改良型一体化氧化沟工艺在低碳源条件下脱氮除磷

第６卷　第５期环境工程学报Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．５２０１２年５月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｙ２０１２改良型一体化氧化沟工艺在低碳源条件下脱氮除磷王　涛　何　怡　郎　建　刘　霞　白洁颖（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５）摘　要　针对在低碳源条件下脱氮除磷效果不佳，将倒置Ａ２／Ｏ工艺的思想运用于一体化氧化沟工艺中，构建一种新型污水处理系统，即改良型一体化氧化沟工艺。实验考查了系统在低碳源条件下的脱氮除磷能力；结果表明：当缺氧区进水分配比ｒ＝０８，泥龄ＳＲＴ＝１０ｄ，好氧区水力停留时间ＨＲＴ＝１２ｈ时，该系统对ＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ和ＴＰ的去除率分别达７０８％、８９３％和７２１％，出水ＮＯ－ｘＮ为１６５ｍｇ／Ｌ，同时处理效果稳定，出水水质达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８２００２）一级Ｂ标准的要求。关键词　改良型一体化氧化沟工艺　低碳源　脱氮除磷　影响中图分类号　Ｘ７０３　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２０１２）０５１４８９０６ＮｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｂｙｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｄｉｔｃｈｕｎｄｅｒｌｏｗｃａｒｂｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎＷａｎｇＴａｏ　ＨｅＹｉ　ＬａｎｇＪｉａｎ　ＬｉｕＸｉａ　ＢａｉＪｉｅｙｉｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒＲｅｇｉｏｎ’ｓＥｃｏＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎａｌｌｕｓｉｏｎｔｏｔｈｅｐｏｏｒｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｒｅｓｕｌｔｓｕｎｄｅｒｌｏｗｃａｒｂｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｅｗｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｄｉｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓ，ｗａｓｆｏｒｍｅｄ，ｗｈｉｃｈａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅＡ２／ＯｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｄｉｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓＴｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＣＯＤ、ＮＨ＋４ＮａｎｄＴＰｗｅｒｅ７０８％，８９３％ａｎｄ７２１％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔＮＯ－ｘＮｗａｓ１６５ｍｇ／Ｌｕｎｄｅｒｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｒａｔｉｏｏｆａｎｏｘｉｃａｒｅａｏｆ０８，ＳＲＴｏｆ１０ｄａｙｓ，ＨＲＴｏｆ１２ｈｏｕｒｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｗａｓｓｔｅａｄｙ，ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｑｕａｌｉｔｙｍｅｔｔｈｅｆｉｒｓｔｌｅｖｅｌＢｃｒｉｔｅｒｉａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｉｎｔｈｅＤｉｓｃｈａｒｇｅＳｔａｎｄａｒｄｏｆＰｏｌｌｕｔａｎｔｓｆｏｒＭｕｎｉｃｉｐａｌＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｌａｎｔ（ＧＢ１８９１８２００２）Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｄｉｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓ；ｌｏｗｃａｒｂｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅ；ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ基金项目：国家“水体污染控制与治理”科技重大专项（２００９ＺＸ０７３１５００２）收稿日期：２０１１－０１－２５；修订日期：２０１１－０５－１６作者简介：王涛（１９６４～），男，副教授，主要从事水污染控制理论与技术研究。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇ[e-mail]　　随着城镇化进程的加快，城镇生活污水排放量的增加，造成城镇污水氮、磷污染日益加剧，确保良好的脱氮除磷效果已成为城镇污水处理厂的重要问题。虽然目前生物脱氮除磷工艺层出不穷，但生物脱氮除磷技术存在着碳源不足、菌群竞争、污泥龄难以控制等诸多问题［１５］，致使污水处理厂很难获得优异的脱氮除磷效果，这种现象在低碳源条件下表现得尤为突出［６，７］。随着生活水平的提高，采用合流制排水管网的污水出现低碳源的现象越来越严重，常常实际进水ＣＯＤ只有１００～２００ｍｇ／Ｌ［８］，因此如何在低碳源条件下提高脱氮除磷效果，尽可能达到排放标准，是现在所要研究的重要问题。在碳源缺乏的问题上，国内外学者做过许多研究，在时间或空间上对脱氮除磷工艺进行改造，或是寻找可代替的有机碳源，或是开发新工艺［９１２］。这些工艺在一定程度上解决了脱氮除磷对基质的竞争问题，提高了脱氮除磷效果，但是这些工艺大多以增加反应器数量、容积与回流系统为代价，操作繁琐，运行管理复杂。一体化氧化沟技术开发至今发展迅速，并在实际生产中得到应用。具有代表性的有船式沉淀器（ＢＯＡＴ）、ＢＭＴＳ系统、Ｃａｒｒｏｕｓｅｌ渠内分离器、边墙分环境工程学报第６卷离器以及边渠沉淀分离器和导管式曝气内渠。我国与美国几乎同步进行了一体化氧化沟的开发与研究，并取得了大量的成果，一体化氧化沟技术在我国已有多处在建和已建工程。目前对一体化氧化沟的研究主要集中在脱氮除磷效果和节能方面的改良。本研究采用的改良型一体化氧化沟工艺是将倒置Ａ２／Ｏ工艺的思想运用于一体化氧化沟工艺中，并采用分区进水的方式，形成一种新型的污水处理系统。实验主要考察改良型一体化氧化沟工艺在低碳源条件下对氮磷的去除并提出优化的工艺设计运行参数，以期为脱氮除磷的实际应用提供理论依据和设计参考。１　实验材料与方法１１　工艺流程及设备实验流程图如图１所示。改良型一体化氧化沟模型示意图如图２所示。模型的相关尺寸见表１。图１　实验流程图Ｆｉｇ１　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ图２　改良型一体化氧化沟模型示意图Ｆｉｇ２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｔｅｇｒａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｄｉｔｃｈ　表１　模型构筑物尺寸表Ｔａｂｌｅ１　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｍｏｄｅｌｂｕｉｌｄｉｎｇ名　称总尺寸（Ｌ×Ｂ×Ｈ）（ｍｍ）有效水深（ｍｍ）有效容积（ｍ３）好氧区３０００×１０００×５００４０００７６缺氧区１４００×４００×５００４０００２１厌氧区１０００×４００×５００４０００１４１２　实验设备１２１　水平轴卧式曝气转刷改良型一体化氧化沟的曝气转刷为水平轴Ｋｅｎｓｓｅｎｅｒ转刷。其有效长度为０１４ｍ，直径０４２ｍ。转刷共有１２个轴片固定在两端圆盘上，与轴有１５ｃｍ的空隙，轴片沿轴向以１８ｍｍ的间距排列成３或４个矩形齿片，齿片长５０ｍｍ，宽１８ｍｍ。相邻轴片上的齿片错开排列。１２２　固液分离器设置固液分离器主要目的是为了配合脱氮除磷的实验，对系统的出水进行固液分离，同时观察实验期间污泥回流及泥水分离的情况，为后续实验提供依据。固液分离器的材质是硬质聚氯乙烯，组件是按照原件１∶５的比例缩小的，固液分离器的平面形状犹如一个倒梯形，较长的一个底边长为１１４０ｍｍ，较短的一个底边长为８００ｍｍ，高为１００ｍｍ。１３　原水水质实验用水取自某县老城区下水道，主要是生活污水。实验期间进水ＣＯＤ为１１２６１～２１３０８ｍｇ／Ｌ，平均值为１４６３５ｍｇ／Ｌ；ＢＯＤ５为４６７１～１０５６０ｍｇ／Ｌ，平均值为６４４０ｍｇ／Ｌ；ＮＨ＋４Ｎ为１３６４～３２５５ｍｇ／Ｌ，平均值为２２６８ｍｇ／Ｌ；ＮＯ－ｘＮ为０１１～０２０ｍｇ／Ｌ，平均值为０１７ｍｇ／Ｌ；ＴＰ为１１６～６２０ｍｇ／Ｌ，平均值为２９７ｍｇ／Ｌ。１４　实验方法本实验主要考察好氧区水力停留时间ＨＲＴ、污泥龄ＳＲＴ和缺氧区进水在总进水中的比例ｒ这３个控制参数对系统脱氮除磷的影响，并以进出水的ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－ｘＮ和ＴＰ作为考察指标，确定系统脱氮０９４１第５期王　涛等：改良型一体化氧化沟工艺在低碳源条件下脱氮除磷除磷性能和系统的最佳运行工况。本实验设计处理量为２ｍ３／ｄ，好氧区ＨＲＴ每增加２ｈ为一组工况，分为３组，分别为８、１０和１２ｈ，相应的缺氧区ＨＲＴ分别为２５、３１和３８ｈ，厌氧区ＨＲＴ分别为１５、１９和２３ｈ。实验设定好氧区ＳＲＴ为１０、１５和２０ｄ，缺氧区进水量占总进水量的比例ｒ为１０、０８和０６。根据以上安排，实验共设计了８种工况，具体工况安排见表２。表２　实验工况及对应控制参数Ｔａｂｌｅ２　Ｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ工况缺氧区进水分配比好氧区水力停留时间（ｈ）污泥龄（ｄ）１１０８１０２１０１０１５３１０１２２０４０８８１５５０８１０２０６０８１２１０７０６８２０８０６１０１０２　实验结果分析２１　实验结果各工况实验结果的平均值见表３。由表３可知，在实验期间进水ＣＯＤ比较低，平均值为１５６７ｍｇ／Ｌ，有机物碳源明显不足，但系统的脱氮效果仍然较好，各工况的ＮＨ＋４Ｎ去除率均保持在８０％以上，出水硝氮平均在５ｍｇ／Ｌ以下。虽然系统除磷效果不够稳定，但通过调节ＳＲＴ和ｒ，系统的磷去除率仍可达７０％左右，并且系统出水的ＣＯＤ也比较稳定。系统的回流都是从好氧区到缺氧区，再从缺氧区到厌氧区，通过对缺氧区和厌氧区作微生物的物料平衡，并假设进水中没有微生物，经计算得出，系统中缺氧区和厌氧区的污泥浓度与好氧区的污泥浓度基本一致。实验数据说明，本工艺在低碳源条件下具有强化脱氮除磷的能力和稳定去除ＣＯＤ的能力，系统具有较高的可靠性和稳定性。表３　实验结果平均值汇总表Ｔａｂｌｅ３　Ｓｕｍｍａｒｙｏｆａｖｅｒａｇｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ（ｍｇ／Ｌ）工况进水ＮＨ＋４Ｎ出水ＮＨ＋４Ｎ进水ＮＯ－ｘＮ出水ＮＯ－ｘＮ进水ＴＰ出水ＴＰ厌氧区ＴＰ进水ＣＯＤ出水ＣＯＤ好氧区ＭＬＳＳ１２６１９３３１０１９１４６２９３１３９６９０１５１４３５３２４１５４３２２７２１２３２０１６１３６２９３１７２９５１１９５５５０２８１７３９３２１５３２１００６３１０６２６０１７９７６２１３５３２４９３４１０６７４２４０３１７００７１１５８２５９１７２１０５９１３５７９５２１６１８４８５２３６３３６４０５６０７８３９６１６４１４２３１５２０４４９５８１８３７６２２９４２４６１０１１６５３５９１００８９３１８０８２５２７７１４４８７１７３０１８５２０２４０７２４７１２５３５７１７０７５５１６３２０１７８１６３８１８４１７４４７４１９７０７６５５１１３２１８５５５３１４７９２２　脱氮实验结果分析２２１　缺氧区进水分配比对脱氮实验结果的影响实验期间进水的Ｃ／Ｎ比均值为６，能够满足脱氮需求，但当ｒ＝０８时，Ｃ／Ｎ比已成为脱氮的限制性因素，再降低ｒ已明显不利于反硝化，因此本实验设定ｒ＝０６、０８和１０。缺氧区进水分配比ｒ对出水硝氮的影响如图３所示。从图３可知，ｒ＝１０时，系统出水硝氮平均值为１２９ｍｇ／Ｌ，从表３的工况３可以看出，回流进厌氧区的硝氮约为１ｍｇ／Ｌ，由此可见缺氧区反硝化比较彻底。当ｒ＝０８时，从图３和表３的工况４～６可知，其脱氮情况与ｒ＝１０时差不多。但是，当ｒ＝０６时，系统出水硝氮的含量明显增加，在４ｍｇ／Ｌ以上，同时回流到厌氧区的硝氮浓度也大幅增加。这说明在该实验条件下，系统脱氮主要受缺氧区碳源多少的影响。１９４１环境工程学报第６卷图３　缺氧区进水分配比对出水硝氮的影响Ｆｉｇ３　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｒａｔｉｏｏｆａｎｏｘｉｃ