低溶解氧对活性污泥系统降解有机物和脱氮性能的影响梁祝

梁祝:低溶解氧对活性污泥系统降解有机物和脱氮性能的影响低溶解氧对活性污泥系统降解有机物和脱氮性能的影响梁祝(贵州省环境科学研究设计院)摘要:根据BS型净化槽的进水水质,采用低载睡气。结果表明,降低反应槽内溶解氧水平至lm留L左右,在保证有机物降解的同时,系统的脱氮能力也随之提高,并降低了系统的能耗。本文对低氧活性污泥工艺的机理和可行性进行了初步探讨。关键词:低氧曝气;有机物降解;脱氮;降低能耗1引言生物好氧氧化包括两个部分:在有氧条件下,异养菌利用含碳有机物,并将其降解为cOZ、HZo,自养菌利用NH4一N,将其氧化为NOZ一、NO3一。需氧量也包括有机物氧化和氨氮氧化两个部份,一般认为在有机物氧化和氨氮氧化同时存在的情况下,溶解氧的浓度大于Zmg几,才能满足降解要求.但近年来,国内学者相继提出了低氧曝气理论,并进行了低氧曝气的研究I’.l2I】。同济大学的祝经论(1996)研究了曝气在sBR工艺中脱氮的效果,把Do控制在.05一lmg几,实现了同时硝化和反硝化的效果,同济大学的李锋等对低氧曝气DO的范围控制在.05一1.smg几。在中日合作治理湖泊富营养化技术研究项目的示范工程之一,贵州化肥厂生活污水处理站,引进两套日本生活污水分散处理装置。在净化槽的研究中,通过调节进水水质,并改变曝气反应时间和曝气量,将DO控制在1一1.2mg几,降低溶解氧浓度,也取得了稳定的出水效果。本文根据BS净化槽在不同DO浓度下的运行结果,提出BS净化槽低氧曝气的可行性。sB净化槽采用sBR处理工艺,处理能力:Q=40m3d/。工艺流程如图1所示:污水图1BS净化柑处理工艺流程中国水污染防治技术装备论文集2003年第九期全国小城镇污水处理技术(设备)交流与工程咨询研讨会TheeommunietaionnadPrjoeetConsulntaeySeminraofNta一nolaTOnwWsateW自terTretamentTcenhology(EquiPment)2运行结果讨论2.1运行结果净化槽于2001年3月份开始试运行,从3月份至8月份,曝气反应条件按照使用说明书中规定的标准设计条件运行:曝气最短时间60min,曝气最长时间120min,DOZmg/L,00上限值4mgL/。9月份和10月份,减少曝气量,降低DO;10月底开始,在降低后的曝气量基础上,减少曝气时间,进一步降低DO。2.2运行条件和运行结果分析(l)由表1和表2可以看出,不改变曝气反应时间(1巧min,108min),降低曝气量,Do浓度从2.79mg几降至一7smg几、1.82mg/L后,CoDer和NH3一N的去除率并不降低,反而从19.1%和38.3%分别增至75.3%(63%)和89.5%(75.6%);在降低后的曝气量基础上,再减少曝气时间至60min左右后,DO浓度减至1.22mg几左右,CODcr和NH3一N的去除率进一步提高,并不降低。表1运行参数和运行结果一览表日期项目CODCr113.%1N16.7入公“555叨F乃dm叭C加.0031.67.54.4532.004.003.003.002....79932fl81897[翰31307978,`,.二-l2.205.100512.16369.574.201琳琳ó琳娜ù。琳ó。.7sl7.997:511401711出水除毅马句进水出水呢.刀19.1137.83475.388石32名6389.66.4兑.957石9石NHJ入16.710333831281.3489.514.123.4575.615.902598.413.铭1.肠124】223310355528543012.卜一U.tù.、ù目”曰ó,一。公。瓦01lf9(云除拜叹%)8333492.1除喇峋注l:FM/单位kgCODelkrgMLSS·d注2:CNI指CODer/’I’N表2眼气条件及处理效果一览表印J气óù6月呀,皿n6o产弓以n托一气`气jOU11gqù,月,、ù00气矛」吸.…OJ工fù份弓ú,ù,J,卫ō了ǎ`UO产00Min11510810863667978822422,`l,1..二..二,`Rénù尹bnU16,了飞口月峥..…1ùU000.71725:30s叭.91011注中:DO和反应时间根据现场溶氧计和计时鉴实械中国水污染防治技术装备论文集2003年第九期梁祝:低沐解氧对活性污泥系统降解有机物和脱氮性能的影响裹3硝化速率与溶解翅oo些罢..050077.080思曝气时间min硝化速率9月25日10月30日11月15日9月25日10日11月15日40758082.122.0.0众众-L0.10.0020.01700150.020.0170.0150.0140.0130.100.701.020.0151.X()0乃141.250.0141.300130.013102030406063“108(2)由表3可知,NH3一的硝化速率在前1omin左右就达到最大值(0.llkgNH3一瓜gMsL.sd)左右,此后一直保持较低硝化率.0014kgNH4一N瓜gMLs.sd左右,直到反应结束。与9月25日相比,10月30日和11月巧日虽然减少了曝气时间,降低了DO,但也获得了同样的硝化效果。(3)单位时间供气量不同,反应前10min混合液的DO不一样。(4)通过降低单位时间供气量和减少曝气时间,9月份开始,处理出水的TN的去除率与原运行控制条件下的去除率相比,有较大幅度的提高。(5)由图2可知,原有的运行条件下(曝气时间115min,DO3m留)L,由于曝气时间过长,曝气量过大,不利于第二搅拌反硝化阶段DO的下降,反硝化反应结束时,溶液中的DO仍达到lmg几左右,不能形成反硝化所需的厌氧或缺氧状态,不利于脱氮反应,而降低曝气量,减少曝气时间后,DO在反硝化阶段下降迅速,平均在曝气停止后10min就下降到.0O5mgL/,很快形成厌氧状态,促进脱氮反应。日日``之之了丫、杆杆厂厂林、.___尹尹令一今““丫丫、狡狡///’飞飞么么·}.、、勺李心牵企申护巾咨矛护夕夕夕夕护图28月22日一日和二搅的DO变化t口in3机理探讨3.1进水水质Boo,八N的影响在一般情况下,硝化细菌在好氧生物处理的微生物中所占比例较低,其原因主要有两个:(1)与异养型细菌相比,硝化菌的产率低,比增长速率小。(2)活性污泥中硝化菌的比例与污水的BODS几N有关,这是因为产率不同,活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧,使硝化菌的生长受到抑制。一般生活污水水质BOD5fFN在3一8之间,164中国水污染防治技术装备论文集2003年第九期全国小城镇污水处理技术(设备)交流与工程咨询研讨会TheocmmunieationandPorjectConsu!antycSemlnarofNationalTownWasetWaterTreatinentTeehnology正quiPment)硝化菌含量多数在.83%以下。有研究41[认为,只有BoD,低于20m叭时硝化反应才能完成,BoDS的处理负荷小于0.1k5gB0D5瓜gMLS.sd时,处理系统的硝化反应才能正常进行。而本系统的进水水质BODS/TN平均小于2,使活性污泥系统中硝化菌的含量大于120,0。Antonie就Bons浓度对硝化作用的影响的研究[’1结果也表明BonsZomg几,硝化反应可正常进行。而且由于进水中有机物浓度较低,进水中不存在高浓度有机物对硝化反应的抑制作用。所以,在系统进水水质条件下(低C闪,低有机物浓度),生物好氧反应在一开始就可进行硝化反应,可大大缩短曝气反应时间,从表3可知,NH3一N的硝化反应在前10min就反应很快,硝化速率达到最大,NH3一N的去除率就已达到约55%,在余下的50min内,硝化反应速率下降至最低值,并基本稳定,不再提高。3.2根据本系统的工艺运行特性,污水流入反应槽后,在一个运行周期(6h)内,依次经过第一搅拌(进水阶段)、第一曝气、第二搅拌、第二曝气、沉淀、排水闭置六个阶段。在进水搅拌阶段,污水中溶解性可生物利用的有机物大部份作为电子供体,在反硝化脱氮的过程中得以去除,由于进水有机物浓度较低,经第一搅拌反应后,有效碳源被充分利用,因此,为保证后反硝化阶段(第二搅拌)有一定量的有机物供脱氮需要,在第一曝气反应中,溶解氧浓度不宜过高,由3.1分析可知,进水中的有机物浓度对硝化反应不起抑制作用,所以,在好氧反应中,可不氧化有机物,一方面,可进一步减少对溶解氧的需求量,降低DO,另一方面,保证了后反硝化反应对有机碳源的需要。3.3系统的脱氮过程是通过硝化和反硝化两个步骤完成。曝气不充分,则硝化不完全;搅拌时间短,则不能充分反硝化脱氮,无论哪种情况都会影响TN的去除率。但如果曝气时间过长,曝气量过大,则硝化反应结束时溶液中的NO3一N就会增加,而且DO过高,不能保证反硝化反应所需的缺氧环境,这样微生物优先选择游离溶解氧作为氧化有机物电子受体,不利于反硝化的顺利进行,分子态氧会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性,同样也影响TN的去除率。为获得较高的脱氮率,须控制好曝气时间和曝气量,将溶解氧控制在适当的范围内,使硝化速率与反硝化的速率越接近,TN处理效果越好。有研究表明lel硝化反应结束后水中的NH4一N与No3一的浓度比与脱氮率之间存在一定关系,侧03·N)/困4H一N)在1一10之间时,脱氮率较高。对于不同的进水水质和活性污泥的大小、密实度,溶解氧的控制范围有所不同。在本系统的进水水质下,曝气时间控制在60min左右,DO在1.0一1.2mg几之间,取得了稳定的脱氮效果。3.4低氧曝气有利于系统中同步硝化一反硝化的进行。近年来,一些研究「’1,l,】利用微环境理论解释了低氧脱氮机理。在微生物絮体内产生的DO浓度梯度,由外到内的顺序分别为扩散层、好氧区、缺氧区、厌氧区。微生物絮体的外表面溶解氧较高,以好氧菌、硝化菌为主。絮体内部,氧传递受阻及外部氧的大量消耗,产生缺氧区,反硝化菌占优势,在更低的溶解氧水平,缺氧厌氧微环境所占比例提高,促进了反硝化作用。4有关问题的讨论4.1低氧曝气下污泥负荷的确定由式Nvn·《1一MLss·svi·10一6)[’】可知,越是高浓度污水,高负荷运行越可能;中国水污染防治技术装备论文集2003年第九期梁祝:低溶解氧时活性污泥系统降解有机物和脱氮性能的影响相反,低浓度污水,越低负荷运行,或者增加每天的处理周期数。据表1,进水水质COD浓度较低,C加较低,生产运行中污泥负荷控制在.004kgCODk/gMLsS·d左右。在低DO下,维持曝气池内较高的污泥浓度,使系统低污泥负荷运行,这样,延长污泥泥龄,在长泥龄条件下,由于耗氧速率较低,即使DO浓度较低,也可保证溶解氧对生物絮体的穿透能力,保证较高的硝化速率。一些研究121中提出低Do曝气进行同时硝化反硝化的污泥负荷0.1~o.skgBOD瓜gMLSS·d,可满足硝化的要求。另一方面,低污泥负荷运行,维持低DO,可减少微生物的内源代谢,使污泥具有较好的的沉降性育艺。4.2低氟曝气0D的下限值的确定溶解氧浓度过低会抑制硝化菌的活性,一般研究认为DO在0.5一o.7mg几是抑制硝化菌活性的下限值。本系统运行中维持DO在1.0一l.Zmg几左右。4.3C/N的影响据研究川认为,对于c加低的污水,不宜采用低氧曝气工艺。因为低氧曝气系统中,反硝化同时伴随着异养菌的好氧反应以及聚磷菌的除磷反应,碳源不足会抑制反硝化和除磷。但在本系统中,由于进水不仅C入低,而且有机物浓度和NH4一浓度也较低,采用低氧曝气,不仅取得了较好的有机物和NH4一N的去除效果,同时也获得了稳定的TN去除率,满足出水指标要求。5结论在SBR污水生物处理工艺中,在进水有机物浓度低,C加低的条件下,将DO控制在1.0~1.2m叭,不仅有机物得以高效去除,同时取得了稳定的NT去除效果。根据目前有机物和氨氮在DO:1.0一1.2mg几水平下的氧化结果(表l),DO还可以进一步降低,在以后的运行中,根据生产实践的结果,进一步优化确定低氧