HAO工艺强化脱氮及系统内污泥减量的研究彭永臻

第42卷第6期中南大学学报(自然科学版)Vol.42No.62011年6月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)June2011H-A-O工艺强化脱氮及系统内污泥减量的研究彭永臻1，高永青1，张晶宇1，王淑莹1，王建龙1,2(1.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京100124；2.北京建筑工程学院环境与能源工程学院，北京100044)摘要：为提高生活污水传统处理工艺反硝化脱氮能力并在系统内部实现污泥减量，设计水解酸化−缺氧−好氧(H-A-O)生物脱氮及污泥减量组合工艺。试验采用连续运行方式，以实际生活污水为对象，进水化学需氧量(COD)为220~410mg/L，进水NH4+-N质量浓度为36~58mg/L，硝化液回流比(r)为300%。试验结果表明：水解酸化作用使原水的可生化性提高60%；系统在无外加碳源和碱度条件下，COD，NH4+-N和TN的去除率分别达到90%，95%和74%，其中总氮(TN)去除效果提高12%；当以污泥水解酸化出水和生活污水作为反硝化碳源时，最大NO3−-N反硝化速率分别为0.75mg/min和0.66mg/min；H-A-O系统利用水解酸化作用实现剩余污泥减量为37%，同时提高系统的脱氮效果。关键词：水解酸化；脱氮；污泥减量中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1672−7207(2011)06−1813−06EnhancednitrogenremovalandinternalsludgereductionbyH-A-OtechnologyPENGYong-zhen1,GAOYong-qing1,ZHANGJing-yu1,WANGShu-ying,WANGJian-long1,2(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,SchoolofEnvironmentalandEnergyEngineering,Beijing100044,China)Abstract:Ahydrolysis-anoxic-oxidation(H-A-O)combinedsystemforenhancednitrogenremovalandwasteactivatedsludge(WAS)reductionwithintheprocesswasdesigned.Thiscombinedsystemwasconductedcontinuously,anddomesticwastewaterwastreated.Influentchemicaloxygendemand(COD)andNH4+-Nconcentrationwere220−410mg/Land36−58mg/L,andtheratioofnitrificationliquidreturn(r)was300%.Experimentresultsindicatethatdomesticwastewaterbiodegradabilityincreasesby60%underthefunctionofhydrolysisandacidification.WithoutexternalC-sourceandalkalinityaddition,COD,NH4+-NandTNremovalefficiencyinthissystemreach90%,95%and74%,wheretotalnitrogen(TN)removalefficiencyincreasesby12%.WhenWAShydrolysiseffluentanddomesticwastewaterareusedasdenitrifictionC-sourcerespectively,theaveragemaximumNO3−-Ndenitrificationratereaches0.75mg/minand0.66mg/min.Finally,sludgereductionratebyhydrolysisandacidificationtechnologyinH-A-Osystemreaches37%.Itcanbeconcludedthatnitrogenremovalefficiencyisenhanced.Keywords:hydrolysisandacidification;nitrogenremoval;sludgereduction收稿日期：2010−05−25；修回日期：2010−07−15基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808128)；北京高校人才强教计划高层次人才资助项目(PHR20090502)；北京市教委科技创新平台项目(PXM2008_014204_050843)通信作者：彭永臻(1949−)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，从事污水生物脱氮除磷及其过程控制方面的研究；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]中南大学学报(自然科学版)第42卷1814国内多数污水处理厂采用传统的活性污泥法污水处理率接近70%，但是，进一步提高传统工艺的脱氮除磷效率却成为了多数污水处理过程中的瓶颈。同时，随着有机物去除效率的逐渐提高，剩余污泥产量也在大幅度增长，剩余污泥的处理与处置则成为现有污水处理厂亟待解决的另一个重点问题。污泥成分复杂，含有大量有毒有害物质，很容易造成二次污染。存在于污泥中的大量有机碳源倍受国内外研究者的关注[1−4]。污泥中的有机成分很高，碳水化合物占50.2%，蛋白质占26.7%，脂肪占20.0%[5]。水解酸化技术可以使污泥中的有机碳源转化为溶于水的小分子形态，主要有热水解[6]、碱法水解[7]、酸法水解[8]、投加化学试剂催化水解[9]及超声微波法水解[10]等。水解酸化技术可以提高废水的可生化性，降低污泥产率，节省能耗[11−14]。污泥水解酸化不仅可以降低污泥量，溶出的有机碳源还可以作为进一步提高脱氮除磷效率的补充碳源[15−17]。Kampas等[18]将浓缩后的剩余污泥进行机械破碎后得到挥发性有机酸(VFA)和化学需要量(COD)最大质量浓度可达850mg/L和6530mg/L。为了强化脱氮除磷工艺，一些污水厂已经采用初沉污泥水解酸化方法补充COD碳源[19]。Cecchi等[20]认为生活垃圾中可生物降解的有机部分发酵产生的有机酸可以用来强化生物脱氮除磷系统，并且还具有经济优势。Biradar等[21]在采用污泥机械破碎产生的COD进行反硝化研究时发现，当COD与总氮(TN)的质量比为7时，硝酸盐反硝化去除率可达到100%。A-O工艺是目前大型污水处理厂应用最广泛的一种脱氮工艺[22]，然而，生活污水C/N较低，使得A-O工艺反硝化过程中碳源不足，反硝化不彻底。因此，本文作者将水解酸化工艺(H)和传统A-O工艺组合为新的H-A-O工艺，并在该组合系统内考察了实际生活污水强化脱氮及系统内污泥减量。在其他小试规模和配水试验研究基础上，本试验采用较大型的污泥水解酸化反应器，并将污泥碳源直接应用于传统A-O反应器，实现污泥与污水一体化处理，为水解酸化技术在污泥减量和污泥碳源开发方面的实际应用提供参考。1材料与方法1.1试验材料图1所示为工艺流程。如图1所示，水解酸化柱为升流式复合反应器(图2)，从下而上分为悬浮区(7L)、沉淀区(4L)和强化区(13L)，总体积为24L。A-O池有效体积为54L，A1~A3为缺氧区，O1~O6为好氧区，其体积比为1:4。A-O反应器中悬浮固体质量浓度(MLSS)维持在3000mg/L左右。硝化液和部分剩余污泥回流至A1缺氧区。本实验所用污水为北京工业大学教职工家属区的生活污水，该实际生活污水水质如表1所示。1.2试验方法连续试验分为2个运行阶段：第1阶段，生活污水从酸化柱底部进入系统，柱中水力停留时间(tHRT)为3.5h，污泥停留时间(tSRT)为40d，ρMLSS为3.0~3.5g/L，A-O中tHRT为8h，tSRT为12d，r为300%，污泥回流比(R)为50%，各好氧区溶解氧质量浓度ρDO在0.7~3.0mg/L之间；在第2阶段，将剩余污泥和生活污水同时打入酸化柱，生活污水进水流量与阶段1相同，柱中tHRT为2.4h，tSRT为20d，柱中ρMLSS为8.5~10.0g/L，A-O中ρDO在0.7~4.2mg/L之间。试验期间系统无外加碳源和碱度。反硝化速率测定试验为批式试验，在有效容积均为1L的反应器内进行，温度为(25±1)℃，无控制pH，采用磁力搅拌器搅拌。接种污泥取自A-O反应器缺氧区，所用污水为实际生活污水，污泥酸化液为连续试验中酸化柱第2阶段的出水。1—原水；2—水解酸化反应器；3—缺氧/好氧反应器；4—沉淀池；5—蠕动泵；6—气体流量计图1H-A-O工艺流程Fig.1H-A-Osystemschematiclayout第6期彭永臻，等：H-A-O工艺强化脱氮及系统内污泥减量的研究1815表1生活污水基本参数Table1Characteristicsofdomesticwastewatermg·L−1成分最大值最小值平均值COD410220370BOD5234146197NH4+-N58.036.051.6PO43−-P13.51.34.6NO3−-N1.450.760.95NO2−-N0.180.060.131.3分析方法水样经过滤后立即测定，最终数据为多次测定的平均值。采用重铬酸钾法测定COD质量浓度；采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N质量浓度；采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO2−-N质量浓度；采用麝香草酚分光光度法测定NO3−-N质量浓度；采用滤纸称量法测定MLSS质量浓度；采用WTWDOpH测定仪测定pH，DO和温度；采用BOD5测定仪测定BOD5质量浓度；采用总有机碳(TOC)分析仪(MultiNC3100)测定总有机碳质量浓度。2试验结果与讨论2.1生活污水可生化性的提高废水的可生物利用性即可生化性一般用5日生化需氧量ρ(BOD5)与ρ(COD)来间接反映。城市生活污水本身已具有可生化性较好的特点，ρ(BOD5)/ρ(COD)一般在0.3~0.5之间。在本试验第1阶段，生活污水经过水解酸化后可生化性仍有明显提高。图2所示为生活污水水解酸化过程中的可生化性变化。由图2可见：生活污水ρ(BOD5)/ρ(COD)由进水处的0.5提高至酸化柱出水时的0.8，生活污水可生化性在水解酸化柱中随高度的升高而呈线性提高。这说明厌氧微生物将不溶性的大分子有机物质通过水解作用转化成溶解性的、易生物降解的小分子物质释放到了水体中[23]。水解酸化反应器底部为泥水混合区；中部为沉淀区，通过反应器变直径作用帮助实现泥水分离；反应器上部有生物膜纤维填料，对泥水分离和水解酸化效果进行强化。因此，生活污水可生化性沿反应器高度而逐渐增强。从水解酸化反应器底部的混合区到中部的沉淀区ρ(TOC)/ρ(COD)呈线性增大，由0.47增大至0.74，这说明污泥中的有机物质逐渐以溶解性有机碳形式溶出，且有机物溶出速率大于消耗速率。在反应器上部和出水位置ρ(TOC)/ρ(COD)略有下降，最终维1—ρ(BOD5)/ρ(COD)；2—ρ(TOC)/ρ(COD)图2生活污水水解酸化过程中的可生化性变化Fig.2Variationofwastewaterbiodegradabilityduringhydrolysisprocedure持在0.7左右。ρ(TOC)/ρ(COD)下降可能是由于在生物膜强化区，泥水混合物浓度已经很低，生物膜微生物可利用的污泥底物急剧减少，导致此时有