粪便污水与城市污水同步脱氮的优化控制石明岩

收稿日期:2010-01-11基金项目:住房和城乡建设部研究开发项目（2009-K7-17），广州市番禺区科技计划项目（2009-Z-69-1），广州市属高校科技计划项目（08C058）和广东省科技计划重点引导项目(2010B010900038)共同资助。作者简介:石明岩，女，博士，副教授。E-mail：[e-mail]安徽农业大学学报,2011,38(1):95-100JournalofAnhuiAgriculturalUniversity[DOI]CNKI:34－1162/S.20110107.1518.011粪便污水与城市污水同步脱氮的优化控制石明岩1，莫东华1，冯兆继1，余建恒2，王少林2，夏耿东2(1.广州大学土木工程学院，广州510006；2.广州市大坦沙污水处理厂，广州510163)摘要：采用倒置A2/O工艺，以实际粪便污水与城市污水同步脱氮为目标进行试验。试验条件下得到，混合污水同步脱氮的临界氨氮污泥负荷为0.0198kg·kg-1·d-1；水力停留时间是混合污水脱氮的限制因素；污泥回流比对硝化和反硝化影响最弱；水温28～35℃时，混合污水同步脱氮最佳工况氨氮污泥负荷为0.018kg·kg-1·d-1、水力停留时间为8h、溶解氧浓度为2.0mg·L-1、污泥回流比为80%、混合液回流比为150%、泥龄为20d。此时，NH4＋-N和TN去除率分别为97.0%～99.4％和61.4%～68.7％，出水可达标排放。关键词：倒置A2/O工艺；粪便污水；城市污水；脱氮；水力停留时间；最佳工况中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1672−352X(2011)01−0095−06CharacteristicsofnitrogenremovalbyconsolidatedtreatmentofnightsoilsewageandmunicipalwastewaterSHIMing-yan1,MODong-hua1,FENGZhao-ji1,YUJian-heng2,WANGShao-lin2,XIAGeng-dong2(1.SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006;2.GuangzhouDatanshaSewageTreatmentPlant,Guangzhou510163)Abstract:WithinvertedA2/Oprocess,Wetriedtoremovethenitrogenfromtheactualfecalsewageandur-bansewagesimultaneously.Underoptimalexperimentalconditions,nitrogenloadforsimultaneousremovalofthecriticalmixturefromthesewagesludgeis0.0198kg·kg-1·d-1.Hydraulicretentiontimeisthecontrollingfac-torformixedsewageremoval.Sludgerecycleratioaffectsthenitrificationanddenitrificationisweakest.Inthewatertemperatureof28－35℃,thebestconditionforsynchronizeddenitrificationfromthemixtureofsewagenitrogenisasfollow:Ammoniasludgeload0.018kg·kg-1·d-1;HRT,8h;dissolvedoxygen,2.0mg·L-1;returnedsludgeratio,80%;returnratioofmixedliquor,150%;sludgeretentiontime,20d.Inthiscondition,ammoniaandnitrogenremovalrateare97.0%－99.4％and61.4%－68.7％,respectively.Thedischargedeffluentcouldbefullytreatedandreachedthestandard.Keywords:invertedA2/Oprocess；fecalsewage；municipalwastewater；nitrogenremoval；HRT；optimumcondition粪便污水属高氨氮废水[1]，以粪便处理厂独立处理或纳入城市污水厂合并处理为主[2-4]。较独立处理，合并处理可节省一次性投资，简化工艺流程，利用城市污水对粪便污水高浓度污染物的稀释作用和粪便污水对城市污水营养物质的补充，实现二者同时处理同时达标[5-8]。特别在南方地区城市污水碳源普遍缺乏的情况下，与粪便污水合并处理则不失为补充城市污水碳源、改善城市污水可生化性的一条有效途径。但是，广州市大坦沙污水厂等单位的运行实践表明，合并处理后因氨氮的冲击，脱氮效率下降[9]。为此，作者以实际混合污水为进水，采用大坦沙污水厂处理工艺的模拟反应器，对主要运行参数对脱氮的影响及其优化控制进行初步研究。1材料与方法1.1反应器构造反应器模拟大坦沙污水厂倒置A2/O工艺设计，由调节池、生化反应池和二沉池构成，如图1。调DOI:10.13610/j.cnki.1672-352x.2011.01.00396安徽农业大学学报2011年节池设搅拌机，保证粪便污水与城市污水混合均匀，有效体积500L。反应池尺寸为80cm×60cm×60cm，用隔板均分成缺氧区、厌氧区、好氧1区和好氧2区，各区之间水力连通。缺/厌氧区设搅拌机慢速搅拌，保证泥水完全混合。好氧区底部设微孔曝气器，根据在线DO仪的监测值，通过调整阀门开启度来控制曝气量。二沉池尺寸为60cm×20cm×50cm，泥斗高25cm，底部设排泥管和污泥回流管。1.Waterpump;2.Aircompressor;3.Flowmeter;4.Waterpumpofreturnedsludge;5.Waterpumpofreturnedmixedliquor;6.Dynamoelectricbeater;7.Airsparger;8.ApparatusofDO;9.Sludgepipe;10.Outletpipework;Ⅰ.Adjustingtank;Ⅱ.Anoxiczone;Ⅲ.Anaerobiczone;Ⅳ.Aerobiczone1;Ⅴ.Aerobiczone2;Ⅵ.Sedimentationbasin图1倒置A2/O反应器Figure1InvertedA2/Oprocessreactor1.2原水水质粪便污水取自广州市白沙河无害化处理厂初级处理出水，城市污水取自大坦沙厂沉砂池出水，根据需要在调节池以不同体积比混合，水质见表1。试验期间水温为28～35℃。1.3测试项目与方法COD：重铬酸钾法；NH4＋-N：纳氏试剂光度法；TN：碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法；MLSS：滤纸重量法；DO：HACHsc100型溶氧仪；pH：CYBERSCAN510型pH计。2结果与分析2.1氨氮污泥负荷的控制控制试验条件：水力停留时间(HRT)为8h、好氧区溶解氧(DO)浓度为1.5mg·L-1、污泥回流比(R)为100%、混合液回流比(r)为200%、泥龄(SRT)为15d，改变粪便污水与城市污水体积混合比，考察不同氨氮污泥负荷下的脱氮效果，结果如图2。图2显示，氮去除率随氨氮污泥负荷加重而下降。当氨氮污泥负荷不超过0.0198kg·kg-1·d-1（此时粪便污水∶城市污水＝1∶150）时，可充分利用城市污水处理系统的硝化容量同步处理粪便污水，保障出水NH4＋-N和TN的达标排放。当氨氮污泥负荷进一步提高到0.024kg·kg-1·d-1时，平均出水NH4＋-N浓度上升至10.7mg·L-1，超过一级B标准中对NH4＋-N的最高允许排放浓度，平均出水TN浓度为15.1mg·L-1，对达标排放则不构成威胁，说明粪便污水的混入主要对硝化构成压力，对硝化的抑制性影响比反硝化更为严重。试验条件下确定临界氨氮污泥负荷为0.0198kg·kg-1·d-1。2.2HRT的控制控制运行条件：DO为1.5mg·L-1、R为100%、r为200%、SRT为15d、氨氮污泥负荷为0.018kg·kg-1·d-1，变化HRT，处理效果见图3。由图3发现，在范围内，除污效果随HRT延长而提高。HRT为5.6h时，NH4＋-N平均去除率为73.9％；HRT为8h时，NH4＋-N平均去除率达96.9%，去除接近完全；TN平均去除率也在HRT由5.6h延长至8h的过程中获得了12.3％的增幅，以6.6~8h区间段变化最为明显，增幅达10.3％。分析原因是HRT越长，混合污水的处理周期越长，反应越完善，这与现有的研究一致[10-12]。由处理效果确定试验条件下HRT至少应控制在8h。2.3好氧区DO的影响好氧区DO主要消耗在硝化反应、对有机污染物的去除、对部分还原型物质的去除等方面。保持其他参数不变，控制好氧区DO浓度在不同的数值，观察其对脱氮的影响，试验结果见图4。由图4可知，当DO浓度由1.0mg·L-1升至1.5mg·L-1时，NH4＋-N平均去除率由88.5％上升到96.3%，DO浓度提升在一定程度上强化了NH4＋-N的去除；硝化率的提高促使硝态氮产量增多，反硝化效果亦得到增强，脱氮率由58.7％提高至63.7%。当DO浓度由1.5mg·L-1升高至2mg·L-1时，NH4＋-N平均去除率仅增加了0.4％，说明工艺对氨氮的去除能力已接近极限，1.5mg·L-1的DO浓度已能满足硝化菌对氧的需要，此时DO不再是硝化反应的限制因素；TN的去除在该过程中则出现下滑，平均去除率下降了5.8个百分点。分析是此时曝气已过度，有多余的DO随回流污泥进入了缺氧区，反硝化因此受到了负面影响[13]。2.4污泥回流比的影响在HRT为8h、DO为1.5mg·L-1、r为200%、SRT为15d、氨氮污泥负荷为0.018kg·kg-1·d-1时，分别考察了污泥回流比为60%、80％和100%的处38卷1期石明岩等:粪便污水与城市污水同步脱氮的优化控制97理结果，如图5所示。表1原水水质Table1Influentquality项目ProjectCOD/mg.L-1NH4＋-N/mg.L-1TN/mg.L-1pH粪便污水Nightsoilwastewater13500~20600664~1200835~15007.5~8.5城市污水Municipalwastewater50~20010~3012~337.0~8.0粪便污水与城市污水混合水Mixedsewage63~25011~3214~377.4~8.0图2氨氮污泥负荷对脱氮的影响Figure2Influenceofammonianitrogenloadonnitrogenremoval图3HRT对脱氮的影响Figure3InfluenceofHRTonnitrogenremoval图4好氧区DO对脱氮的影响Figure4InfluenceofDOonnitrogenremoval98安徽农业大学学报2011年图5R对脱氮的影响Figure5InfluenceofRonnitrogenremoval由图5可以看出：当R在60％~100％范围内变化时，NH4＋-N平均去除率由91.0％变化到96.6％，受R的影响不甚明显。TN平均去除率由52.3％升至63.4％，但从TN去除率实际值与理论值[14]的比较(表2)发现，R的增加理论上对反硝化的影响极其微弱，TN去除率实际值低于理论值14.4%~24.8%，工艺的反硝化作用还不完全，若严格控制操作条件，TN的去除还有较大的提升空间。2.5水温的影响温度是影响微生物代谢活力重要因素之一[15-16]。在HRT为8h、DO浓度1.0～1.