废水处理一体化装置试验

研究开发符合我国国情的高效低投资低能耗的城市污水处理新工艺是当务之急。强化一级处理与一级出水过滤（或生物膜）联用，是目前强化一级处理技术研究的主要方向之一[1]。结合生物絮凝吸附强化一级处理和生物膜法的特点，将生物膜工艺过滤串联于生物絮凝吸附之后，形成“生物絮凝沉淀/生物膜过滤复合式工艺”。该工艺前段取消初沉池，并采取低氧运行，利用短世代微生物的吸附能力，可减小曝气强度，降低能耗；后段利用生物膜的降解和过滤作用，可省去二沉池。通过串联分段，充分利用高负荷段的生物絮凝吸附和低负荷的生物膜过滤优势，形成了一种高效低能耗的新型污水处理工艺。以此工艺为基础，创新性地把2段工艺有机集成于一体化装置内。本研究旨在考察该装置处理城市污水的实用性和优越性，为实现该工艺技术的设备化、装置化，以用于城市污水处理的中、小型污水处理装置和小城镇污水处理设施的开发设计提供试验依据，并为此技术在其它污水处理的推广应用提供一定的理论依据。1一体化装置和试验方法1.1工艺流程试验装置工艺流程示意见图1，沉砂池出水进入系统后，依次经过生物絮凝吸附段（A级）、生物膜过滤段（BF级）。1.2废水处理一体化装置构造废水处理一体化装置包括贮泥区、絮凝反应区、斜板沉淀区、污泥回流缝、生物变速过滤区等部分，没有污泥回流动力装置，见示意图2。滤池采用变速生物滤池[2]，滤料选用重庆大学城环学院研制开发的新型酶促填料[3]，滤料粒径废水处理一体化装置试验邱维（广州市市政工程设计研究院，广州510060）摘要通过小试研究了生物絮凝沉淀/生物膜过滤复合式工艺一体化装置对城市污水去除的效能和机理，试验结果表明：在较低溶解氧条件（DO为0.1~0.5mg/L）下，该工艺装置对SS、COD去除效果较好；在DO=0.2mg/L，生物絮凝反应区水力停留时间2.16h时，反应区内发生同步硝化反硝化（SND），脱氮效果较好，NH3-N平均去除率87.5％，出水SS、COD、NH3-N均能达到国家标准（GB18918-2002）中一级标准的B标准。该一体化装置对于城市污水的有机物去除和脱氮具有一定的优越性，是一种高效低耗的污水处理技术。关键词一体化装置城市污水生物絮凝吸附生物膜过滤收稿日期：2004-11-16，修改稿收到日期：2004-12-08图1一体化装置废水处理工艺流程图2废水处理一体化装置示意第20卷第1期2005年3月广州环境科学GUANGZHOUENVIRONMENTALSCIENCESVol.20，No.1Mar.20051中国城镇水网~6551BOD564.2~78.370.1COD144~248194SCOD103~189139NH3-N41.3~59.347.7NO3-N13.7~16.214.8TP8.99~12.0810.79PO43--P7.90~11.099.60pH6.5~7.5mg/L（pH除外）2.0~5.0mm，平均粒径2.8mm。该滤料具备挂膜迅速、微生物活性高、有机物去除效果好、承受冲击负荷能力强等特点。1.3试验条件及方法本试验在南方某城市污水处理厂内进行。装置进水为城市污水处理厂内沉砂池出水，进水水质见表1，试验水温20~40益。整个试验从开始到结束历时6个月，经历了几个阶段：①试验装置的设计、改造和完善阶段，包括装置的安装；②试验装置的试运行和启动挂膜阶段；③溶解氧单因素试验：在Q=1.0m3/d条件下，分别考察DO为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mg/L工况下运行的变化规律，以确定较佳溶解氧条件；④在较佳溶解氧条件下，在Q为0.6~4.0m3/d范围内逐步提高运行流量，针对不同水力负荷下的运行工况，研究试验的运行规律。2试验对比数据考察生物絮凝吸附反应条件在溶解氧较低条件下的处理工况。考察DO为0.1~0.5mg/L范围内不同溶解氧条件下运行工况；考察在DO=0.2mg/L时，不同流量（Q为0.6、1.0、2.0、3.0、4.0m3/d）时的运行工况。不同流量条件下装置水力停留时间、负荷见表2。5组不同流量的工况对比结果见表3。3一体化装置运行结果与分析3.1溶解氧的影响不同溶解氧条件下COD、NH3-N、TP去除规律曲线见图3（a.~c.）。在Q=1.0m3/d，DO为0.1~0.5mg/L范围内，COD去除较好，COD、NH3-N、TP去除率变化幅度较小，分别为77％~84％、44％~49％、28％~31％。总的来说，DO浓度增高，COD、NH3-N、TP去除率增长的幅度不大；相对来说，DO=0.2mg/L时去除率增长较大。这说明，在微氧曝气的条件下，较低的溶解氧条件能够满足生物絮凝反应所需的供氧和混合要求，COD容易去除。另外，氮、磷的去除率较低，低氧条件的生物絮凝反应不利于硝化作用脱氮，在进水有机负荷较低的情况下因排泥较少使除磷效果较差。表2装置工作流量、水力停留时间及负荷工作流量Q/m3·d-10.61.02.03.04.0反应区HRT12.161.300.650.430.32沉淀区HRT23.362.021.010.670.50反应区容积负荷kg/（m3·d）2.263.706.3911.3214.02生物膜过滤区滤速（首层）m/h0.631.062.113.174.22表面负荷m3/（m2·d）13.4822.4644.9267.3989.85生物絮凝反应区水力停留时间hHRT1+HRT25.523.3121.6561.1040.828斜板沉淀区沉淀表面负荷m3/（m2·h）0.430.711.422.142.85表3进出水污染物浓度平均值汇总（DO=0.2mg/L）Q/m3·d-10.61.02.03.04.0SS进水3844555960A级出水1819273346出水57101417PO43--P进水8.909.6910.059.839.52A级出水7.398.058.989.228.96出水6.677.558.298.818.71TP进水10.0010.7411.3310.9410.96A级出水7.808.459.539.8710.09出水6.817.688.479.119.59NH3-N进水53.050.146.544.045.1A级出水9.736.535.437.140.8出水6.826.126.932.837.5SCOD进水147144124146132A级出水3954639195出水2736416577COD进水203200173204189A级出水466682114129出水2839477384BOD5进水66.570.864.278.370.8A级出水17.225.633.847.451.7出水9.513.215.125.828.9mg/L220卷1期广州环境科学中国城镇水网流量负荷的影响为考察流量负荷对装置运行的影响，在DO=0.2mg/L条件下，对不同进水流量（0.6、1.0、2.0、3.0、4.0m3/d）进行试验，污染物去除规律曲线见图4。试验结果分析表明：3.2.1对SS的去除从图4（a.）可以看出，装置对SS去除效果较好，去除率大于71％。在较低溶解氧水平、较高污泥负荷及较短的水力停留时间，A级对进水SS去除作用是以生物絮凝吸附作用为主，同时也伴有一定的生物吸收及氧化作用；SS在BF级的去除主要靠滤料的过滤作用和生物膜的生物降解性能。过滤作用能非常有效地去除SS，其中上层滤料对SS和有机物去除作用更大。BF级对污染物的去除相对较稳定，其中Q为1.0~2.0m3/d，滤速为1.06~2.11m/h时，BF级对有机物的去除率最大。BF级的去除有机物的潜力较大，可较好的适应A级SS去除率的较大波动。3.2.2对COD的去除从图4（b.）可以看出，装置对COD去除效果较图3不同溶解氧条件污染物去除规律图4不同负荷下污染物去除规律中国城镇水网级出水mg/LA级去除率%NH3-N51.29.681.3NO3--N14.819.5-31.7TN73.834.353.4表4Q=0.6m3/dA级氮的去除（DO=0.2mg/L）流量/m3·d-10.61.02.03.04.0运行周期/d118631.5周期处理水量/m36.681296反冲洗耗水率/%6.15.03.34.46.7表5装置运行周期与反冲洗特征好，去除率大于55％。如前所述，进水中以悬浮物或胶体状态存在的COD可通过A级污泥絮体有效的生物絮凝、吸附和BF级滤料的过滤作用而去除；对于溶解性COD，微生物吸收溶解性物质并将其转化为细胞质和贮存物质，在细胞内得到降解以提供能量，细菌得到增殖。总之，污水中COD的去除是生物絮凝、吸附、吸收及生物氧化等过程综合作用的结果。3.2.3脱氮NH3-N去除规律曲线见图4（c.），Q≥1m3/d时装置NH3-N去除率小于49％，生物絮凝反应区低氧条件和低进水有机物负荷下氨氮的硝化作用不强。Q=0.6m3/d，A级絮凝反应水力停留时间2.16h，泥龄7.7d，NH3-N去除率为87.5％。如表4所示，该工况下，A级使氨氮和总氮平均去除率分别为81.3％、53.4％，总氮得到较好的去除。该工况下总氮得以有效去除，说明A级反应区内发生了SND脱氮。反应区低溶解氧、长水力停留时间（2.16h）、长泥龄（7.7d）的条件可使生物絮体内形成适宜的溶解氧梯度，形成了利于SND的物理学微环境，亦即可以通过延长水力停留时间和絮凝区污泥泥龄以引导和强化SND来高效率的脱氮。3.2.4除磷由图4（d.）可知，装置对TP去除率小于32％。生物絮凝反应区因泥龄较长、排泥较少使除磷效果较差；BF级缺氧或厌氧条件和低有机物浓度不利于磷的去除。为弥补工艺除磷的不足，可投加混凝剂或絮凝剂除磷，投药位置可置于A级或A级前形成化学-生物联合絮凝沉淀/生物膜过滤复合式工艺，也可置于BF级后，形成生物絮凝沉淀/生物膜过滤/化学除磷复合式工艺。3.2.5装置运行周期及反冲洗随着生物膜过滤区的运行时间增加，生物膜因老化而脱落，滤层的水头损失逐渐增加，其中以首段0~100mm滤层水头损失增加较大、较快。池内水位随过滤历时不断上升，各测压管内的水位也相应上升，生物膜过滤区内水位上升0.6m至溢流口，或滤层总水头损失增加到500~600mm，确定为生物膜过滤区运行周期结束，需要进行反冲洗。适时的反冲洗，是为了将老化易脱落的生物膜反冲洗最后进入排泥区，有利于出水SS控制在一定范围内。不同流量下滤池运行周期及反冲洗特性见表5。生物膜过滤区运行周期受滤层水头损失的制约，随流量和进水SS增大，水头损失增加加快，导致运行周期缩短，趋势极为明显。生物膜法一般都存在生物填料易堵塞的问题，这就要求进入生物滤池的污水应预先去除SS、油脂等。流量从0.6~4.0m3/d，滤池的运行周期从11d缩短到1.5d。在各流量条件下生物膜过滤区反冲洗耗水量较少，占周期处理水量的比例为3.3％~6.7％。适量反冲洗能有效实现生物膜特性的恢复。4结论生物絮凝沉淀/生物膜过滤复合式工艺废水处理一体化装置在较低溶解氧条件下也能对有机物的去除取得较好效果；而且，可通过延长水力停留时间和絮凝区污泥泥龄以引导和强化生物絮凝反应同步硝化反硝化可实现高效脱氮。在试验条件下，Q=0.6m3/d，A级絮凝反应水力停留时间2.16h，泥龄7.7d，工艺装置对SS、COD及氮到达到较好的去除作用。最优工况下的试验结果为微氧曝气时同时去除有机物和脱氮的高效低能耗污水处理工艺提供了试验实例。该废水处理一体化装置具有以下特点：1）创新地把2段工艺有机集成于一体化装置内，占地小，并且省去了污泥回流装置。2）生物絮凝反应产生的污泥沉入集泥区之前全部在沉淀区底部由回流缝回流，并全部经由絮凝反应区曝气活化作用，可充分发挥大部分污泥的吸附作用。3）斜板沉淀可强化沉淀效率。4）变速生物滤池