改良分段进水工艺处理低CN城市污水流量优化控制王伟

2015年7月CIESCJournalJuly2015第66卷第7期化工学报Vol.66No.7改良分段进水工艺处理低C/N城市污水流量优化控制王伟1，陈强2，汪传新3，彭永臻2（1黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150050；2哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150090；3广州市市政工程设计研究院，广东广州510060）摘要：采用改良分段进水工艺处理低碳氮比（C/N＜3.5）生活污水，研究流量分配对系统处理性能的影响。在其他条件不变的情况下，以实际处理效果以及物料衡算结果为依据来逐步提高首段进水比例以寻求昀优的流量运行工况，共确定4组不同的进水流量分配。结果表明：在此碳氮比条件下，通过提高首段进水比例的方法并不能降低厌氧区氮氧化物的含量，甚至出现相反的情况；系统的同步硝化反硝化作用以及微生物同化作用强度对TN的去除起着至关重要的作用；首段进水比例的提高强化了厌氧区聚磷菌的释磷作用，提高了磷酸盐的去除率；综合考虑系统的脱氮除磷效能以及后续可优化空间，确定在进水流量分配比例为6:3:1的工况3为昀优工况，系统出水COD、氨氮、总氮、磷酸盐浓度分别为45.98、0.04、17.47和2.43mg·L−1。关键词：分段进水；废水；流量分配；沉降；污染；低碳氮比；脱氮除磷DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150081中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2015）07—2686—08OptimizationofflowformodifiedstepfeedprocesstreatinglowCOD/TNmunicipalsewageWANGWei1,CHENQiang2,WANGChuanxin3,PENGYongzhen2(1CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin150050,Heilongjiang,China;2StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,Heilongjiang,China;3GuangzhouMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Guangzhou510060,Guangdong,China)Abstract:Byadjustingthedistributionratioofinfluentflowintoanaerobicandanoxiczones,theremovalefficiencyofpollutantsinlowC/N（COD/totalnitrogen）＜3.5municipalsewageusingmodifiedstepfeedprocesswasanalyzed.Keepingthefollowingconditionsunchanged:hydraulicretentiontime(HRT)10h,sludgeretentiontime(SRT)10—15d,volumeofanaerobiczone:volumeoftotalanoxiczones:volumeoftotalaerobiczones4:9:9,whentheactualefficiencyobtainedandmaterialbalancecalculationresultswereutilizedtoincreasegraduallythewaterratiodistributingtothefirststagei.e.anaerobiczone,thebestoperatingconditionscouldbefoundand4kindsofoperatingconditionsdetermined.Theresultsshowthat,atgivenC/Nratio,concentrationofnitrogenoxidesinanaerobiczonedoesnotdecreasewiththeincreaseofthewaterratioenteredintoanaerobiczone,evenappearstheoppositesituation.Thesimultaneousnitrificationanddenitrification（SND）andmicrobialassimilationeffectintensityplaycrucialroleinTNremoval.Theriseofwaterratioenteredintoanaerobiczoneimprovesthe2015-01-20收到初稿，2015-03-10收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：王伟（1979—），女，博士，副教授。基金项目：国家自然科学基金项目（51208185）；黑龙江省青年科学基金项目（QC2011C018）；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（1251G053）。Receiveddate:2015-01-20.Correspondingauthor:Prof.PENGYongzhen,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51208185),theHeilongjiangProvinceNaturalScienceFoundation(QC2011C018)andtheHeilongjiangProvinceOrdinaryCollegesandUniversitiesYoungAcademicBackboneSupportPlan(1251G053).第7期王伟等：改良分段进水工艺处理低C/N城市污水流量优化控制·2687·removalrateofphosphateduetothephosphorusreleaseeffectofphosphorus-accumulatingbacteriaisenhancedinanaerobiczone.Bothnitrogenandphosphorusremovalsaswellassubsequentoptimizationspaceareconsidered,oneofoptimizedwaterdistributionratiois6:3:1，andatthiscondition,theeffluentconcentrationofCOD,ammonianitrogen,TN,phosphateis45.98,0.04,17.47and2.43mg·L−1respectively.Keywords:stepfeed;wastewater;flowdistribution;sedimentation；pollution；lowC/N;nitrogenandphosphorusremoval引言目前，传统生物脱氮除磷工艺由于工艺形式的限制，使得其对于低碳氮比的生活污水处理效果不佳[1]。而分段进水工艺突破传统的单点进水形式，采用多点进水，使得其具有水力停留时间短、污泥浓度高等优点，并且可以省去硝化液内回流设施[2-4]。昀重要的是其可以昀大程度地利用原水碳源，减少由于原水碳源不足带来的不利影响。众多研究者采用不同的分段段数（2～4）进行研究所得结果均表明，该工艺在少投加甚至无须投加外碳源的情况下就可以取得较好的脱氮除磷效果[5-8]。在影响分段进水工艺的众多因素中，流量分配具有重要意义。流量分配不仅直接影响各隔室的水力停留时间以及各隔室的污泥浓度，而且决定了碳源在各隔室的含量以及利用程度。祝贵兵等[9]对四级A/O串联分段进水工艺进行研究，推导出了工艺昀大流量分配系数与进水C/N比的数学关系，并在此基础上探讨了在一定的进水负荷条件下，流量分配系数对系统TN去除率的影响。王伟等[10-11]采用四级A/O串联分段进水工艺进行研究，提出了3种流量分配方法，并对3种方法进行了理论研究，推导出流量分配的专家决策系统，为分段进水工艺流量分配提供了理论基础。王敏等[12]采用三级A/O串联分段进水工艺处理生活污水，在C/N为6，流量分配比为50%:30%:20%时，系统脱氮效果昀好，出水TN浓度小于5.7mg·L−1，去除率高达82.9%。Vaiopoulou等[13]研究发现当进水流量分配比为60%:25%:15%时，采用改良UCT分段进水工艺处理希腊某城市生活污水，出水污染物浓度能够达到欧盟污水排放标准。Cao等[14]研究发现，当采用流量分配比为20%:35%:35%:10%时，改良四段式分段进水工艺处理城市污水脱氮除磷效果昀佳。众多的研究表明，流量分配确实对系统性能有重要影响[13,15]。但大部分研究所采用的分配方式是基于流量分配系数的思想，即按照流量分配系数，各段进水中碳源量恰好可以将上一段产生的硝酸盐氮完全去除[10]。事实上，对于高C/N污水，按照流量分配系数分配流量，流量沿程递减，不仅可以昀大程度地利用原水碳源，还可以充分利用系统的硝化容量。而对于低C/N污水，按流量分配系数，流量沿程则成递增趋势分布，此时便产生两个问题：（1）由于系统各段的污泥浓度沿程呈递减分布，这导致系统第一段的处理容量存在一定的浪费；（2）由于原水中的碳源量远不能将缺氧区中由于上段好氧区产生的硝酸盐氮以及由于污泥回流而带入缺氧1区中的硝酸盐氮完全反硝化，因此若首段进水流量分配过小，势必会对系统的除磷性能造成巨大的冲击。本研究所采用的生活污水是低C/N生活污水，为了充分利用原水碳源，并尽可能利用系统的处理容量，兼顾系统的脱氮除磷效果，根据实际处理效果以及物料衡算结果对流量分配进行研究，以期获得分段进水工艺处理低C/N生活污水高效运行的流量控制策略。1试验部分1.1试验装置改良分段进水工艺如图1所示。主体反应器由有机玻璃制成，容积为100L，有效容积为67L，共7个反应区，分别为厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区、好氧2区、缺氧3区、好氧3区，不同隔室之间用可移动插板分隔，插板底部接有连通管，反应器内填充活性污泥，不添加任何填料。二沉池采用竖流式，容积为44L。采用5台蠕动泵分别控制进水、污泥回流与内循环。采用电磁式空气压缩机曝气，黏砂块为微孔曝气器，采用空气流量计控制曝气量。采用搅拌器对厌氧区及缺氧区进行搅拌。1.2接种污泥与原水水质接种污泥取自哈尔滨市某污水处理厂回流污泥，经15d驯化培养，污泥活性良好。原水采用哈尔滨某大学教工小区生活污水，水质见表1。1.3水质指标与分析方法硝态氮采用麝香草酚分光光度法；亚硝态氮采化工学报第66卷·2688·表1原水水质Table1RawwaterqualityItemRange/mg·L−1Average/mg·L−1COD94.69—344.5195.77BOD39.77—159.284.774NH-N+24.7—55.745.762NO-N−0—0.4860.0913NO-N−0—1.040.37TN31.99—69.7156.2034PO-P−1.96—6.064.01C/N2.20—5.813.49用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；总氮采用TOC-VCPN总氮测定仪测定；磷酸盐采用氯化亚锡分光光度法；COD采用连华科技5B-3（C）型快速测定仪测定;MLSS采用滤纸称重法；MLVSS采用马弗炉灼烧法；pH、ORP、DO和温度由德国WTWmulti3420测定仪在线监测。1.4试验条件与运行方案改良分段进水工艺在室温（23～28℃）条件下运行，试验期间HRT控制在10h，相应进水总流量Q总为161L·d−1，SRT控制在10～15