低溶解氧条件下分段进水对SBR工艺脱氮除磷效果的影响研究王珍宝

文章编号：１６７１－１５５６（２０１８）０２－００９５－０６低溶解氧条件下分段进水对ＳＢＲ工艺脱氮除磷效果的影响研究王珍宝１，２，施春红１，２，黄晓龙１，２，姜　凯１，２（１．北京科技大学能源与环境工程学院，北京１０００８３；２．北京科技大学工业典型污染物废物资源化处理北京市重点实验室，北京１０００８３）摘　要：针对传统生物法处理低Ｃ／Ｎ生活污水存在曝气量过饱和、有机碳源不足和脱碳效率低等问题，开展了低溶解氧（ＤＯ）条件下分段进水ＳＢＲ运行模式的试验研究，对比分析４种低ＤＯ条件下传统ＳＢＲ工艺与分段进水ＳＢＲ运行模式的脱氮除磷效果。结果表明：传统ＳＢＲ工艺中，ＣＯＤＣｒ去除率达到９０％以上，而二段进水方式下其去降率下降了２０％；采用４种不同ＤＯ条件下，一段进水方式下ＳＢＲ反应器的脱氮效率较低，出水中ＴＮ分别为１７．４ｍｇ／Ｌ、１９．５ｍｇ／Ｌ、１８．６ｍｇ／Ｌ、２１．６ｍｇ／Ｌ，其中当ＤＯ为１．０ｍｇ／Ｌ时ＳＢＲ反应器的脱氮效率最高，ＴＮ去除率达到４５％，而ＴＰ去除率分别为１９％、２５％、２２％、２１％；对于二段进水，同样的ＤＯ条件下，其中当ＤＯ为１．０ｍｇ／Ｌ时ＳＢＲ反应器的脱氮除磷效果最佳，脱氮除磷去除率分别提高了１７％、２０％。通过分段进水，提高了进水中反硝化细菌和聚磷菌对原有有机物的利用率，从而提高了ＳＢＲ反应器的脱氮除磷效率。关键词：分段进水；ＳＢＲ工艺；低Ｃ／Ｎ生活污水；脱氮除磷；污泥微膨胀；低溶解氧中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：Ａ　　　ＤＯＩ：１０．１３５７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１６７１－１５５６．２０１８．０２．０１６收稿日期：２０１７－０９－０８　　修回日期：２０１７－１２－２１基金项目：国家海洋公益专项项目（２０１４０５０３５、０９１００１２２、２０１５０００６）作者简介：王珍宝（１９９２—），男，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制技术。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]　ｏｆ　Ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ａｎｄ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｉｎ　ＳＢＲ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ＯｘｙｇｅｎＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｂａｏ１，２，ＳＨＩ　Ｃｈｕｎｈｏｎｇ１，２，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏｌｏｎｇ１，２，ＪＩＡＮＧ　Ｋａｉ　１，２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｙｐｉｃａｌ　ＰｏｌｌｕｔａｎｔＷａｓｔｅ　Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｏｗ　Ｃ／Ｎ　ｓｅｗａｇｅ，ｃｏｖｅｒｉｎｇｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｅｒａｔｉｏｎ，ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅ－ｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ　ＳＢＲ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ａｎｄ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｂｙ　ｆｏｕｒ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＳＢＲ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ　ＳＢＲ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ＤＯ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ＣＯＤ　ｉｓ　ｏｖｅｒ　９０％ｂｙ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＳＢＲ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｂｙ　２０％．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｏｎｅ－ｓｔｅｐ　ｆｅｅｄ，ｔｈｅ　ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｒｅ　ｌｏｗ　ｕｎｄｅｒｆｏｕｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＤＯ　ｖａｌｕｅｓ，ａｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｌｕｅｎｔ　ＴＮ　ｉｓ　１７．４ｍｇ／Ｌ，１９．５ｍｇ／Ｌ，１８．６ｍｇ／Ｌ，２１．６ｍｇ／Ｌ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ＴＮ　ｂｅｉｎｇ　４５％ｗｈｅｎ　ＤＯ　ｉｓ　１．０ｍｇ／Ｌ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ＴＰ　ｉｓ　１９％，２５％，２２％ａｎｄ　２５％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ－ｓｔｅｐ　ｆｅｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ａｎｄ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｗｈｅｎ　ＤＯ　ｉｓ１．０ｍｇ／Ｌ，ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　１７％ａｎｄ　２０％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｏｎｅ－ｓｔｅｐ　ｆｅｅｄ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ，ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｏｒｇａｎｉｃｓ　ｂｙ　ａｎｔｉ－ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｃｔｅｒｉａ　ａｎｄ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ　ｂａｃｔｅｒｉａａｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ，ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ－ｆｅｅｄ；ＳＢＲ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｌｏｗ　Ｃ／Ｎ　ｓｅｗａｇｅ；ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｒｅｍｏｖａｌ　ａｎｄ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｒｅｍｏｖａｌ；ｍｉｃｒｏｅｘ－ｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｌｕｄｇｅ；ｌｏｗ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｘｙｇｅｎ第２５卷　第２期２　０　１　８年　　３月　　　　　　　安全与环境工程Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　　　　　Ｖｏｌ．２５　Ｎｏ．２Ｍａｒ．　２０１８　　目前，城市生活污水多采用活性污泥法处理，但在运行过程中存在弊端：其一是剩余活性污泥处理问题，微生物进行新陈代谢，２／３的能量用于细胞合成，造成剩余污泥增值迅速，其处理费用占整个运行成本一半以上；其二是能耗问题，活性污泥工艺处理城市污水过程中电耗费用占常规运行成本的１／３以上。针对城市生活污水处理中产生活性污泥的问题，许多学者进行了研究，如闫骏等［１］研究表明，人为控制低碳氮比（Ｃ／Ｎ），应用同步硝化反硝化原理［２］，限制微生物对碳源的需求，保持同等处理效果下，可降低污泥产率；陈丽丽［３］的研究表明，通过控制活性污泥系统处于低溶解氧（ＤＯ）状态，会产生微污泥膨胀，可使处理效果提高，同时降低了能耗；Ｍｅｎｇ等［４］研究表明，低ＤＯ状态下，活性污泥产率的下降可使活性污泥量也有所减少［４］；胡远志等［５］研究表明，选用ＳＢＲ反应器，在低ＤＯ条件下，采用二段进水方式，可提高聚磷菌和反硝化细菌对进水中碳源的竞争力，避免了外加碳源，同时降低了运行成本。本文在上述研究的基础上，开展了低ＤＯ条件下分段进水ＳＢＲ运行模式的试验研究，对比分析了４种低ＤＯ条件下传统ＳＢＲ工艺与分段进水ＳＢＲ运行模式的脱氮除磷效果，为分段进水处理城市生活污水提供理论依据和实践建议。１　材料与方法１．１　试验装置与运行试验装置见图１。该装置由有机玻璃制成，高４００ｍｍ，直径１９０ｍｍ，有效容积为１１．３Ｌ；在ＳＢＲ反应器壁上设有出水口（距离底部２００ｍｍ），反应图１　试验装置图Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｄｉａｇｒａｍ器底部设置排泥管；以微孔曝气盘进行曝气，采用鼓风曝气，以转子流量计（ＬＺＢ－３ＷＢ，常用双环热工仪表有限公司）调节曝气量；通过加热器（３００Ｗ，德国ＥＨＥＩＭ　ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．Ｋｃ）控制水温，通过蠕动泵（ＢＴ３００Ｋ，保定创锐泵业有限公司）控制出水。ＳＢＲ反应器运行方式如下：２周期／ｄ，一段采用进水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥；二段采用进水—缺氧—好氧—缺氧搅拌—进水—缺氧—好氧—沉淀—排水排泥，详见表１。１．２　进水水质和接种污泥ＳＢＲ反应器的进水采用人工配水方式，取原水稀释再加ＮａＣｌ、Ｋ２ＨＰＯ４、邻苯二甲酸氢钾和葡萄糖等进行配水（原水取自城市生活区的化粪池污水），试验期进水水质见表２。接种污泥取自某污水处理厂二沉池回流污泥，ＳＢＲ反应器初始活性污泥浓度为２　０００ｍｇ／Ｌ。表１　不同进水方式ＳＢＲ反应器的运行时间安排Ｔａｂｌｅ　１　ＳＢＲ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｔ　ｍｏｄｅｓ进水方式周期运行时间／ｍｉｎ进水时间／ｍｉｎ厌氧／缺氧好氧沉淀出水合计第一次第二次一段进水Ｉ　１３５　１７５　２０　２０　３５０　１５　０一段进水ＩＩ　１３５　１７５　２０　２０　３５０　１５　０二段进水Ｉ　１２５　１８５　２０　２０　３５０　１０　５二段进水ＩＩ　１２５　１８５　２０　２０　３５０　１０　５表２　ＳＢＲ反应器试验期进水水质Ｔａｂｌｅ　２　Ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＳＢＲ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｐｅｒｉｏｄ项目ｐＨ值碱度（以ＣａＣＯ３计）／（ｍｇ·Ｌ－１）ＣＯＤＣｒ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ３－Ｎ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＯ－２－Ｎ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＮ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＰ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）范围７～７．８　３００～４００　９０～１５０　２２～２９　０～０．０５　２８～３５　４．５～５．４均值３５０　１２０　２５　０．０２　３０　４．８６９　　　　　　　　　　　　　　　　　安全与环境工程　　　　　　　　　　　　　　第２５卷１．３　分析方法采集ＳＢＲ进出水，采用国标法测定ＣＯＤＣｒ、ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ－２－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ等浓度，观察ＳＢＲ反应器试验周期内的ＤＯ浓度、ｐＨ值、ＯＲＰ（氧化还原电位）和试验末期活性污泥ＳＶ、ＳＶＩ和ＭＬＳＳ浓度的变化。ＤＯ浓度和ＯＲＰ采用ＨＡＣＨＨＱ４０ｄ多参数水质测定仪（ＨＡＣＨ，美国）测定；ｐＨ值采用ＨＡＣＨ　ＨＱ３０ｄ水质测定仪（ＨＡＣＨ，美国）测定；ＳＶ和ＭＬＳＳ浓度采用重量法测定。２　结果与分析２．１　不同低溶解氧条件下两种进水方式对有机物去除效果的影响２．１．１　对ＣＯＤＣｒ去除效果的影响试验在厌氧／缺氧—好氧和厌氧／缺氧—好氧—缺氧—好氧条件下运行ＳＢＲ反应器，通过控制气体转子流量计调节好氧段ＤＯ浓度，研究传统ＳＢＲ工艺和分段进水ＳＢＲ两种运行模式对ＣＯＤＣｒ的去除效果，其试验结果见图２。（１）一段进水方式，ＳＢＲ反应器从启动期到稳定期，采用４种不同ＤＯ条件（ＤＯ浓度分别为１．０ｍｇ／Ｌ、０．８ｍｇ／Ｌ、０．５ｍｇ／Ｌ和１．５ｍｇ／Ｌ），其运行结果［见图２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）］显示，ＳＢＲ反应器稳定出水中ＣＯＤＣｒ浓度分别为１２．６ｍｇ／Ｌ、１０．０ｍｇ／Ｌ、２．２ｍｇ／Ｌ和９．６ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤＣｒ平均去除率分别为８９％、９２％、９８％和９２％。这是因为一段进水在Ｃ／Ｎ＜５、碳源不足和低ＤＯ条件下，ＳＢＲ反应器发生了活性污泥微膨胀［６］，污泥微膨胀主要是发生丝状菌膨胀［７］，在低ＤＯ浓度下，丝状菌比菌胶团细菌更容易获得ＤＯ使其生长繁殖，当ＤＯ浓度＜１．５ｍｇ／Ｌ时，随着ＤＯ浓度的降低，丝状菌数量增加，吸附和吸收的有机质增加，Ｃ