高铁酸盐氧化AO工艺污泥减量及强化脱氮

 文章栏目：水污染防治DOI    10.12030/j.cjee.201901090           中图分类号    X703           文献标识码    A张彦平, 李凌冲, 路广平, 等. 高铁酸盐氧化-A/O工艺污泥减量及强化脱氮[J]. 环境工程学报，2019, 13(12): 2870-2877.ZHANG Yanping, LI Lingchong, LU Guangping, et al. Sludge reduction and enhanced nitrogen removal in ferrate oxidation-A/O process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(12): 2870-2877.高铁酸盐氧化-A/O工艺污泥减量及强化脱氮张彦平1，2，*，李凌冲1，2，路广平1，张千11. 河北工业大学土木与交通学院，天津 3004012. 河北省土木工程技术研究中心，天津 300401第一作者：张彦平(1978—)，女，博士，副教授。研究方向：污水、污泥处理及资源化利用，E-mail：[e-mail]*通信作者 NH+4摘　要　为了减少传统生物处理工艺剩余污泥排放量及强化脱氮效果，设计了高铁酸盐氧化-A/O工艺。以模拟生活污水为处理对象，研究对比了破解后不同回流比对高铁酸盐氧化-A/O工艺的污泥减量和强化脱氮效果的影响，并对出水水质和污泥性能进行了综合评价。实验结果表明：剩余污泥破解回流比r为50%时，污泥产率系数YOBS为0.05 g·g−1，剩余污泥量减少最多，为46%；高铁酸盐氧化-A/O工艺对TN和-N去除率分别达到71.7%和88.8%，CFS污泥破解液具有较好的可生化性，可被反硝化菌有效利用，脱氮效果明显提高；该运行工况下，污泥浓度、污泥活性均有所提高，污泥沉降性得到改善。此外，污泥破解液引入系统的Fe3+可在一定程度上提高了TP的去除率。高铁酸盐氧化-A/O工艺能够提高污染物去除率，实现污泥减量同步强化脱氮的目的。关键词　反硝化碳源；污泥减量；脱氮；高铁酸盐氧化-A/O工艺  随着环保形势的日益严峻，污染物排放标准愈加严格，尤其是导致水体富营养化的氮元素，如北京市最新标准《北京地方水污染排放标准》(DB 11/307-2013)规定，污水厂出水TN不得高于15 mg·L−1。污水生物处理过程中氮元素的去除是在硝化和反硝化反应共同作用下实现的，但由于我国城镇污水厂进水碳源普遍不足导致反硝化效率低下，使得碳源不足成为制约出水TN达标的重要因素[1]。为解决这一问题，在水厂运行过程中，一般通过投加甲醇等补充碳源的方式提高脱氮效率[2]。然而投加补充碳源不仅增加了运行成本，也会增加剩余污泥的产量[3]。与此同时，在生物处理过程中，微生物将有机物同化为自身细胞物质，以剩余污泥的形式被排出系统。这不仅增加后续污泥处理的成本，还造成了其所含丰富碳源的浪费[4]。在此背景下，研究者们提出多种剩余污泥破解方法并将其作为碳源回用。QIANG等[5]采用臭氧污泥破解液回流至A2/O系统，除磷效果得到明显改善。LIU等[6]研究了污泥水力破解后作为碳源对反硝化速率的影响，发现反硝化速率增加，TN去除率增加。LIU等[7]将碱解发酵污泥破解液作为A2/O系统的反硝化补充碳源，脱氮除磷率均得到明显的提高，并且与传统工艺相比有巨大的经济优势；KONDO等[8]进一步研究了剩余污泥破解回流比对强化反硝化脱氮的影响，发现当污泥破解量为总污泥量9.40%时，剩余污泥排放量减少50%，反硝化效果提高。收稿日期：2019-01-12；录用日期：2019-09-11基金项目：国家自然科学基金资助项目(51608166) 环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineering第13卷第12期2019年12月Vol.13,No.12　Dec.2019 @rcees.ac.cn(010)629410742019-10-2114:50:08高铁酸盐作为一种氧化性强、绿色、多功能的新型氧化剂，在污泥处理领域已得到了广泛研究和应用，相关研究[9-11]证实了高铁酸盐具有良好的污泥溶胞性能，能有效地破坏污泥细胞，溶出胞内物质。在氧化破解污泥的过程中，Fe6+可被还原为Fe3+，Fe3+可以改善污泥的沉降性能和脱水性能[12-14]。为实现高铁酸盐的工艺利用，本研究采用复合高铁酸盐溶液(composite ferrate solution，CFS)破解污泥，将破解液回流至A/O系统强化反硝化脱氮，即高铁酸盐氧化-A/O工艺(Ferrateoxidation-A/O，FO-A/O)，详细考察了不同剩余污泥回流比(25%、50% 和100%)对污泥浓度、污泥活性(SOUR)、污泥沉降性能(SVI)及系统出水水质的影响，重点考察了污泥减量效果和脱氮效果，为实现污泥减量及强化脱氮提供参考。1实验材料与方法1.1实验装置实验装置由A/O工艺模型和FO污泥破解装置2部分组成(见图1)。在A/O模型中，缺氧池、好氧池和二沉池有效容积分别为4.3、16.4和11.7 L，缺氧池设搅拌器，以确保泥水均匀混合，好氧池底部设置曝气砂头。FO污泥破解装置同时具备污泥破解和沉淀2个功能，沉淀完成后，调节上清液pH，上清液经蠕动泵进入进水箱，与污水混合后一同进入A/O工艺模型。1.2污泥来源及工艺进水NH+4NO3NO2实验所用污泥取自天津市北辰区某污水厂，该厂采用A2/O工艺处理生活污水且运行效果良好。工艺进水为模拟生活污水，模拟生活污水由自来水添加葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾及微量元素[15]配制而成，其水质指标为：COD=223.33 mg·L−1，BOD5=126.90 mg·L−1，TN=30.04 mg·L−1，-N=29.17 mg·L−1，-N=0.18 mg·L−1，-N=0.09 mg·L−1，TP=3.31 mg·L−1，pH=6.0~7.5。1.3实验药品FeO24CFS为实验室自制，其中浓度为30.91 g·L−1，ClO−浓度为38.63 g·L−1，OH−浓度为90.27 g·L−1，其他所用化学药品均为国产分析纯。1.4实验方法将活性污泥接种至A/O工艺模型启动装置，待出水C、N达到一级A标准后调试完成， 图1FO-A/O实验装置Fig. 1    Experimental device of the FO-A/O process    第 12 期张彦平等：高铁酸盐氧化-A/O工艺污泥减量及强化脱氮2871    A/O模型运行参数为进水流量48 L·d−1、好氧区水力停留时间8.3 h、缺氧区水力停留时间2.1 h，污泥龄15 d、污泥回流比70%、消化液回流比200%、硝化液回流比200%、好氧池溶解氧3.5~7.0 mg·L−1、缺氧池溶解氧0.2~0.5 mg·L−1。实验装置的运行分为A/O阶段(对照组)和FO-A/O阶段，FO-A/O阶段又分为3种工况，3种工况下剩余污泥破解回流比(r)分别为25%、50%、100%，其中剩余污泥破解回流比指每日被CFS破解的剩余污泥与系统排出剩余污泥干重之比。破解剩余污泥时CFS投加量按50 mg·g−1(以Fe6+计)投加，反应时间为24 h。本研究采用污泥产率系数(YOBS)表征系统运行过程中污泥产率的变化，采用比好氧速率(SOUR)表征污泥活性的变化，二者的计算如式(1)和式(2)所示。YOBS=QWXW+(QQW)XeQ(S0Se)(1)U0=∆mDOXt(2)式中：YOBS为污泥产率系数，g·g−1；QW为剩余污泥量，L·d−1；Q为进水量，L·d−1；XW为剩余污泥浓度，mg·L−1；Xe为出水悬浮物浓度，mg·L−1；S0为进水SCOD浓度，mg·L−1；Se为出水SCOD浓度，mg·L−1；U0为污泥比耗氧速率，mg·(g·h)−1；ΔmDO为DO减少量，mg·L−1；X为混合液SS浓度，g·L−1；t为测试时间，h。1.5分析方法NH+4NO3NO2MLSS、MLVSS、SVI、SS均采用重量法测定，COD采用快速消解法、-N、TP、TN、、均采用分光光度法[16]测定，水质指标测定前使用0.45 μm微孔滤膜过滤；SOUR采用膜电极法[17]测定。2结果与讨论2.1污泥减量情况FeO24实验研究了在污泥破解回流比r分别为25%、50%和100%时的FO-A/O工艺的污泥产率系数，分析了污泥破解回流比对污泥减量效果的影响，结果如图2所示。可以看出，污泥产率系数YOBS随着r的增加而明显降低。r=100%时，YOBS=0.04 g·g−1，与A/O对照组(YOBS=0.09 g·g−1)相比减少了55.56%。这是由于在FO-A/O运行过程中产生的部分剩余污泥被CFS溶胞破解，CFS中所含、ClO−以及OH−通过氧化[18-19]、皂化[20]的方式破坏污泥细胞，释放出胞内物质，并将难溶的大分子有机物转为容易被微生物所摄取利用的小分子有机物，最终作为碳源被重新利用，从而导致YOBS的降低。当r=50%时，YOBS=0.048 g·g−1，污泥产量较A/O工艺减量46%，该工艺的污泥产率系数低于臭氧+A2/O工艺(YOBS=0.1 g·g−1)和K2FeO4+A2/O工艺(YOBS=0.21 g·g−1)。2.2污泥破解回流比对污泥性能的影响污泥破解液回流至A/O系统引入Fe3+，可能会对污泥性能产生影响，因此，本研究探讨了不 图2FO-A/O工艺中污泥破解回流比对污泥减量效果的影响Fig. 2    Effect of reflux ratio of disintegrated sludge on wasteactivated sludge reduction in the FO-A/O process   2872环　境　工　程　学　报第 13 卷    同剩余污泥破解回流比对A/O工艺中污泥浓度、污泥活性和污泥沉降性能的影响，结果见图3。由图3(a)可知：随着r的升高，污泥浓度逐渐升高，这是由于污泥破解液中含有易降解有机物；随着r的增加，易降解有机物增加，导致微生物数量增加，从而使得污泥浓度有所增加。另外，工艺运行过程中，VSS/SS变化幅度不大，维持在0.74左右，表明破解液回流不会造成系统内惰性物质的积累。实验进一步研究了污泥破解液对污泥活性的影响，结果见图3(b)，SOUR的计算方法见式(2)。由图3(b)可知，当r为25%和50%时，SOUR分别为7.21 mg·(g·h)−1和7.77 mg·(g·h)−1，均较对照组(6.2 mg·(g·h)−1)有所提高；当r增加至100%，SOUR有所下降。分析其原因是：一方面，由于在r为25%和50%时，适量的Fe3+进入A/O系统，好氧条件下，Fe3+可以作为氧化细胞色素的电子受体，也可以用于多种酶的合成，但过高浓度的Fe3+会对某些酶的活性产生抑制作用[21]；另一方面，破解液中含有腐殖酸等难被微生物降解利用的物质，微生物对此类物质降解速率慢，降解速率决定微生物对水中DO的摄取量，随着此类物质的增加，对DO的摄取量减少，SOUR降低。回流的Fe3+除对SOUR产生影响外，还有助于污泥沉降性能的提高，结果见图3(c)。从图3(c)可以看出，随着r的增加，SVI逐渐减小，这源于破解液中Fe3+的絮凝作用，其改变了污泥絮体的大小和结构，强化了污泥密度与水密度之间的差异，使MLSS增大，进而导致SVI减小，改善污泥沉降性能，从而有利于后续污泥脱水处理。但当r=100%时，污泥沉降性能较r=50%时变化不大，这可能是由于此时污泥活性降低所致。2.3出水水