多段进水AO生物膜工艺运行性能的研究胡博

中国环境科学2011,31(10)：1644~1650ChinaEnvironmentalScience多段进水A/O生物膜工艺运行性能的研究胡博,赵剑强*,陈莹,华立娜,毛鹤群(长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710064)摘要：为提高多段进水A/O生物膜工艺的脱氮效率,按照进入各缺氧池的COD量与硝态氮量的比值相同,且等于一最优比值的原则进行流量分配,按照容积负荷相等的原则设计各反应单元,对多段进水A/O生物膜工艺的流量分配和反应单元容积分配同时进行优化,并采用三段进水A/O生物膜反应器试验了等流量分配模式下运行和优化模式下运行的出水水质的差异.试验结果表明,当多段进水A/O生物膜工艺在两种模式下采用相同参数运行时,优化模式下总氮(TN)去除率明显高于等流量模式,其分别为88.8%和80.3%.优化模式与等流量分配模式对COD和总凯氏氮的去除率差别不大(均可达到97%和98%以上).采用该优化设计方法可以显著提高该工艺的TN去除效率.关键词：多段进水；A/O生物膜工艺；生物脱氮；运行性能；优化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)10-1644-07OperationperformanceofstepfeedingA/Obiofilmprocess.HUBo,ZHAOJian-qiang*,CHENYing,HUALi-na,MAOHe-qun(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(10)：1644~1650Abstract：Inordertoimprovetotalnitrogen(TN)removalefficiency,influentflowratedistributionandvolumeofeachtreatmentzoneofstepfeedingA/Obiofilmprocesswereoptimizedsimultaneously.Optimizationofinfluentflowratedistributionwasbasedontheprinciplethattheconcentrationratioofchemicaloxygendemand(COD)tonitratenitrogenoftheinfluentofeachanoxiczonewassameandequaledanoptimumratio,andthevolumeofeachtreatmentzonewasdesignedbasedontheideaofequalvolumeloading.Athree-stepfeedingA/Obiofilmprocesswasutilizedtotestthedifferencesofeffluentqualitybetweentheequalflowratedistributionmodeandtheoptimizationmode.TheexperimentalresultsindicatedwhenstepfeedingA/Oprocesswasoperatedunderthetwomodeswiththesameoperationparameters,theTNremovalefficiencyundertheoptimizationmodearrivedat88.8%,whichwassuperiortothatof80.3%ofundertheequalflowratedistributionmode;TheCODremovalsandtotalKjeldahlnitrogenremovalsoftheprocessunderthetwomodeswerehigherthan97%and98%respectively.TheoptimizationmethodpresentedinthisstudycanimprovetheTNremovalofstepfeedingA/Oprocesssignificantly.Keywords：stepfeeding；A/Obiofilmprocess；biologicalnitrogenremoval；operationperformance；optimization多段进水工艺是一种由多级串联的缺氧/好氧(A/O)处理单元组成的工艺.原水按一定的比例进入各段缺氧池(A池),为A池中发生的去除上一段好氧池(O池)产生的硝态氮的反硝化过程提供碳源(电子供体).与传统的脱氮工艺相比,该工艺可以减小处理装置体积[1-2],并能充分利用原水中所含的COD为生物脱氮过程提供电子供体,因此,近年来受到广泛关注[3-9].该工艺应用于生活污水[10]和屠宰废水[11-12]等高氨氮废水处理均得到了较好的效果,对COD和N、P等营养元素具有很高的去除效率.多段进水工艺的关键在于如何根据进水水质对进水流量和A池与O池的容积进行优化分配[13].国内外学者针对多段进水工艺的研究主要集中于对进水流量分配方法的研究,如Larrea等[1]通过研究指出根据多段进水工艺的进水水质的不同和对出水水质要求的不同,三段进水工艺流量分配的最佳范围为0.4-0.4-0.2~0.33-0.33-0.34;王伟等[4]提出根据要达到的处理目的的不同,应采用不同的进水流量分配方法;Zhu收稿日期：2011-03-23*责任作者,教授,[e-mail]10期胡博等：多段进水A/O生物膜工艺运行性能的研究1645等[13]通过大量试验对不同进水水质下的最佳流量分配系数进行研究,取得了较高的总氮去除效率;Tang等[14],王伟等[4]以及赵剑强等[15]根据进水碳氮比以及反硝化单位质量硝态氮消耗的COD的量对进水流量进行优化分配.目前对多段进水工艺各反应单元的容积的优化分配方法的研究报道则较少.对多段进水工艺A池与O池的容积进行优化分配可以使A池与O池内的污染物负荷分配相对平均,避免过高负荷对系统的某一段产生冲击,有利于系统的稳定运行.本研究从反硝化过程中去除单位质量硝态氮消耗的COD的量出发,基于等容积负荷的设计思想,提出了对多段进水A/O生物脱氮工艺的进水流量分配和反应单元的容积分配同时进行优化的方法,并采用三段进水A/O生物膜反应器对等流量分配模式和优化模式下系统的出水水质进行了检测.1流量分配系数及反应单元体积的优化在活性污泥反硝化工艺中,根据传统反应动力学模型和质量守恒原理,可以得到每去除1mg硝态氮消耗的COD量的计算公式为[16]:HCHCHDHC2.86(1)1()(1)SbNbYfbΔ⋅+⋅=Δ+⋅−+⋅⋅θθθ(1)式中:ΔS为反应器进水COD量与反应器出水COD量之差,mgCOD;ΔN为反应器进水硝态氮量与反应器出水硝态氮量之差,mgNO3--N;YH为异养菌真实产率,mg细胞COD/mgCOD;fD为衰减后以惰性颗粒产物存在的那部分微生物;bH为异养菌衰减系数,d-1;θC为污泥龄,d.理论上,反硝化1mgNO3--N需要消耗2.86mgCOD.式(1)说明反硝化过程中反硝化单位质量NO3--N消耗的COD的量随泥龄的增大而减小.当YH,bH和fD分别等于0.67mg细胞COD/mgCOD[17],0.2d-1[18]和0.2[18]时,式(1)的最大值为8.67mgCOD/mgNO3--N,最小值为3.30mgCOD/mgNO3--N.当泥龄一定时,ΔS与ΔN的比值也一定,可从式(1)计算得到.运用活性污泥1号数学模型(ASM1)[17]对单一反硝化反应器的模拟结果表明,在反硝化反应器中,当投加的硝态氮和有机碳的比例等于由式(1)计算的值时,反应器的出水中剩余硝态氮和有机碳量之和达到最小.当单一的缺氧反硝化反应器以获取最小剩余硝态氮为目的时,进水中COD与硝态氮比值则越大越好.当多段进水A/O工艺以获取最小剩余总氮为目的时,则存在一最佳比值,该值大于式(1)的计算值,将该比值记为α.假设n段进水A/O工艺的各段流量分配系数为r1,r2,r3,…,rn,多段进水A/O工艺进水的COD浓度与进水的总凯氏氮(TKN)浓度之比为m,各段进水流量按照COD与硝态氮比值为α进行分配(假设原水中不含硝态氮),则多段进水A/O工艺各段的流量分配系数可由式(2)[15]计算得到.(-)2(-1)(/)=1+/+(/)+......+(/)niinmαrmαmαmα(i=1,2,3,…,n)(2)按照等硝态氮容积负荷设计缺氧池的容积时,当回流比为R,各缺氧池容积之间的比例关系如下[15]:A(1)A2A3A3A4A......nnVVVmVVV−====α(3)A11A()1niiVRVmR+−=+α(i≠1)(4)按照等凯氏氮容积负荷设计好氧池时,各好氧池容积之间存在如下比例关系[15]:O11O()iiVmVα−=(5)假设n段进水工艺的反应器总容积为V,缺氧池总容积与好氧池总容积分别为VA和VO,根据式(3)~(5)可以得到式(6)和式(7).(-)O2(-2)(-1)O(/)=1+/+(/)+...+(/)+(/)niinnVmαVmαmαmαmα(6)1646中国环境科学31卷2(2)A(i)A2(2)()()1............(1)1()...()()()1()............[2,3,...,(1),]1()...()()()1ninnαRmRimmmαRVαααmRmVαinnmmmαRαααmR−−−⎧⋅⎪+=⎪⎪+++++⋅⎪+=⎨⎪⎪=−⎪+++++⋅⎪+⎩(7)假设多段进水A/O工艺的反应器总容积、缺氧池总容积和好氧池总容积之比确定,由式(6)和式(7)可以计算出各好氧单元和缺氧单元的容积.以上所得到的流量分配系数和各反应单元容积即为优化模式下的分配值.等流量模式则是指,当缺氧池总容积和好氧池总容积之比确定,各段的进水流量分配系数相等,各好氧单元容积相等,各缺氧单元容积也相等.2装置与方法2.1试验装置试验采用工艺为三段进水A/O生物膜工艺.反应器的材质为有机玻璃,采用组合填料作为微生物生长载体,反应器总容积为44L,如图1所示.除最后一段11L作为沉淀池外,其余33L,分为三段作为反应段,各段均由一个A池和一个O池组成,A池总容积与O池总容积之比为2:3,各反应段内A池与O池之间、各段之间均采用隔板分隔.反应段的水力停留时间为36h,进水流量Q=0.9167L/h.进水由三台蠕动泵控制,分别进入各段A池.为利用第一段A池进水中的COD进行反硝化,将第三段O池的部分出水回流至第一段A池,回流比为R.为避免温度过低对该工艺的处理效率产生影响,在O池中放置加热棒,将系统温度控制在25℃左右.采用空气压缩机为好氧池供氧,保证好氧池溶解氧浓度在5mg/L左右.填料填料填料填料填料填料蠕动泵进水池缺氧池缺氧池缺氧池好氧池好氧池好氧池空气压缩机蠕动泵沉淀池出水图1三段进水A/O生物膜反应器示意Fig.1Schematicdiagramofthethree-stepfeedingA/Obiofilmreactor2.2进水组成采用人工配水模拟高浓度生活污水.进水的COD浓度为1000mg/L,氨氮浓度为100mg/L,P浓度为10mg/L,配水组分见表1.微量元素的组成与添加量与文献[19]相同.2.3监测项目与监测方法监测项目包括COD、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮、温度、溶解氧和pH值.TKN浓度由总氮浓度与硝态氮浓度和亚硝态氮浓度之差确定.NOx--N为硝态氮与亚硝态氮的浓度之和.温度和溶解氧浓度采用哈希溶解氧测定仪测定,pH值采用PSH10型pH计测定,其余各监测项10期胡博等：多段进水A/O生物膜工艺运行性能的研究1647目的测定方法均采用国家标准方法[20].表1配水组分表Tabl