单级好氧生物除磷工艺处理生活污水

中国环境科学2012,32(7)：1203~1209ChinaEnvironmentalScience单级好氧生物除磷工艺处理生活污水陈洪波1,王冬波1,李小明1*,罗琨1,杨麒1,钟琼2(1.湖南大学环境科学与工程学院,环境生物与控制教育部重点实验室,湖南长沙410082；2.湖南省环境保护职业技术学院,湖南长沙410082)摘要：采用SBR单级好氧生物除磷工艺处理生活污水,检验该工艺处理实际污水的可行性和稳定性,并与传统厌氧/好氧工艺进行比较.结果表明,当进水磷浓度为2~10mg/L时,SBR单级好氧生物除磷工艺能高效去除污水中的磷,经过长期运行去除效果稳定,去除率保持在90%以上,最高可达98.6%.该工艺对污水中的氨氮、TN、COD等污染物也具有良好的去除效果,平均去除率分别在92%、87%、90%以上,并可实现同步脱氮除磷.SBR单级好氧生物除磷工艺无厌氧段实现强化生物除磷,与传统厌氧/好氧工艺相比,除磷能力相当,但运行成本较低,经济性优势明显.关键词：SBR；单级好氧；生物除磷；生活污水中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)07-1203-07Biologicalphosphorusremovalofdomesticwastewaterbysingle-stageoxicprocess.CHENHong-bo1,WANGDong-bo1,LIXiao-ming1*,LUOKun1,YANGQi1,ZHONGQiong2(1.KeyLaboratoryofEnvironmentalBiologyandPollutionControl,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China；2.HunanEnvironmentalProtectionCollege,Changsha410082,China).ChinaEnvironmentalScience,2012,32(7)：1203~1209Abstract：Asequencingbatchreactoroperatedinsingle-stageoxicprocesswasconductedtoexamineitsfeasibilityandstabilityforthetreatmentofrealdomesticwastewater.Andmeanwhile,thesystemperformancewascomparedwiththetraditionalanaerobic/aerobicprocess.Thelaboratoryresultsshowedthat98.6%ofthehighestefficiencyofphosphorusremovalcouldbeachievedinthesingle-stageoxicprocesswhentheTPconcentrationoftheinfluentrangedfrom2to10mg/L,andsimultaneousremovalofnitrogenandphosphoruscouldbewellrealizedduringlong-termoperation,theaverageremovalratesofNH4+-N,TNandCODwerefoundtobehigherthan92%,87%and90%,respectively.Althoughthetwoprocesseshadtheapproximatephosphorusremovalrate,thesingle-stageoxicprocess,inwhichwithoutanaerobicphase,hadanobviouseconomicadvantageoveranaerobic/aerobicprocessduetoitslowerrunningcost.Keywords：sequencingbatchreactor；single-stageoxic；biologicalphosphorusremoval；domesticwastewater磷是一种重要的营养元素,大量磷元素进入湖泊、海湾等缓流水体,会引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,造成水体溶解氧枯竭,引发水体富营养化,因而必须将其从污水中去除[1-4].强化生物除磷(EBPR)无需化学沉淀剂就能促进污水中磷的去除,因运行成本低,二次污染小,占地面积少等优点受到广泛关注.传统生物除磷理论[5]认为,生物除磷通过聚磷菌首先在厌氧条件下水解细胞原生质中聚合磷酸盐(poly-P)释放磷,然后在有氧条件下过量摄取磷,并排出富磷污泥的途径实现对磷的去除.聚磷菌(PAOs)厌氧释磷是其好氧吸磷的前提,厌氧段是生物除磷必不可少的阶段.传统厌氧/好氧工艺前后设置了厌氧段好氧段和静止期,厌氧段的存在对磷的去除作用重大,但同时也使得工艺运行操作复杂,必须采用自动控制,附属设施多,运行成本较高.此外,有研究表明,若无法维持严格的厌氧环境且存在硝态氮时,EBPR系统的除磷能力会迅速减弱甚至消失.这是由于比PAOs更具COD亲和力的反硝化菌会优先进行厌氧呼吸消耗易降解碳源,使PAOs无法得到足够的碳收稿日期：2011-10-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078128)*责任作者,教授,[e-mail]1204中国环境科学32卷源,从而导致除磷失败[6].因此,研发一种无需厌氧段便能实现强化生物除磷的新型工艺对污水中磷的去除具有重大的理论和实际意义.王冬波等[7]发现,进水后未经过厌氧段而直接进行曝气,内循环SBR反应器仍具有良好的除磷能力.该课题组[8-9]还发现当反应条件相同,进水浓度相当时,在普通SBR反应器中也能保持较好的除磷效果.随后,陈光秀等[10]利用SBR反应器进行生物脱氮也发现了明显的磷减少现象.虽然陈光秀等[10]在好氧段前设置了缺氧段,且除磷现象是在系统污泥浓度增大到一定程度后才被发现的,但在缺氧段磷的浓度基本没有变化,进入好氧段后才出现明显下降,因此诱导除磷的实质与王冬波等[7]的结论是一致的.本研究小组的前期研究[11-15]表明SBR单级好氧工艺具有良好的除磷能力,可同步高效去除人工合成污水中的氨氮、TN、COD等,且效果稳定,运行成本低,具有可观的应用价值.然而,上述研究均以人工配水为研究对象,而生活污水成分复杂且随季节和天气变化波动幅度较大,因而上述研究结果不能完全反映实际情况,SBR单级好氧生物除磷工艺处理生活污水的可靠性和稳定性有待进一步求证.本研究以南方某小区生活污水为研究对象,建立同步脱氮除磷的SBR单级好氧生物除磷工艺,通过长期运行,检验该工艺处理生活污水的可行性和稳定性,并与传统厌氧/好氧工艺进行优缺点比较分析.1材料与方法1.1实验装置及运行方法实验在2个体积为2L的反应器(R1、R2)中进行,R1采用序批式厌氧/好氧运行模式,R2采用SBR单级好氧工艺.接种活性污泥取自长沙市第二污水处理厂二沉池回流污泥,反应器中初始活性污泥浓度为4000mg/L左右.两组SBR每天运行3个周期,每周期运行8h.单个周期的具体运行方式如下:R1:进水→厌氧(2h)→好氧(4h)→沉淀出水(0.5h)→静置(1.5h)R2:进水→好氧(4h)→沉淀出水(0.5h)→静置(3.5h)每周期开始前瞬时进水1L,SBR的有效体积均为1.8L.R1在厌氧段采用磁力搅拌器搅拌,搅拌强度使泥水混合物混合均匀即可,转速为80r/min.2组SBR采用相同型号的鼓风曝气机进行曝气,DO浓度均控制在4mg/L左右,曝气量为18L/min.好氧段末排泥水混合物100mL,污泥停留时间(SRT)控制在18d左右,好氧段结束沉淀0.5h后排水1L,水力停留时间(HRT)约14h.按上述方式运行,活性污泥外观呈黄褐色,沉降性能良好,第15d开始正式运行.1.2进水水质进水采用长沙市某小区生活污水(三级化粪池出水),污水中挥发性脂肪酸主要为乙酸、丙酸,其中乙酸:68~186mg/L,丙酸:21~90mg/L.COD:100~400mg/L,TP:2~10mg/L,NH4+-N:20~40mg/L,pH值为7.0左右.1.3分析方法TP:钼锑抗分光光度法[16];TIN:过硫酸钾氧化紫外分光光度法[16];DO:便携式溶解氧仪法[16];pH值:玻璃电极法[16];COD:重铬酸钾消解法[15];TOC:非色散红外吸收TOC分析仪;糖原质(Glycogen):苯酚-硫酸法[17];PHA、挥发性脂肪酸:气相色谱法[18-19],色谱仪型号为安捷伦6890N色谱分析仪;能谱分析采用6700F场发射扫描电镜;聚磷染色法[20];混合液悬浮固体(MLSS)与混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)按标准方法[16]测定.2结果与分析2.1长期运行中TP去除效果经过180d长期运行,两组反应器运行正常,R2中TP去除情况如图1所示.由图1可知,R2中TP去除效果稳定,由于生活污水随季节及人们的作息规律变化较大,进水中TP浓度浮动范围较大(2~10mg/L),但出水中TP浓度基本处于0~0.5mg/L之间,经过长期运行TP去除率基本稳定在90%以上,最高可达98.6%.由图2可知,驯化初期两个反应器TP去除率7期陈洪波等：单级好氧生物除磷工艺处理生活污水1205比较接近(R1:98%,R2:97%),随着污泥驯化时间的延长,二者去除率差距逐渐拉大,当驯化基本完成时,该差值达到7%(R1:91%,R2:84%).在前90d运行过程中,R1的TP去除率明显优于R2,然而,后90dR1、R2的TP去除率基本持平,甚至R2的TP去除效果比R1更稳定(R1:85%~98.7%,R2:88%~98.7%).长期运行结果表明,SBR单级好氧生物除磷工艺具有良好的除磷能力,且除磷效果比传统厌氧/好氧工艺更稳定.0204060801001201401601800246810出水磷浓度进水磷浓度去除率时间(d)TP(mg/L)0102030405060708090100去除率(%)图1180d长期运行中R2的TP去除效率Fig.1RemovalefficiencyofTPinR2duringlong-termoperationfor180d020406080100120140160180707580859095100去除率(%)时间(d)R1R2图2180d长期运行中R1、R2的TP去除率比较Fig.2RemovalefficiencyofTPintwoSBRsduringlong-termoperationfor180d由图3可见,长期运行过程中,R2反应器中TP/MLVSS基本稳定在1.0~3.3mg/g之间,TP/MLVSS的大小主要取决于污水中TP浓度,当污水中TP浓度逐渐增大时,TP/MLVSS值也相应增大.尽管如此,系统中的TP/MLVSS值仍较小.表2R1和R2稳定运行阶段除磷效果Table2SummaryofTPremovalperformanceintwoSBRsduringstableoperation反应器最高去除率(%)最低去除率(%)最高出水浓度(mg/L)最低出水浓度(mg/L)平均去除率(%)平均出水浓度(mg/L)R198.5787.980.850.0494.230.19R298.6483.890.650.0694.270.2402468TP/MLVSSTPTP/MLVSS(mg/g)0204060801001201401601800.500.550.600.65MLVSS/MLSSMLVSS/MLSS(g/g)时间(d)图3长期运行中R2的TP/MLVSS、MLVSS/MLSS变化Fig.3VariationsofTP/MLVSSandMLVSS/MLSSinR2duringl