低污泥生成量生物膜活性污泥系统的升级改造徐千

前沿.热点Front.Focus.0.WorldPulpandPaperVol.8,No.3节能减排EconomizeonEnergy低污泥生成量生物膜活性污泥系统的升级改造LowSludgeYieldBiofilmActivatedSludge(BAS)Upgrade-QuesnelRiverPulp徐　千（XuQian）　许　英（XuYing）编译摘　要：2005年3月，QuesnelRiverPulp(QRP)在加拿大某漂白化学热磨机械浆（BCTMP）厂开始运行一种低污泥生成量生物膜活性污泥（BAS）处理系统，为了提高生产率和纸浆的产量，QRP改进了厌氧/活性污泥处理（AST）系统。新系统处理SCOD能力从100t/d提高到140t/d，甚至达到170t/d，且该系统还具有以下优点：①在标准测试条件下能满足所有的限制要求，排出的废水对鲑鱼无毒害作用；②SCOD的去除率达80%～85%；③运行稳定可靠；④污泥生成量0.12～0.17kgTSS/kgSCOD（过去的为0.23kgTSS/kgSCOD）；⑤尽管对能量的需求增加了30%，但每吨浆废水处理总成本减少大约25%。生物膜活性污泥（biofilmactivedsludge,BAS）处理系统具有处理能力高、污泥生成量低、可靠性好和效率高等特点,尤其适用于有机物负荷范围较宽的高浓废水。QRP的厌氧/活性污泥处理（AST）系统于1988—2005年间投入运行（见图1）。该系统包括预澄清器，1个6000m3的预酸化槽，2台平行操作的3000m3的厌氧反应器，1台53000m3的AST。在排污前，用直径为25.5m气浮式澄清器除去其中的固体物质。该系统面临的问题是：反应槽内生物自净能力较差和二次沉降不稳定，对过氧化物和硫的耐受性差，以及对当前和未来产品分级能力不强、处理速度不够等。最初考虑2个改造方案：①增加AST容量（如图2所示）；②提高BAS的生产能力（如图3所示）。技术人员首先查看了流动床生物膜反应器（MBBR）和BAS操作，接着又在中试车间进行了6个月的试验，最后决定安装一个全套的BAS处理系统。中试试验结果表明，可以改建成一个处理SCOD能力为140t/d的全套系统。污泥容积指数（SVI）的测量结果说明，污泥质量很好，污泥产量减少了25%～40%。2005年3月15日，工厂开始启动BAS系统。在系统升级改造过渡时期（2005年1月1日到3月15日），QRP运行的是没有经过厌氧预处理的活性污泥（AS）系统，这就为全面比较传统的AST和厌氧／AST构造及BAS系统提供了基准数据。悬浮式澄清器厌氧系统重力澄清器AST旋转式澄清器图1　AST处理系统悬浮式澄清器新的AST现有的AST新的重力澄清器图2　计划改造的AST系统悬浮式澄清器ASTMBBR槽二次浮选式澄清器RAS图3　生物膜活性污泥系统前沿.热点Front.Focus.51.国际造纸　2009年　第28卷　第3期节能减排EconomizeonEnergy1　BAS处理工艺BAS的处理工艺由MBBR预处理和传统的AST组成。MBBR是一种以塑料介质为悬浮载体的反应器（见图4）。在MBBR中，废水中的微生物（附着在塑料载体表面以生物膜的形式生长）分解成有机物，去除COD、BOD和毒性。过量的生物质从介质上脱落下来，用部分处理过的废水冲洗到AST中。反应器的底部，用鼓风机通过一道泡沫曝气网栅提供氧气（见图5）。在空气的作用下，反应器中的物质相互混合，并保持载体处于悬浮状态。两级流动床生物膜工艺中第一个阶段的固化成膜和分散的细菌容易除去生物降解产生的有机物，阻碍了AST中丝状菌的生长，形成一个完整的絮凝结构。MBBR生物池中的限制性营养盐促使细菌渗出多糖黏液，为AST中的生物提供能量。1.1　BAS系统的安装建造了2个3000m3带有1个曝气网栅装置的槽，安装了3台600kW的鼓风机，1#槽含有800m3生物填料，2#槽含有1200m3的生物填料，此外还需要在第一台MBBR前后安装2个冷却槽。该工艺利用现有桶槽的容量建立起喷淋冷却器，安装的总费用为95万加元。在平均流速为11500L/min下，通过该系统的SCOD为140t/d。如果增加MBBR中的生物填料以及提高AST的曝气能力，SCOD的处理能力可提高到170t/d。1.2　BAS系统的启动为了启动BAS系统，工厂2个MBBR槽中注入一部分进水。在空气的作用下，RAS由AST通过MBBR槽，RAS对系统起活化作用。MBBR生物池中的溶解氧指数3mg/L，营养盐以液体肥料（22.6%氮,4.5%磷）的形式添加到第一个MBBR生物池中，添加比例为m(SCOD):m(N):m(P)=300:3.0:0.6。2个生物池接收RAS的分流和进水。对进水来说，引入RAS有助于限制残留过氧化氢对微生物生长的抑制。2天内，在载体上就会出现生物膜，通过2个反应器SCOD的去除率达到25%，然后把RAS流送到生物盆的1#室内。启动过程中，不能中断废水处理，保持废水中SCOD的去除率80%，且无毒性。由于工厂设置的负荷处理上限为110SCODt/d，因此在系统启动前，AST进行了2个月的废水处理，待MBBR生物池启动后立即提高系统的处理能力。启动2周后，由于第一个MBBR生物池上卸料筛出现故障，结果中断处理。由于对生物池中筛子的维修和检查采用离线操作，所以对系统的处理性能没有造成很大影响。1.3　对SCOD的影响系统启动后处理能力立刻达到设计水平，且能保持以后SCOD的去除率80%（见图6）。尽管出现了极其频繁的负荷波动，但良好的处理结果证实了系统的稳定性。图7为工厂中SCOD负荷量在61000～151000kg/d之间的变化情况，升级后，SCOD负荷稳定增加。1.4　对污泥质量的影响用SVI来衡量恒定容积中给定数量污泥的沉降性能，在启动或者没有厌氧系统之前，SVI的平均值为图5　MBBR的剖面图图4　塑料载体（介质）上显现的生物膜10090807060501/2/2005图6　BAS系统启动后SCOD的去除量SCOD去除率/%日期3/2/20055/2/20057/2/20059/2/200511/2/20051/2/20063/2/20065/2/20067/2/2006前沿.热点Front.Focus.52.WorldPulpandPaperVol.28,No.3节能减排EconomizeonEnergy氧反应器之前，厌氧系统需要用碱缓冲系统的pH值。为去除冷却水需安装喷淋冷却器，使系统中的总流量下降，SCOD浓度升高。启动BAS系统后，系统的处理能力提高到140tSCOD/d，而每吨风干浆成本下降到6.11加元，如果更进一步限制系统中的营养盐以及优化能量消耗可以使附加成本下降。1.6　用电量系统改造前，工厂全负荷运转时通常利用2台300mL/g。启动BAS后的2天内，SVI开始下降（见图8）。2周之内，它稳定在70mL/g左右。由于6月21日工厂停工，SVI上升，但是一旦系统正常运转，它会迅速恢复原状。由于低的营养盐指标，MBBR中的细菌具有较高的多糖黏液含量。AST的显微镜分析表明了同BAS结合后两段体系和完整的絮凝结构的影响（见图9）。启动系统后，污泥生成量（为1kgSCOD产生的TSS的质量，下同）很快从0.28kg下降到0.17kg；处理96000kgSCOD所产生的二次污泥生成量见图10，污泥生成量减少了11t/d，中试试验达到了预期的效果。中试研究也表明，如果更进一步的抑制系统中的营养盐，污泥生成量会下降得更多。在中试的2周内，按m(SCOD):m(N):m(P)为300:3.0:0.6的比例添加营养盐。在这段时期内，污泥生成量平均值为0.11kg。启动系统后大约5个月，全部营养盐的比例下降到300:2.3:0.6，污泥生成量下降到0.15kg。1.5　成本的改善QRP对系统改造前后的性能和成本进行了比较（见表1）。改造前厌氧/AST结构的处理能力为110tSCOD/d，成本为8.30加元/t（风干浆）。只有在BAS的建造阶段，工厂AST的处理能力才能达到最高的110tSCOD/d。正如所料，与厌氧/AST系统相比，这个时期的污泥生成量会有所增加。消除用于调节pH值的碱可使每吨成本节约0.38加元。在预酸化之后厌SCOD污泥生成量/kg成本/加元.t-1负荷/t.d-1流量/L.min-1浓度/mg.L-1去除率/%化学品电耗厌氧/AST110140005500800.236.951.35AST110140005500800.286.521.40BAS140115006950800.164.221.89表1　不同系统性能和成本的比较190000165000140000115000900006500040000图7　工厂中SCOD负荷量的变化SCOD负荷量/kg.d-1日期1/2/20053/2/20055/2/20057/2/20059/2/200511/2/20051/2/20063/2/20065/2/20067/2/200640030020010001/4/20052#槽SVI图8　工厂2#槽SVI的变化SVI/mL.g-1日期3/4/20055/4/20057/4/20059/4/200511/4/20051/4/20063/4/20065/4/20067/4/2006（a）　改造前图9　改造前后AST-BAS的变化（b）　改造后0.40.30.20.10污泥生成量/kg图10　BAS系统启动前后的污泥量日期1/2/20053/2/20055/2/20057/2/20059/2/200511/2/20051/2/20063/2/20065/2/20067/2/2006前沿.热点Front.Focus.53.国际造纸　2009年　第28卷　第3期节能减排EconomizeonEnergy功率为600kW的鼓风机以及3台559kW小型鼓风机，共耗电1752kW。系统改造后，MBBR1#的平均用电量为507kW，MBBR2#为433kW，曝气塘为1268kW，共耗电2207kW。溶解氧（DO）预期值为（2.2±0.4）mg/L，但是该系统中DO的平均值达到了3.0mg/L，说明仍有一定的空间来优化能量消耗。1.7　氨的排放氨的排放面临着许多困难。由于高强度的内源呼吸作用，BAS处理过程中对氨的排放会有风险，这种内源呼吸作用也解释了污泥生成量减少的原因。残留的氨浓度必须保持在2mg/L以下，因此每月都需要通过虹鳟鱼毒性的测试。系统改造前后，氨的排放量的偏离额定值2mg/L，但系统改造后偏离发生得更加频繁。因此要采取几项策略来减少氨排放的频率。在蒸气排放过程中，如果氨的排放浓度超过了1.5mg/L，可以通过降低SCOD、N、P间的比例来调节。2005年8月，在氨的排放量发生变化后，工厂将营养盐的加入比例从300:3.0:0.6降到300:2.8:0.5，9月22日又降到300:2.3:0.5。此外，由于频繁的变化，有规律地使工厂负荷降低时，工厂将MBBRs周围未处理的废水直接送入AST中，这样就为细菌的生长提供了养料，提高了内源呼吸的速度，从而满足它们对能量的需求。也可以自动控制营养盐的添加和监测工厂的负荷。当工厂的负荷下降时，加入的营养盐量也随之下降。2　结　语与厌氧/活性污泥处理系统及单纯活性污泥处理系统相比，生物膜活性污泥系统在许多方面占有优势：操作比较简单、过程调控性好、生产能力较高、污泥可分离性好、污泥生成量少（30%）、总成本低25%。系统对停工造成的中断具有较好的负荷承受能力，提高了污泥质量可有效消除二次沉淀的不稳定性。随着营养盐添加速率的自动控制，出现氨峰的频率降低。SCOD、N、P间质量比的下降表明，还需要进一步改进系统。当氨的排放偏离额定值时，采用旁路系统迅速地利用有效氨，可改善对高残留氨量的管理。（责任编辑：孙秋菊）2009年6月8日，道康宁公司在北京召开了“道康宁求变求新――DowCorning和XIAMETER全新双品