不同运行模式下CAST工艺脱氮除磷性能研究孙艾萱

天津城市建设学院学报第16卷第4期2010年12月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVol.16No.4Dec.2010收稿日期：2010-09-04；修订日期：2010-10-15基金项目：国家自然科学基金（50808128）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07314-003）；天津市自然科学基金（10JCYBJC05300）；中国博士后科学基金（20090460182）作者简介：孙艾萱（1984—），女，内蒙古赤峰人，天津城市建设学院硕士生.环境与市政不同运行模式下CAST工艺脱氮除磷性能研究孙艾萱a,b,c，孙力平a,b,c，王少坡a,b,c，于静洁a,b,c，刘媛a,b,c，张智谋a,b,c(天津城市建设学院a.环境与市政工程系；b.天津市水质科学与技术重点实验室；c.水质科学与技术联合实验室，天津300384)摘要：采用三个结构相同的循环式活性污泥法(CAST)反应器，对常规模式、缺氧好氧模式、缺氧好氧交替模式运行下系统的脱氮除磷性能进行了研究，分析了CAST工艺脱氮除磷的限制因素，并且比较了不同运行工况下的系统污泥沉降性能．结果表明：温度为24,℃时，反应器在三种运行工况下总氮的平均去除率分别为67.32%，70.64%，82.43%，脱氮过程中的限制性因素为曝气时间及温度；增设缺氧搅拌可以提高系统脱氮效率，从而降低回流液体的硝态氮浓度，进而有助于正磷酸盐去除率的提高，三种工况下系统正磷酸盐的去除率分别为65.66%，81.40%，98.01%；三种运行工况下系统内污泥均未发生污泥膨胀，工况三模式下的反应器中的污泥的SVI值在80,mL/g左右，沉降性能最好．关键词：CAST工艺；脱氮；除磷；沉降性能中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1006-6853(2010)04-0276-05近年来，环境污染和水体富营养化问题的尖锐化使越来越多的国家和地区制定严格的氮、磷排放标准，这也使污水脱氮除磷技术一度成为污水处理领域的热点．CAST(cyclicactivatedsludgetechnology)工艺是一种较为新颖的具有同步脱氮除磷功能的污水生物处理工艺．它是循环活性污泥法的简称[1]，最早产生于美国，20世纪90年代初引入中国．该工艺集反应、沉淀、排水功能于一体，污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，具有一定的同步脱氮、除磷功能[2]．由于其占地面积小、无需初沉池和二沉池、基建及运行费用低、不易发生污泥膨胀、操作管理方便等诸多优点，在我国已得到较多应用，具有广阔的市场前景[3]．然而，实践应用经验表明，CAST工艺脱氮效果往往不理想[4]；另一方面，在Goronszy教授及其课题组对CAST工艺进行了系列研究之后[2,6,7]发现，对CAST工艺污染物去除机理的深入研究并不多见，虽然，近年来有人对CAST工艺实时控制及除磷性能强化进行了探索[8-10]，但是有效强化CAST工艺脱氮除磷性能的方法仍有待于深入研究．本研究旨在研究不同运行工况下CAST工艺的脱氮除磷性能，分析系统中氮磷的去除过程以及系统内污泥沉降性能的变化，确定可强化CAST工艺脱氮除磷性能的方法．1材料和方法1.1试验装置采用三个结构完全相同的有机玻璃反应器，每个反应器的总体积为28.8,L，有效容积为21.6,L，其中生物选择区容积占总容积的13.3%．反应器的运行由定时器自动控制，根据需要对进水、曝气、回流、沉淀各过程的启动和停止时间进行调整．整个试验过程均在室温下进行，进水由蠕动泵供给；曝气气源由空气压缩机提供，采用黏砂块曝气头，由转子流量计控制气量．生物选择区设立搅拌器，提供混合作用．混合液从主反应器末端回流到选择区前端，pH值、溶解氧(DO)浓度均用在线检测仪(WTW,Multi340i多参数检测仪)进行测定，试验装置如图1所示．天津城市建设学院学报孙艾萱等：不同运行模式下CAST工艺脱氮除磷性能研究277图1试验装置1.2试验用水试验用水为人工配水．根据模拟天津市某污水处理厂的进水，确定原水水质COD为290~320,mg/L(葡萄糖提供)；NH4＋-N浓度为50,mg/L(NH4Cl提供)；PO4--P浓度为5,mg/L(KH2PO4提供)；原水的碱度由NaHCO3提供，且所提供的原水总碱度为340～360,mg/L(以CaCO3计)．配水时还需加入微量元素．1.3运行工况一般情况下，CAST工艺的一个运行周期包括四个阶段：进水、曝气、沉淀、排水及闲置．本试验中三个反应器分别按不同运行工况运行，对应于三种运行工况，如图2所示．工况一为常规运行模式，即：每周期进水2,h，非限制性曝气(边进水边曝气)2,h，沉淀1,h，排水闲置1,h，共4,h，每天6个周期．混合液回流量为进水流量的20%，整个周期都回流；工况二的运行模式为：进水时间1h，0～30,min边进水边搅拌，从第31,min起开始曝气，曝气时间持续1.5,h，沉淀1,h，排水闲置1,h，即相对于工况一，其启曝时间延后0.5,h，曝气长度缩短0.5,h．工况三的运行模式为：进水时间1,h，0～30,min边进水边搅拌，31～60,min边进水边曝气，61～90,min，进行0.5,h的搅拌，从91～120,min进行0.5,h的曝气，然后沉淀1,h，排水闲置1,h．工况三比工况二好氧曝气时间也缩短了0.5,h．实验期间三个反应器均维持MLSS(污泥浓度)在4,000,mg/L．根据反应器每周期运行4,h，并且该反应器的充水比为33.3%，确定HRT(水力停留时间)为12,h．由于每天在曝气时排出泥水混合物1L，由此可图2装置运行工况以计算出SRT(污泥龄)为21,d．本试验的污泥取自天津某污水处理厂二沉池回流污泥，反应器保持一个周期内好氧区DO在2～3,mg/L．1.4分析项目及方法水样分析项目均按国家环保总局发布的标准方法测定[11]，其中：COD采用国家标准方法重铬酸钾法；NH4＋-N采用纳氏试剂光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；NO2--N采用N-(1-奈基)-乙二胺光度法；PO4--P采用钼锑抗分光光度法；SV，SVI，MLSS均按国家环保局发布的标准方法测定；pH，DO的监测采用德国WTW公司的340,i多参数便携式在线测定仪．2结果与分析2.1不同运行模式下系统的脱氮性能反应器在运行期间总氮的去除情况如图3所示．图3运行模式对总氮去除率的影响由图3可以看出，在试验初期即实验开始的前5,d，TN的平均去除率很低．在三种运行工况下，系统TN的平均去除率分别为20.00%，25.00%，11.00%．根据温度不同，将实验分为三个阶段．第一阶段从第1天到第35天(2010023—20100426)，总计35,d．此期间温度保持在10～15,℃．在此期间，工况一模式下系统TN的平均去除率为50.29%，工况二模式下TN的平均去除率为37.35%，工况三模式下的TN的平均去除率为28.49%．第二阶段从第36天到第70天(20100426—20100601)，总计35,d．此期间温度保持在15～24,℃．在此期间，工况一模式下TN的平均去除率为61.76%，工况二模式下TN的平均去除率为66.07%，工况三模式下TN的平均去除率为66.15%．第三阶段从第71天到第94天(20100601—278天津城市建设学院学报2010年第16卷第4期20100624)，总计24,d．此期间温度保持在24～27,℃．在此期间，工况一模式下TN的平均去除率为67.32%，工况二模式及工况三模式下的TN的平均去除率分别为70.64%，82.43%．以上平均去除率的误差值均在5%以内．由此可见，反应器在工况三下的TN去除效果最佳，其次为工况二，最后为工况一．为了进一步考察系统中TN去除情况不同的原因，对实验过程中三种工况运行条件下出水氮基质浓度的变化情况进行了分析，结果如图4-6所示．图4工况一运行模式下出水氮基质的浓度变化图5工况二运行模式下出水氮基质的浓度变化图6工况三运行模式下出水氮基质的浓度变化由图4-6可知，在第一阶段，工况一运行模式下的反应器，出水氨氮的浓度比工况二和工况三的低，氨氮的平均去除率最高，原因在于期间水温在10～15,℃之间，此时氨氧化菌的活性较低，氧化速率较慢，工况一中曝气时间为2,h，而工况二的曝气时间为1.5,h，工况三的曝气时间为1,h，工况一的曝气时间最长，故氨氮氧化掉的量也最大，所以出水氨氮低，致使总氮的去除率高，在此阶段影响总氮去除率的限制性因素为曝气时间及温度．在第二阶段，水温上升到15～24,℃，由于温度不仅影响细菌的比增长速率，而且会影响细菌的活性．一般认为氨氧化细菌的最大比增长速率与温度之间遵循Arrhenius方程，温度每升高10,℃，最大比增长速率增加1倍．在5～30,℃之间，随着温度的升高，硝化反应速率也增加[12]．故在此期间各污染物的浓度波动较大，各个工况的总氮的去除率均高于第一阶段．在第三阶段时水温在24～27,℃之间，从图4-6中可以看出，三种运行模式下的出水氮基质浓度基本稳定，在工况三模式运行下反应器出水硝态氮的浓度小于工况二运行下反应器中硝态氮的浓度，并且也小于常规条件下反应器中硝态氮的浓度．这是因为改变工况后每周期中增加了缺氧搅拌时间，强化了系统的反硝化性能，进而降低了出水中硝态氮的浓度[13]，所以总氮的去除率提高．综上所述，在工况三模式下，系统的脱氮性能最好．在水温为24～27,℃时，三个反应器中的氨氮均可完全被氧化，此时影响系统总氮去除效率的因素主要是缺氧搅拌时间，缺氧搅拌时间越长，系统的反硝化效果越好，出水的TN浓度也越低．2.2不同运行模式下系统除磷性能图7为三种运行工况下CAST反应器的除磷状况对比．图7运行条件对正磷酸盐去除的影响由图7可知，系统在工况一、工况二、工况三模式天津城市建设学院学报孙艾萱等：不同运行模式下CAST工艺脱氮除磷性能研究279下的正磷酸盐平均去除率分别为65.66%，81.40%，98.01%，且平均去除率的误差值均在3%以内．很明显，工况三模式下除磷性能最好．根据反硝化除磷原理，聚磷菌在厌氧时利用体内多聚磷酸盐(P－P)分解产能，摄取水中的易降解有机物，从而在体内形成聚合物PHB，并释放磷；在缺氧或好氧时利用所贮存的PHB产生能量以形成糖元，维持生存和细胞的生长繁殖，并过量吸磷[14]．所以系统中PHB的生成量直接影响系统的除磷性能，而PHB的生成发生在释磷阶段．在三种运行模式下系统的释磷过程都是在选择区中进行，由于进水中的有机物一部分是在聚磷菌的厌氧释磷过程中被消耗，一部分是在硝态氮反硝化过程中被消耗掉，而在反硝化菌与聚磷菌竞争碳源的过程中反硝化菌占优势[15]，所以如果系统中硝态氮的浓度高，那么反硝化消耗的碳源的量就会增加，聚磷菌能得到的碳源量就减少，从而抑制聚磷菌的释磷，释磷过程会合成PHB，为聚磷菌的好氧吸磷提供能量，一旦释磷过程受到抑制，那么合成PHB的量就会下降，好氧吸磷也会受到抑制，系统的除磷能力就下降．比较三种运行模式可知，由于工况二和工况三在运行中均增加了缺氧搅拌阶段，提高了系统的反硝化性能，故降低了回流液中的硝态氮的浓度，减少了反硝化过程所需的有机碳源量，为聚磷菌在厌氧释磷过程中提供更多的碳源，厌氧释磷得到保障，PHB合成量也会增加，那么在随后的好氧吸磷过程中，聚磷菌的吸磷能力就会增强．工况三缺氧搅拌时间最长，该模式下选择区内厌氧释磷最为充分，因此该模式下系统除磷能力最佳．2.3不同运行模式下系统的污泥沉降性能三种运行模式下污泥的污泥容积指数(SVI)变化情况如图8所示．图8运行工况对污泥容积指数的影响SVI值能反应污泥的沉降性能，当SVI＜80,mL/g时，说明污泥的沉降性能好，SVI在80～150,mL/g之间说明沉降性能良好，SVI＞150,mL/g时，说明污泥要发生丝状膨胀[16]