改善MSBR系统脱氮效果的试验研究

改善MSBR系统脱氮效果的试验研究摘要：MSBR工艺是连续流与序批操作相结合的新型生物脱氮除磷技术，由于它的后置反硝化设计，碳源不足制约了系统的脱氮效果。为改善这种状况，进行了将部分原水分流至缺氧区的试验。结果表明：引入原水后，缺氧区的反硝化速率常数提高了一倍，系统的反硝化速率和脱氮率相应提高。与此同时，分流造成了厌氧区的碳源不足，加之厌氧区的回流增加，引入了较多的硝酸盐，使磷的释放和过量吸收受到影响，除磷效果下降。另外，针对中间沉淀区暴露出的运行和设计问题提出了一些改进措施。关键词：MSBR；脱氮除磷；反硝化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-4602(2001)01-0009-06MSBR工艺是一种新型的脱氮除磷工艺，它将连续流与序批操作巧妙地结合起来，既能连续进、出水，又能根据水质波动调节系统的缺氧/好氧反应时间，从而高效稳定地运行。前期试验研究表明，当水温在15～30℃，有机负荷为0.23～0.30kgCOD/(kgMLSS·d)时，出水COD、氨氮和总磷浓度分别低于50、5和1mg/L。但是由于系统为后置反硝化，碳源不足影响了系统的脱氮率，一般仅为60%～77%。为了挖掘MSBR系统的脱氮潜力，将厌氧区的部分进水分流至缺氧区，考察了分流前后缺氧区反硝化速率常数的变化，初步探索了改善MSBR系统脱氮效果的工艺路线。1试验器材及方法1.1试验设备①MSBR反应器：钢板焊接制成，内外各涂两层防腐涂料。各功能区有效容积见表1。表1MSBR各区有效容积名称厌氧区主曝气区序批区(2个)缺氧区中间沉淀区有效容积(L)350860570×218070②高位水箱和二级水箱：有效容积分别为850、191L，高位水箱向MSBR反应器供水，二级水箱将原水以1∶2的比例分配到缺氧区和厌氧区。③自动控制柜：由PLC自动控制序批区的反应状态及时间，检修或更换设备时，可由自控切换到手动。④小型空气压缩机：供给好氧反应所需空气量及维持出水堰口空气罩内气压。⑤搅拌电机(ND型)：负责缺氧区、厌氧区和序批区缺氧反应的搅拌。⑥回流泵：两台潜水泵和一台清水泵分别将两个序批区的混合液回流及中间沉淀区的上清液回流。⑦进水泵：由同济新村排水泵站调节池向高位水箱抽水。⑧时间控制器：控制进水泵的启闭。⑨电磁阀(DF—15型)：控制序批区的曝气量以及空气罩的进气与排气。⑩空气罩：与空压机和电磁阀共同组成出水控制系统，由罩内气压控制序批区的出水状态。1.2工艺流程原水分流前后的MSBR流程图分别见图1、2。图1原水分流前MSBR流程图图2原水分流后MSBR流程图当序批区处于曝气或搅拌阶段时，原水分流前后的主要流程没有太大变化，只是个别流量略有变化。原水进入厌氧区后，与由中间沉淀区底部进入的回流污泥混合进入主曝气区。当SBR1处于好氧曝气或缺氧搅拌阶段时［如图1(a)、图2(a)所示，图中R1、R2分别为缺氧区和厌氧区的回流比］，主曝气区的一部分硝化混合液在序批区回流泵的推动下进入SBR1区进行反硝化或深度硝化，之后进入缺氧区，利用原水中的外碳源进一步反硝化。缺氧区出水经中间沉淀区的泥水分离，含硝酸盐的上清液被回流泵抽至主曝气区，浓缩污泥回流至厌氧区，同时另有与进水流量相当的主曝气区混合液进入SBR2，沉淀后的上清液经堰口流出系统。当SBR1进入预沉淀时，所有回流泵停止工作，原水经厌氧区、主曝气区后直接进入沉淀出水阶段的SBR2，进行泥水分离［图1(b)］。与原水不分流的工况不同的是，由于1/3的进水量分流至缺氧区，预沉淀阶段仍有1/3Q的混合液由缺氧区进入中间沉淀区沉淀，1/3Q的污泥回流至厌氧区［图2(b)］。1.3系统的周期运行情况试验中MSBR系统的两个序批区交替充当沉淀池，故而得以连续进水和出水。当一个序批区循序进行缺氧搅拌、好氧曝气和预沉淀三种操作时，另一个序批区一直处于沉淀出水状态。一个周期里各个序批区的反应状态及回流泵工作状态的设置如表2所示。表2序批区和回流泵工作状态的周期设置反应状态历时(min)504030504030SBR1缺氧搅拌好氧曝气预沉淀沉淀出水SBR2沉淀出水缺氧搅拌好氧曝气预沉淀A开启关闭关闭C开启关闭开启关闭B关闭开启关闭注A、B分别为SBR1和SBR2中的回流泵，C为由中间沉淀区抽取上清液至主曝气区的回流泵。在序批区沉淀出水的后期(即另一个序批区进入预沉淀后)，从序批区排放剩余污泥。1.4试验水质试验用水为合流污水，有机碳源量较低，平均COD∶TKN为4.87、COD∶TP为51.3，而且随季节性波动较大，尤其是持续降雨时，雨水的大量掺入使水中污染物浓度降低(见表3)。表3试验水质mg/L项目CODBOD5氨氮凯氏氮总磷平时200～400100～13020～5030～802～7.5持续降雨时＜100＜50＜15＜15＜1.51.5工况介绍以原水分流前的工况B作为对比工况，两工况除进水流量不同，其他操作条件相近。由于工况A的进水有机物浓度较低，系统污泥量有所下降。两工况的操作条件见表4。表4两种工况的操作条件比较项目工况A工况B运行时间7月2日～8月22日5月2日～7月1日水温(℃)22.8～30(25.4)20.4～29.3(23.9)平均流量(L/h)总流量325375厌氧区流量220—缺氧区流量105—泥龄(d)20～25溶解氧(mg/L)厌氧区＜0.1缺氧区＜0.3主曝区1.0～1.5序批区0.3～0.5反应区平均污泥浓度(mg/L)24693101缺氧区混合液回流比1.771.60厌氧区污泥回流比1.070.81注①括号内的数据是平均值。②平均污泥浓度是相对于反应区而言的，反应区包括厌氧区、缺氧区、主曝区和序批区。③泥龄指系统总泥龄。1.6测试方法系统的各项水质指标及测定方法见表5。表5测试指标及方法水质指标测试方法CODcr重铬酸钾快速法TP过硫酸钾消解，钼锑抗分光光度法NO-2-N预处理后，盐酸-α-萘胺光度法NO-3-N预处理后，紫外分光光度法凯氏氮浓硫酸消解，蒸馏滴定法总氮NO2--N+NO3--N+凯氏氮2试验结果及分析2.1脱氮效果分析两种工况的脱氮效果比较见表6。表6两种工况的脱氮效果比较项目工况A工况B统平均停留时间(h)8.006.93缺氧区实际停留时间(h)0.260.30进水总氮(mg/L)平均值55.936.2标准偏差16.115.1出水总氮(mg/L)平均值14.313.3标准偏差2.44.1去除率(%)平均值73.259.9标准偏差5.714.1注缺氧区实际停留时间是计入回流量和原水分流量后的停留时间。由表6可看出，工况A的脱氮率与工况B相比有了显著提高，然而工况A的系统停留时间较长，对于后置反硝化系统而言，尚不能肯定脱氮效果的改善应归功于原水的分流还是停留时间的延长。好在对于同一系统而言，反硝化速率常数只受碳源形式、水温和pH等环境因素的影响，并不受停留时间的影响，因此可以通过比较分流前后缺氧区反硝化速率常数的变化，来确定分流对系统脱氮率的贡献。反硝化速率常数的计算公式推导如下：Barnard提出，反硝化反应速率与NO-x-N和有机物的浓度呈零级反应，即(dNOx--N/dt)N＝Kd·X(1)式中(dNOx--N/dt)N——反硝化反应速率，mg/(L·h)X——反硝化细菌浓度，mg/LKd——反硝化速率常数根据缺氧区物料平衡，可得出下式：V·(dN/dt)＝Qin·Nin-Qeff·Neff-(dNOx--N/dt)N·V(2)代入式(1)，得：V·(dN/dt)＝Qin·Nin-Qeff·Neff-Kd·X(t)·V(3)式中(dN/dt)——单位时间内反应区硝态氮浓度，mgNOx--N/(L·h)Qin——进水流量，L/hNin——进水中硝酸盐浓度，mg/LQeff——出水流量，L/hNeff——出水中硝酸盐浓度，mg/LV——反硝化反应器的容积，LX(t)——t时刻的活性污泥浓度，mgVSS/L由于MSBR系统中序批区的周期性交替操作，引起系统内污泥的周期性迁移，即使在稳定运行期间，其反应状态也是非恒定的，呈现一定的周期性变化，故在缺氧区中dN/dt≠0。另外，假定缺氧区的流态为完全混合式，由式(3)可得出缺氧区硝态氮浓度变化的微分方程。工况A中：序批区反应阶段(缺氧搅拌或好氧曝气0～90min)：dN/dt＝(1.77Q·NSBR+0.324Q·Nin-2.09Q·NANO)/VANO-Kd·X(t)(4)序批区预定沉淀阶段(90～120min)：dN/dt＝0.324Q·(Nin-NANO)/VANO-Kd·X(t)(5)工况B中：在序批区反应阶段(缺氧搅拌或好氧曝气0～90min)：dN/dt＝1.6Q·(NSBR-NANO)/VANO-Kd·X(t)(6)序批区预沉淀阶段(90～120min)：dN/dt＝-Kd·X(t)(7)式中Q——进水流量，工况A为375L/h，工况B为324.7L/hNSBR——序批区的硝态氮浓度，mg/LNANO——缺氧区的硝态氮浓度，mg/LVANO——缺氧区的容积，180L若以某时段ΔT内硝态氮浓度平均变化率ΔN/ΔT代替式(4)～(7)中的dN/dt，以ΔT内NSBR、NANO和X(t)的平均值代替t时刻的NSBR、NANO和X(t)，根据工况A、B中各区上清液的硝态氮浓度可近似求出缺氧区Kd的周期变化及其平均值(见表7)。表7缺氧区反硝化速率常数Kd的近似求解工况A时刻(min)NO-X-N(mg/L)X(t)(mg/L)Kd×103［mgNOX--N/(mgVSS·h)］进水序批区缺氧区t=100.3310.45.321083—t=409.906.0912308.22t=6510.66.0512078.28t=9010.56.2211428.77t=105—3.8710327.59平均值———8.22工况B时刻(min)NOX--N(mg/L)X(t)(mg/L)Kd×103［mgNO-X-N/(mgVSS·h)］进水序批区缺氧区t=101.169.998.472574—t=4012.28.0829743.75t=6513.48.9230134.20t=9014.49.4224575.33t=105—8.8824080.888平均值———3.54Kd的周期性变化也反映出原水分流的影响。比较两个工况在回流停止前后Kd的变化可以发现，回流停止后(对应序批区预沉淀阶段)，工况B的Kd下降了近一个数量级，而工况A的Kd只是略有下降。这是因为在工况B中的回流不仅源源不断地补充污泥，而且还提供了反硝化所需的内碳源。回流停止意味着只能以缺氧区内污泥的内碳源进行反硝化，因而Kd迅速下降。然而对于工况A而言，缺氧区始终能够得到原水中的有机基质，反硝化主要依靠外碳源而不是回流提供的内碳源，因此Kd较稳定。回流停止后，缺氧区污泥浓度因进水稀释而不断下降，影响了大分子有机物的水解速率和反硝化的速率，导致工况A的Kd略有下降。通过上述分析可见，原水分流可以显著提高缺氧区的反硝化速率常数Kd，从而提高反硝化速率和系统的脱氮率。2.2除磷效果分析原水分流前后的除磷效果比较见表8，厌氧释磷和好氧摄磷情况比较见表9。表8原水分流前后除磷效果比较项目工况A工况B进水总磷(mg/L)平均值4.983.99标准偏差1.301.55出水总磷(mg/L)平均值1.230.81标准偏差0.850.71去除率(%)平均值70.975.9标准偏差23.523.8进水平均碳磷比46.151.6污泥含磷量(mg/mg)0.0250.029表9原水分流前后厌氧释磷和好氧摄磷情况比较项目工况A工况B总磷(mg/L)进水5.786.23厌氧区15.639.20主曝区0.402.70缺氧区0.444.08出水0.542.70厌氧区污泥浓度(mg/L)12792169主曝区污泥浓度(mg/L)17743318磷的释放速率(gP/(gMLSS·d))0.130.26磷的吸收速率(gP/(gMLSS·d))0.0650.087由于进水中碳磷的比值低于一般生物除磷操作中COD