后置缺氧UCT分段进水工艺处理低CN城市污水王慰

中国环境科学2016,36(7)：1997~2005ChinaEnvironmentalScience后置缺氧UCT分段进水工艺处理低C/N城市污水王慰,王淑莹*,张琼,邢立群,鲍方博,彭永臻(北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：为处理低碳源生活污水,以内碳源反硝化途径为出发点,开发了后置缺氧UCT分段进水工艺.该工艺仅在UCT分段进水最后一好氧段末端增加了后置缺氧环节,以强化微生物内碳源储存能力.在低C/N水平(平均进水C/N=3.1±1.5)的生活污水条件下,后置缺氧UCT分段进水工艺实现了平均75.3%的TN去除率,运行61d后同步硝化反硝化去除的氮量高达31.5%;运行40d后污泥内碳源储存水平比原工艺污泥提高12.2%,9小时比内源反硝化速率由零提高至5.56mgN/(gVSS⋅d),系统可通过好氧段同步硝化内源反硝化(SNED)提高TN去除率.污泥沉降性能有明显改善:SVI值由350mL/g降至97mL/g,而原UCT分段进水工艺污泥仍然膨胀.该工艺仅在原工艺基础上增加了一后置缺氧段,无需外加碳源和额外硝化液回流设施,有利于水厂升级改造.关键词：UCT分段进水；后置缺氧；低C/N比；内碳源反硝化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)07-1997-09Post-anoxicUCTstep-feedprocessintreatingmunicipalwastwaterwithlowC/Nratios.WANGWei,WANGShu-ying*,ZHANGQiong,XINGLi-qun,BAOFang-bo,PENGyong-zhen(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(7)：1997~2005Abstract：Totreatsewagewithlowcarbonsource,apost-anoxicUCTstep-feedprocesswasproposedinaendogenousdenitrificationperspective.ThisprocessonlyaddedananoxiasectionafterthelastaerobicsectionoftheoriginalUCTstep-feedreactor,tostrengthenthemicrobialconsortium’sstoragecapacityofcarbonsource.UnderaverylowratioslevelofC/N(averageC/N=3.1±1.5)inthewastewaterinfluence,thepost-anoxicUCTstep-feedprocessachievedanaverage75.3%oftheTNremovalrate;After61days’operation,nitrogenremovalcontentviasimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)wasashighas31.5%.At40thday,thecarbonsourcestoragelevelinthesludgewas12.2%higherthanthatoftheoriginalprocess,and9hoursspecificendogenousdenitrificationrate(SEDR)wasincreasedfrom0to5.56mgN/(gVSS·d),theprocessimprovedtheTNremovalratemainlybysimultaneousnitrificationandendogenousdenitrification(SNED)intheaerobiczone.Theperformanceofsludgesettlingwasimproved:SVIvaluedecreasedfrom350mL/gto97mL/g,whilesludgebulkingstillremainedintheoriginalUCTstep-feedprocess.Thisprocessonlyaddedananoxiasectionintheoriginalreactor,withoutadditionalcarbonsourceornitrateliquidrecyclingfacilities,whichisconvenientforreconstructionofthewastewatertreatmentplants.Keywords：UCTstep-feed；postanoxic；lowC/Nratios；endogenousdenitrification目前城市污水污水处理厂的进水碳氮比极低(约3~4),远不能满足传统活性污泥法微生物所需的碳源,一般水厂采取大量投入外加碳源的方法以保证出水水质达标,增大了运营成本[1-2].而针对低碳氮比城市污水的处理工艺已成为了研究热点,并陆续提出了多种前置反硝化工艺[3-4].这些工艺先利用原水中的可溶解性有机物作为碳源进行脱氮除磷,再通过好氧硝化去除氨氮,故出水TN水平均很高,需依靠提高硝化液回流或污泥回流比来保证出水TN达标,增大了污泥回流泵的电力能耗.UCT分段进水工艺结合了UCT与A/O分段收稿日期：2015-12-16基金项目：国家自然科学基金(51578014);北京工业大学第13届研究生科技基金项目(ykj-2014-11014);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]1998中国环境科学36卷进水两种工艺,同时具有了反硝化除磷的功能和高效利用城市污水中有机碳源脱氮的优势.由于污泥先回流至缺氧区,去除了硝酸盐后再回流至首段厌氧区,故聚磷菌可充分利用原水中的有机物进行释磷,为后续吸磷提供动力,强化了系统的除磷能力,提高了除磷效率.生活污水分为3部分进入反应器,缺氧区内微生物充分利用原水中的有机物进行反硝化脱氮,降低出水总氮含量,节省了硝化液回流设备和外碳源费用[5].但是处理C/N=3左右的生活污水时,UCT分段进水工艺仍需通过投加外碳源,维持碳氮比在6左右,来满足生物脱氮除磷对有机碳源的需求,增加了污水处理费用.原UCT分段进水工艺在原水C/N=6条件下运行一年,出水指标稳定维持一级A达标[6].但此工艺存在严重的污泥膨胀问题(SVI长期300mL/g左右);且在进水C/N=3~4的条件下,虽然NH4+-N去除仍可达标,但出水NOx--N远高于标准,高浓度的NOx--N含量使得二沉池内污泥利用内碳源进行反硝化反应,产生的氮气停留在污泥絮体中,污泥比重减轻,出现了严重的污泥上浮现象,二沉池底部回流污泥浓度低,影响反应器的正常运行.为减少污泥系统对外碳源的需求,不少学者将视野转向了利用污泥内源的脱氮途径研究.胞内聚合物是微生物内碳源的一种形式,包括聚羟基链烷酸酯(PHA)、糖原、聚磷酸盐及硫粒等[7].在强化生物除磷系统研究中,对于聚磷菌和聚糖菌(PAOs、GAOs)的胞内聚合物与可降解有机物间转化过程及机理的研究已经日趋成熟[8-10],但在连续流脱氮工艺中该方面的研究相对较少.在连续流工艺中强化GAOs的内碳源反硝化脱氮既无需外碳源,也无需回流设施,可节省能源与设备投资,具有一定的实际工程意义.Chen等[11]的SBR厌氧-好氧-延长闲置反应器,以及Xu等[12]的新型后置反硝化工艺,均达到了较高的脱氮效率,但这些工艺的试验用水条件C/N均为10左右,而我国部分水厂生活污水C/N只有3左右,故如何在极低碳源条件下维持较高的总氮去除率仍是难点.Matt等[13]验证了PHA为PAOs的优先碳源,而可维持后置缺氧反应阶段反硝化的内碳源是GAOs的糖原.故通过一定方法驯化污泥储存糖原的能力,强化内碳源反硝化过程,作为处理低C/N生活污水提高TN去除率这一瓶颈的突破口具有一定可行性.本试验在前期稳定运行的UCT分段进水工艺基础上,通过在最后一段好氧区后增加一缺氧区,改进为后置缺氧UCT分段进水工艺.此工艺既不另外投加碳源,也不额外增加污泥回流设施,使污泥在添加的缺氧段内利用储存的内碳源维持生命活动[14],提高污泥在反应器前端的内碳源储存能力.试验以后置缺氧UCT分段进水工艺为试验组,原UCT分段进水工艺为空白组,2种工艺同时进行,对比考察出水污染物去除效果,和污泥沉降性能等变化,并通过内碳源反硝化小试检测污泥内碳源储存水平.1材料与方法1.1试验用水和接种污泥试验接种污泥取自北京某城市污水处理厂的剩余污泥,经驯化后系统脱氮除磷性能基本稳定;批次试验所用污泥取自UCT分段进水装置的排泥.试验用水采用北京工业大学教工住宅区某小区化粪池的生活污水,该污水属于典型的低C/N比生活污水,其水质如表1所示.表1试验用水水质Table1Characteristicsofinfluentwastewater项目NH4+-N(mg/L)NO2--N(mg/L)NO3--N(mg/L)PO43--P(mg/L)TN(mg/L)COD(mg/L)C/N范围58±180.13±0.10.20±1.05.60±2.1059±20181±663.10±1.501.2试验装置试验以原UCT分段进水工艺作为空白组,装置分为3段,第1段由厌氧、缺氧、好氧顺次组成,第2段和第3段均由缺氧、好氧顺序串联7期王慰等：后置缺氧UCT分段进水工艺处理低C/N城市污水1999组成;生活污水分别在第1段厌氧、第2段缺氧和第3段缺氧区进水,由第3段好氧区连接二沉池沉淀出水,二沉池底部污泥回流至第1段缺氧区,并从第1段缺氧区回流污泥至厌氧区;各段容积比为3:3:4:2:4:2:4.试验组为后置缺氧UCT分段进水工艺,其装置是将原UCT分段进水工艺主反应区的第1段缺氧区、第3段好氧区分别减小一个容积比,并在第3段好氧区后增加一缺氧区,由最后缺氧区连接二沉池沉淀出水,如图1所示;改进后的各段容积比为3:2:4:2:4:2:3:2.两组试验装置由有机玻璃制成,主反应区有效容积均为58L,二沉池容积44L.系统采用交流电磁式空气压缩机供气,由砂头微孔曝气,转子流量计控制气体流量;厌氧区与缺氧区均由搅拌器均匀搅拌;每一反应区域由带孔折流板隔开,孔部设连通管防止溶解氧返混,控制各厌氧区、缺氧区、后置缺氧区DO浓度在0.05mg/L以下;进水与污泥回流通过蠕动泵控制;反应器在室温下运行.两组试验装置运行参数相同,3段好氧区溶解氧分别为1.0,0.5,0.5mg/L左右,水力停留时间均为9h,污泥浓度维持在2500~3500mg/L,污泥停留时间为18d,进水流量分配比为4:3:3,污泥回流比100%,内回流比75%.污泥内碳源反硝化批次试验在2.5L抽滤瓶中进行,设磁力搅拌器充分搅拌,采用小型气泵曝气,通过气体流量计控制DO浓度,采用WTWMulti340i型便携式多功能pH值、DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO值,并根据好氧硝化的氨谷点和溶解氧峰值确定好氧硝化结束时间,防止过曝气带来的内碳源消耗.1211101099777744109876542.82.72.62.52.42.32.2322.11图1后置缺氧UCT分段进水工艺装置示意Fig.1SchematicdiagramofthePost-anoxicUCTstepfeedprocess1.进水箱;2.主反应器;2.1.第一段厌氧区;2.2.第一段缺氧区;2.