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工业葡萄糖两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺的优点

摘要:从理论和实验两方面系统地总结了两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺的优点。

1 两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺理论上的优点

氮、磷的脱除不外乎有等四类生物反应过程。

大量研究表明,单级活性污泥除磷脱氮系统(如A2/O和SBR等系统)中氮和磷的去除为一对矛盾的关系,除磷效果好时脱氮效果不好,而脱氮效果好时除磷效果却不好。这是因为释磷、吸磷、硝化和反硝化这四类生化反应过程对微生物的组成、基质类型及环境条件的要求各不一样,使得单级活性污泥除磷脱氮系统不可避免地存在着固有的矛盾和不足。而两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺能避免这些矛盾和不足,其主要优点在于:

①解决了聚磷菌与硝化菌和反硝化菌混合生长的矛盾

在单级除磷脱氮系统中,除磷的主要微生物——聚磷菌和在脱氮过程中起重要作用的硝化菌是混合生长的。硝化菌通常属于自养专性好氧菌,其特点是繁殖速度缓慢,世代时间长,为获得良好的硝化效果,必须保证系统有较长的泥龄。而聚磷菌世代时间却较短,且磷的去除是通过排除剩余活性污泥实现的,若泥龄较长不仅导致生物处理系统产泥量减少,而且在硝化过程中,由于较长的好氧时间使污泥的活性降低,从而影响聚磷菌对磷的吸收率,造成活性污泥含磷量降低。所以为了保证良好的除磷效果,系统必须短泥龄运行,这就是一对矛盾。

在两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺中聚磷菌主要生长在除磷级,硝化菌和反硝化菌主要生长在脱氮级,这样巧妙地把聚磷菌与硝化菌和反硝化菌这两大功能微生物分别控制在两个反应器内生长,从而解决了功能微生物混合生长的矛盾。

②避免了释磷与反硝化过程中对碳源的竞争性矛盾。

生物除磷脱氮中的释磷与反硝化过程都需要消耗大量碳源。一般来说,城市污水中所含易降解有机物的含量有限,所以在单级除磷脱氮系统中的释磷与反硝化之间,必然存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾。

在两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺中释磷和反硝化分别控制在两个反应器内进行。除磷级的释磷过程所需碳源由原水供给,而脱氮级的反硝化过程所需碳源由外加乙醇或补充原水供给。

③解决了厌氧区的硝酸盐问题。

厌氧区硝酸盐含量的控制问题,是单级除磷脱氮系统需要解决的一个难题。在这种系统的厌氧段不可避免地存在有硝酸盐成分,特别是当污水中碳氮比(COD/N)较低时,这一问题更为突出。根据生物除磷原理,污水中溶解性BOD含量及发酵产酸菌(主要是气单胞菌)的发酵产酸作用是决定其他聚磷菌能否正常发挥其功能的重要因素。如果厌氧区存在硝酸盐成分,一方面会被在除磷过程中担负发酵产酸作用的气单胞菌利用作为电子受体进行反硝化,抑制其对溶解性有机物的发酵产酸作用;另一方面,反硝化菌会与聚磷菌竞争污水中有限的溶解性有机物(特别是VFAs)并优先于聚磷菌以这些有机物为电子供体进行反硝化。结果使聚磷菌无法得到足够VFAs,从而抑制了聚磷菌的释磷及厌氧产物PHB(聚-羟基丁酸盐)的合成能力,使得聚磷菌在后续的好氧条件下缺乏过量摄磷和自身增殖所需要的碳源和能量,使系统除磷效果下降,甚至遭到破坏。有资料认为,为保证厌氧区的高效释磷,一般应将NO3-N浓度控制在0.2mg/L以下。

在两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺中,除磷级在前,而此时进水中氮以氨氮形式存在,除磷级主要是泥龄短的聚磷菌,泥龄长的硝化菌很难存活,这样聚磷菌就能够充分发挥其厌氧释磷和好氧吸磷功能,从而解决了单级除磷脱氮系统厌氧区硝酸盐问题。

④解决了有机物浓度与硝化作用的矛盾。

污水中可生物降解含碳有机物与氮之比(BOD5/TKN)是影响生物硝化速率的主要因素。硝化菌是自养专性好氧菌,在好氧条件下,其增长速率与异养菌相比较要低得多。在硝化阶段,若含碳有机物的浓度过高,会使生长速率较高的异养菌迅速繁衍,从而使生长缓慢的硝化菌得不到优势生长,结果降低了硝化速率。另外,有机物对硝化菌的毒害和抑制作用,使得本来生产率就很低的硝化菌处于不利的生存环境。所以在硝化阶段,含碳有机物的浓度不能过高。一般资料认为,BOD5应控制在20mg/L以下,且BOD负荷应控制在0.06~0.1kgBOD5/kgMLSS˙d的水平。

在两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺中,在前的除磷级的运行过程是先厌氧释磷后好氧吸磷,而此时进水中大量有机物正好做为释磷所需的碳源,等除磷级出水进入到脱氮级时系统中有机物浓度就很低了,这恰好是硝化菌所需的良好环境。

⑤降低了除磷和脱氮过程中的能量消耗。

在单级除磷脱氮系统中,当进水的COD/N值较高时,为使含碳有机物氧化分解至较低的浓度而保证硝化作用的进行,必须保证处理系统有较长的曝气时间和泥龄,这不仅对除磷不利,且运行费用也相对较高,不经济。

在两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺中,不存在硝化阶段COD/N值较高问题,故该工艺可以降低能耗。

以上分析了单级除磷脱氮系统的一系列矛盾关系,阐明了两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺优点。基于此提出了两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺,并进行了实验研究。

2 实验装置及流程简介

2.1 实验装置及控制

工业葡萄糖两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺的优点

反应器大小为直径200mm,高600mm,有效容积12L有机玻璃柱。实验装置是由两套大小完全相同的反应器组成,分别用做除磷序批式活性污泥法级(简称除磷级)、脱氮序批式活性污泥法级(简称脱氮级)。以上每套装置见示意图1。除磷级和脱氮级串联使用,即原污水→除磷级→脱氮级,详见实验流程示意图2。另外还有单泥除磷脱氮序批式活性污泥法级,它单独运行,作为上述两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺对比工艺。

工业葡萄糖两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺的优点

装置均采用鼓风曝气,用转子流量计控制曝气量。系统采用电热丝加热,并利用温控仪系统进行恒温控制。ORP、pH和DO均在线控制,根据ORP、pH和DO的变化控制各反应器的反应时间和采样。根据SBR工艺特点,每一种实验条件必须运行若干周期以上才进行采样测试。

2.2 实验流程

①两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺流程是由除磷级和脱氮级组成,它们串联使用,除磷级在前,脱氮级在后,除磷级的除磷的出水将进入和脱氮级进行脱氮处理,其流程见示意图2。除磷级和脱氮级周期运行时间均为8小时。

②单泥除磷脱氮序批式反应器单独运行,用作“两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺”对比工艺,周期运行时间均为16小时。

2.3 原水配制

3 在实验过程中,两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺体现出下列优势

①工艺对磷和氮的脱除是可行的和可靠的。

实验表明,两级序批式活性污泥法除磷脱氮工艺系统对磷和氮的去除是可行的,也是可靠的。该系统具有很高的处理效率:COD去除率为90.9~96.2%,出水COD均小于25mg/L;除磷率为97~99.2%,出水总磷浓度为0.1mg/L左右;脱氮率为98.5~99.9%,出水总氮浓度为0.4mg/L左右。

除磷脱氮效果好的根本原因在于把聚磷菌与硝化菌和反硝化菌这两大功能微生物分别控制在两个反应器内优势生长,各自发挥最佳功能所至。

同时进行的单泥除磷脱氮反应器处理结果为:除磷效果好,达90%以上;而经8h曝气,总氮去除率仅为62%左右,出水中仍然有30mg/L左右的氨氮没有被硝化。

②两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺除磷脱氮的历时短。

该工艺每周期除磷历时和脱氮历时均为8小时,这均比一般的同时除磷脱氮SBR系统要快。

同时进行的单泥除磷脱氮序批式反应器除磷和脱氮历时为16小时。

③两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮工艺系统运行稳定,抗冲击能力强。

除磷级和脱级氮各自级功能微生物分别在各自反应器中优势生长,互不干扰,系统稳定,能避免冲击负荷,尤其是有机物对硝化菌的冲击。

④两级序批式活性污泥法生物除磷脱氮系统的除磷级和脱氮级均可通过ORP、pH和DO的阶段性变化规律,实现自动控制。

通过检测ORP、pH和DO的阶段性变化规律,利用现代自动控制技术,可以分别对除磷级和脱氮级反应进行实时控制。尤其是脱氮级,该级又应以pH为优先控制信号,以DO和ORP作为辅助控制信号。

⑤两级序批式活性污泥法除磷脱氮工艺的除磷级对磷的去除不必达到一级排放标准,从而可缩短除磷历时。

除磷级出水磷浓度不必达到一级排放标准,而只须达到小于1.5mg/L即可。这样,一方面可以大大减少除磷级的反应时间;另一方面除磷级的出水进入脱氮级后,磷素将会被稀释作用和生物同化作用等过程而降低其浓度,从而达到排放标准。

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