后出水.該工況下COD總去除率為98.15%，氨氮總去除率為98.54%，總氮總去除率為97.30%.

本實驗用水為堆肥滲濾液，在實驗運行中，水質不穩定，負荷波動較大，出水COD以及NH3-N濃度雖然濃度較高，但是去除率均呈現相對穩定的狀態，因此本反應器有較高的抗沖擊負荷能力，可以有效地處理高有機濃度的堆肥滲濾液，并且本工藝運行靈活，構造簡單，造價低廉，對工程建設有實際應用價值.