臭氧耦合AAO污泥减量及污水处理效能研究

活性污泥法处理污水过程中会产生大量的剩余污泥，且剩余污泥中含有大量的重金属和致病菌等，如果不进行合理的处理处置将会对环境和人体造成危害[1-3]。有资料表明，污泥处理费用约占整个污水处理厂运行总费用的25%～65%，剩余污泥的处理问题已经成为制约污水处理厂正常运行的重要因素之一[4]。目前常见的处理方法有填埋、焚烧和堆肥等，但存在占地面积大、费用高且难以稳定化等缺点。污泥臭氧化减量技术利用臭氧对剩余污泥进行溶胞，与水处理系统结合能从源头上减少剩余污泥的产生[5-8]。A/A/O工艺兼具良好的污水处理和脱氮除磷能力，在污水处理中得到了广泛的应用。将污泥臭氧减量化技术与A/A/O系统联合的研究常见报道，但这些研究主要针对臭氧投加量和臭氧化污泥回流比的考察相对较多，关于臭氧化污泥回流至A/A/O系统中不同区域对污泥减量和污水处理效能的影响研究则还未见报道[9]。本研究将污泥臭氧化与A/A/O系统联合，以污泥减量为目的，采取3种回流方式（全部回流至厌氧区、等比例回流至厌氧区和缺氧区、全部回流至缺氧区），考察不同回流方式下的污泥减量效果以及臭氧化污泥回流对A/A/O系统污泥性质和出水水质的影响，以期为臭氧耦合A/A/O系统污泥减量技术改良提供建议。实验所用污泥取自成都市某海污水处理厂的回流污泥。取回后定期添加营养液进行曝气培养至性质稳定，根据实验目的进行相应调节。污泥MLSS的质量浓度为5～6mg/L，籽(MLVSS)/籽(MLSSSV)为0.52，污泥沉降比（SV）为22%，污泥容积指数（SVI）为35～45mL/g，pH为6.8～7.2。实验所用A/A/O工艺装置为自行搭建的有机玻璃水槽，进水由蠕动计量泵精确控制，流程如图1所示。进水体积流量10L/h，内、外回流体积比分别为200%、100%，污泥停留时间12d。其余工艺性能参数见表1。污泥臭氧化实验由氧气瓶、臭氧发生器、臭氧接触反应柱、搅拌器以及尾气吸收液组成。氧气由减压阀进入臭氧发生器经高压放电产生臭氧，臭氧通过任宏洋1，2，彭磊1，王兵1，2，刘璞真1（1.西南石油大学化学化工学院；2.中国石油天然气集团公司HSE重点实验室西南石油大学研究室：四川成都610500）将剩余污泥臭氧化与A/A/O工艺系统耦合，在3种回流方式下，研究了臭氧耦合A/A/O系统的污泥减量效果和污水处理效能。结果表明，臭氧耦合A/A/O系统污泥减量效果明显，20d内，3种不同回流方式下累积排泥量较传统A/A/O工艺系统分别下降了51.3%、49.8%、47.6%。臭氧化污泥回流对系统出水COD无明显冲击，同时提高了污泥沉降性和系统的脱氮能力。臭氧化污泥回流至厌氧区时系统TP去除率下降，而回流至缺氧区时则可以小幅提升TP去除率。综合考虑污泥减量效果和污水处理效能，认为将臭氧化污泥等比例回流至厌氧区和缺氧区为最佳回流方式。A/A/O；污泥减量；臭氧；污水处理X703.1A1000-3770(2019)12-0105-005收稿日期：2018-11-30基金项目：四川省科技支撑计划项目（15ZC1322）作者简介：任宏洋（1980－），男，博士，副教授，研究方向为水污染控制；联系电话：[phone]；电子邮件：[e-mail]图1A/A/O工艺系统流程Fig.1AAOprocesssystemflow第45卷第12期2019年12月Vol.45No.12Dec.,2019DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2019.12.0201052019-12-1814:22:53微孔曝气头进入反应柱与污泥反应，通过调节臭氧发生器电流和流量计控制臭氧的投加量反应过程中产生的泡沫由搅拌器消除，剩余的臭氧进入KI吸收液被吸收，防止造成污染。将污泥置于A/A/O工艺装置中，每天定期进水为生活污水与人工配水（配方如表2所示）混合液，并且逐天减少生活污水比例，在1周之后完全换为人工配水；继续使用人工配水驯养1周，连续监测出水COD和NH4+-N、TP含量变化。接种污泥经过2周的培养和活化后，出水水质稳定且良好，污泥含量升高，SVI稳定，污泥呈深褐色。通过显微镜可以看到黑褐色的菌胶团，且污泥中含有的微生物种类丰富，存活大量钟虫、节枝虫等原生动物，活性良好，表明活性污泥经过驯化后已经可以进入下一阶段的实验。1）A/A/O系统的运行。接种污泥驯化稳定后，人工配水由蠕动计量泵精确进水，体积流量为5L/h，24h不间断进水，模拟污水依次流经进入厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池，部分即将进入二沉池的混合液会作为硝化液回流至缺氧区进行反硝化作用，回流体积比为200%（内回流）；而二沉池排出的剩余污泥则被分为2部分，一部分作为回流污泥直接通过污泥回流管被蠕动泵泵入厌氧池，回流体积比为100%（外回流），另一部分剩余污泥直接排出。2）剩余污泥臭氧化及回流。A/A/O系统中排除的剩余污泥进入臭氧化处理装置，前期的研究表明O3投加量以MLSS的0.15g/g的时污泥破解效果最好，在本实验中O3投加量依然为0.15g/g[10]。有研究表明，破解污泥在回流体积比为50%～60%有较好的减量效果，因此本实验臭氧化污泥回流体积比定为60%[11-12]。回流方式按区域不同分为3种：全部回流至厌氧区（A系统），按1:1同时回流至厌氧区和缺氧区（B系统），全部回流至厌氧区（C系统）。COD、SVI和NH4+-N、TN、TP、MLSS含量的分析测定均采用文献的标准方法测定[13]。污泥实际产量（实际污泥累计产量）是指水处理系统一段时间内污泥质量的净增长量，在此为污泥的累计产量，计算方法：式中，m(TSS)n为第n天所产的污泥累积质量，籽(MLSS)n和籽(MLSS)0分别为初始和第n天A/A/O系统各反应区的平均MLSS的质量浓度，V为系统总体积，mi代表第i天的当日排泥质量。污泥表观产率系数Yobs是指单位COD被降解后水处理系统内污泥所增长的质量，计算方法：Yobs=([籽(MLSS)a-籽(MLSS)0]V)/[(Cj-Cc)Vj]。（2）式中，籽(MLSS)a为进水后A/A/O系统各反应区MLSS的平均质量浓度，Cj和Cc分别为系统进水和出水COD，Vj为系统进水总体积。图2为对传统A/A/O系统与臭氧耦合A/A/O系统20d内污泥累积产量的对比。由图2可知，20d内，传统A/A/O系统累积排泥1250g，A、B、C三系统累积排泥量分别为608.1、626.4、654.8g，污泥减少率则分别为51.3%、49.8%、47.6%，当臭氧化污泥全部回流至厌氧区时减量效果最好。在臭氧耦合A/A/O系统中，污泥臭氧化后其混合液中含有大量的溶解性有机物，微生物利用其作为底物进行新陈代谢，使得系统污泥减量。当臭氧化污泥全部回流至厌氧区时，系统污泥减量效果MLSSDO厌氧区缺氧区好氧区4283000～35002500～30002500～3000＜0.20.4～0.62～4表1A/A/O工艺运行参数Tab.1A/A/Oprocessoperatingparameters区域HRT/h籽/(mg·L-1)m(TSS)n=[籽(MLSS)n-籽(MLSS)0]V+移i=1mi。（1）n葡萄糖淀粉牛肉膏250150150磷酸二氢钾碳酸氢钠硫酸铵成分籽/(mg·L-1)成分3050120表2人工配水试剂Tab.2Theformulaoftheinfluentsewage籽/(mg·L-1)成分籽/(mg·L-1)硫酸铁氯化钙0.55图2各处理系统累积污泥产量Fig.2Accumulatedsludgeyieldineachtreatmentsystem0481216200.00.20.40.60.81.01.21.4对照ABCm/kgt/d第45卷第12期106最好，其原因可能是系统中兼性菌和厌氧菌利用臭氧化污泥中有机质产生了污泥厌氧消化作用，进一步增强了系统的污泥减量效果[14]。根据式（2）计算对照系统和臭氧耦合A/A/O系统的污泥表观产率，结果如表3所示。由表3可知，经过20d的运行，3种不同回流方式下，臭氧耦合A/A/O系统污泥的表观产率比较接近，均低于对照系统，其中在A系统污泥减少率最高，这与前面系统累积排泥量的结果一致，当臭氧化污泥全部回流至厌氧区时能实现最大的污泥减量率。图3为不同回流方式下，A/A/O系统MLSS的变化趋势。由图3可知，在20d的运行期内，A、B、C三系统以及对照系统的MLSS的质量浓度平均分别为2.736、2.778、2.802、3.119g/L。分析结果可知，臭氧化污泥以不同方式回流至厌氧区和缺氧区时会造成系统污泥MLSS含量下降，其中下降率最大为A系统，达到了12.28%；而破解污泥回流至A/A/O系统时污泥减少率最高为51.3%。表明污泥减量过程主要发生在臭氧化污泥回流至水系统之后，经过反应器内污泥中微生物重新吸收代谢实现。破解后的污泥失去活性，转化为可被污泥降解的物质，活性污泥利用这些物质进行新陈代谢，将其分解为无机物并产生微生物生长所需的能量[15]。一般情况下，微生物在自身氧化和衰减时才进行内源呼吸，通过臭氧对回流污泥进行溶胞可以实现外部作用加快微生物内源代谢速率，实现污泥减量[12]。图4为对照系统及不同回流方式下A/A/O系统污泥SVI的变化趋势。由图4可知，对照系统污泥的SVI在80～100mL/g变动，20d内平均为92.7mL/g，A、B、C三系统的SVI在70～90mL/g变动，20d内的SVI平均分别为80.4、81.9、80.5mL/g。与对照组相比，臭氧耦合A/A/O系统的SVI明显减小，这是因为臭氧破坏了污泥絮体且导致微生物细胞死亡、破解，污泥细胞内及细胞间水分被释放出来，导致污泥密度提高，臭氧化污泥回流至系统时污泥沉降性能提高[16]。同时可以观察到A、B、C三系统的平均SVI比较接近，说明臭氧耦合A/A/O系统能显著提高污泥沉降性，且与臭氧化回流区域关系不大。图5为连续运行期间系统进水COD、对照组出水COD以及A、B、C三系统的出水COD变化趋势。由图5可知，20d内，对照组的系统出水COD较为稳定，平均为22.6mg/L，平均去除率为93.24%，表明此A/A/O系统具备良好的污水处理能力。A、B、C三系统的COD去除效果相差不大，出水COD平均分别为25.30、27.28、26.77mg/L，对应的平均去图5进水和各系统出水COD变化Fig.5VariationsofinfluentandeffluentCODineachsystem04812162001020304050300350400出水对照ABCCOD/(mg·L-1)进水t/d对照A0.3690.22239.8BC0.2280.23038.237.7系统Yobs污泥减少率/%系统Yobs污泥减少率/%表3污泥表观产率Tab.3Thesludgeobservedyield图3各处理系统MLSS含量变化Fig.3VariationsofMLSScontentineachtreatmentsystem0481216200.00.51.01.52.02.53.03.5对照ABCt/d图4各处理系统SVI变化Fig.4VariationsofSVIineachtreatmentsystems048121620020406080100120SVI/(mL·g-1)对照ABCt/d任宏洋等，臭氧耦合A/A/O污泥减量及污水处理效能研究107除率分别为92.46%、91.87%、92.03%。与对照系统比较，虽然A、B、C三系统的COD去除率均有所下降，但幅度不大，未对A/A/O系统的出水COD造成冲击，出水COD仍处于GB18918－2002一级A排放标准范围内[17]。图6和图7分别为不同回流方式下A/A/O系统NH4+-N、TN含量的变化趋势。由图6和