ABR生物接触氧化工艺处理低碳氮比污水的碳源调配黄继国

第42卷第11期中南大学学报(自然科学版)Vol.42No.112011年11月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Nov.2011ABR−生物接触氧化工艺处理低碳氮比污水的碳源调配黄继国1，高文翰1，夏婷婷1，丛喜彬1，苏君1,2(1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林长春，130021；2.中国市政工程东北设计研究院，吉林长春，130021)摘要：低碳氮比生活污水由于碳源不足，采用传统A/O工艺处理难以出水达标。采用改进的ABR−生物接触氧化工艺对低碳氮比污水进行实验，通过优化运行参数，合理调配碳源，提高碳源利用率，确定了不同m(COD)/m(N)条件下该工艺对污水的处理效果。研究结果表明：改进的ABR−生物接触氧化工艺能有效提高碳源利用率和脱氮效率；在水力停留时间为10h，混合液回流比为2.5，温度为30℃时，系统碳源利用率和TN去除率达到最高；在不同m(COD)/m(N)条件下，TN去除率随着m(COD)/m(N)的减小而迅速降低。当进水m(COD)/m(N)为2~4时，TN去除率低于60%，处理效果不理想；当进水m(COD)/m(N)约为5时，TN去除率达到71.3%，出水TN质量浓度小于20mg/L，满足排放标准要求；当m(COD)/m(N)为6~7时，TN去除率大于80%，出水TN质量浓度小于15mg/L。关键词：碳源；厌氧折流板反应器；生物接触氧化；低碳氮比中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1672−7207(2011)11−3585−06OptimizationofcarbonsourcesonABR&biocontactoxidationprocessforlowratioofCtoNdomesticwastewaterHUANGJi-guo1,GAOWen-han1,XIATing-ting1,CONGXi-bin1,SUJun1,2(1.KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment，MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130021,China;2．ChinaNortheastMunicipalEngineeringandResearchInstitute,Changchun130021,China)Abstract:ItisdifficulttomeetthedischargerequirementsthatlowmassratioofCtoNdomesticwastewateristreatedintraditionalA/Oprocessbecauseoftheinadequacyofcarbonsource.ThepaperpresentstheexperimentalresearchontreatinglowratioofCtoNdomesticwastewaterusingadvancedABR&biocontactoxidationprocess,optimizingtheoperatingparameterstoreadjustcarbonsourceandimprovecarbonsourceutilization,anddeterminingthetreatmentefficiencyunderdifferentm(COD)/m(N)conditions.TheresultshowsthatadvancedABR&biocontactoxidationprocesscaneffectivelyimprovethecarbonefficiencyanddenitrificationrate.ThecarbonsourceutilizationanddenitrificationratereachthetopwhenHRTis10h,refluxratiois2.5andtemperatureis30℃;Underdifferentm(COD)/m(N)conditions,thedenitrificationratedecreasesrapidlyasm(COD)/m(N)ofinfluentreduce.Whenm(COD)/m(N)ofinfluentis2to4,theaveragedenitrificationrateislessthan60%;Whenm(COD)/m(N)ofinfluentisabout5,theaveragedenitrificationratereaches71.3%andtheTNoftheeffluentislessthan20mg/L,meetingthedischargerequirements.Whenthem(COD)/m(N)ofinfluentis6−7,theaveragedenitrificationratereacheshigherthan80%andtheTNoftheeffluentislessthan15mg/L.Keywords:carbonsource;anaerolicbaffledreactor(ABR);biocontactoxidation;lowratioofCtoN收稿日期：2010−11−29；修回日期：2011−03−18基金项目：国家自然科学基金资助项目(20777027)；吉林省科技厅支持项目(200805045)通信作者：黄继国(1967−)，男，湖北枣阳人，教授，从事环境工程水处理研究；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中南大学学报(自然科学版)第42卷3586近年来，城市生活污水呈现出低碳氮比的趋势[1]，所面临的主要问题是如何以最低的代价提高脱氮效率[2]。目前，我国城市污水处理厂普遍采用缺氧/好氧(A/O)脱氮工艺。尽管A/O工艺采取缺氧前置、回流等措施，对碳源调配起到一定的促进作用，在一定程度上提高了碳源利用率和脱氮效率，但在实际工程中脱氮效率仍普遍低于70%[3]，而且一旦进水m(COD)/m(N)过低，脱氮率将下降到50%以下，不能保证出水TN浓度达标。Carrera等[4]研究表明，生物脱氮受进水m(COD)/m(N)影响。在生物脱氮系统中，39%的有机物被氧化消耗，脱氮所需m(COD)/m(N)至少为7.1。李德豪等[5]对一体化A/O反应器研究表明：当m(COD)/m(N)为7.5左右时，具有较高的TN去除效果，TN去除率达到70%。当碳源不足时，可以通过投加碳源的方法提高脱氮效率[6−8]。王之晖等[9]对A/O工艺脱氮的研究表明：当进水m(COD)/m(N)为3.5~4.0，投加碳源量为221.58mg/L时，脱氮效果最佳，但是投加碳源势必增加运行费用[5]。针对传统A/O工艺脱氮效率低、碳源利用不充分的现状，试验将通过改进反应器结构和优化工艺运行参数来提高系统对碳源的利用率，以达到在不外加碳源的条件下取得最高脱氮效率的运行效果。在改进反应器的结构方面，试验将传统A/O工艺缺氧段改为厌氧折流板反应器(ABR)多隔室结构，并在好氧段设置软性填料，形成ABR−生物接触氧化新型工艺。相较于传统A/O工艺，改进后的工艺具有的独特分格式结构和推流式流态，促使每个隔室内驯化培养出与流至该隔室污水COD浓度相适应的微生物群落[10−12]，有效提高了对不同浓度下碳源的利用率，同时反应器好氧区软性填料的设置，增大了微生物与水中污染物的接触面积，有利于氧的转移，提高系统抗冲击负荷的能力[13]。在改进反应器结构的基础上，对反应器的运行参数进行优化，进一步提高系统碳源利用率。本文作者考察水力停留时间(HRT)、回流比(R)、温度(t)对系统碳源利用率的影响，探求系统利用碳源的最佳运行条件，并确定本工艺在不同m(COD)/m(N)条件下对TN的去除效果。1试验1.1试验材料试验用水采用人工模拟配制，保证了进水各项污染指标的稳定，同时配合试验的不同阶段调整碳源(葡萄糖)的投加量以实现不同进水m(COD)/m(N)。试验启动和运行参数优化阶段保持进水ρ(COD)≈300mg/L，ρ(TN)≈60mg/L。试验期间进水成分及配比见表1。表1试验用水配比Table1Qualityofexperimentalwater物质名称成分投加量/(mg·L−1)碳源葡萄糖225~309氮源NH4Cl188~268磷源K2HPO41缓冲剂NaHCO3800MgSO4·7H2O20.00CuSO4.5H2O0.05FeSO4·7H2O2.00CoCl2·2H2O0.12MnSO4·H2O3.00ZnSO4·7H2O0.10微量元素CaCl230.00试验所用活性污泥取自长春市西郊污水处理厂的A/O生物池，经20d驯化培养后投加到反应器各隔室正常运行。1.2试验装置本试验采用改进的ABR−生物接触氧化复合式反应器，试验装置如图1所示。反应器由玻璃制成，长为60cm，宽为15cm，高为35cm(其中保护高5cm)，有效容积为27L。反应器由竖向导流板分为五隔室，ABR缺氧区和好氧区部1—高位水箱；2—进水阀门；3—流量计；4—进水管；5—一级缺氧；6—二级缺氧；7—三级缺氧；8—一级接触氧化；9—二级接触氧化；10—填料；11—出水管；12—出水阀门；13—回流管阀门；14—回流泵；15—控温加热器；16—曝气机；17—曝气头；18—排气管图1试验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalfacility第11期黄继国，等：ABR−生物接触氧化工艺处理低碳氮比污水的碳源调配3587分所占容积比为3:2。ABR缺氧区隔室上设排气口，底部折流板起角为45°；好氧区隔室内悬挂软性填料，底部设曝气头，由小型曝气机进行曝气。整个反应器放置在恒温水浴槽内，采用温控加热棒控制水浴温度。原水由30L高位水箱进入ABR缺氧区，依次通过3个隔室后进入到好氧区，好氧区部分出水再经回流泵返回到ABR缺氧区，形成回流。进水和回流软管分别设阀门和流量计以控制HRT和回流比R。1.3试验方法试验装置的启动采用连续进水的方式，根据污泥生长状况和污水处理效果，分阶段降低HRT，提高反应器进水COD容积负荷。启动阶段试验用水中的m(COD)/m(N)为5，启动温度t=25℃，混合液回流比R=2。整个过程共历时30d。在反应系统稳定运行后，保持进水水质不变，依次改变反应器运行的水力停留时间HRT、回流比R和温度t，考察在不同运行条件下反应器进出水COD和TN浓度，确定反应器利用碳源的最佳运行条件。最后，在最佳条件下，调整进水COD质量浓度，确定本工艺对不同m(COD)/m(N)条件下污水的处理效果。2结果与分析2.1影响碳源调配运行参数优化为确定不同运行条件下反应器对污水的处理效果和碳源利用情况，采用的考察指标为COD和TN去除率，以及Δρ(TN)/Δρ(COD)。COD去除率(COD)η和TN去除率(TN)η计算式如下：%100)COD()COD()COD((COD)inoutin×−=ρρρη%100)TN()TN()TN((TN)inoutin×−=ρρρη式中：)COD(inρ为进水COD质量浓度，mg/L；)COD(outρ为出水COD质量浓度，mg/L；)TN(inρ为进水TN质量浓度，mg/L；)TN(outρ为出水TN质量浓度，mg/L。碳源利用率以消耗单位质量COD所去除的TN量即)COD(/)TN(ρρΔΔ来表征，)COD(/)TN(ρρΔΔ越高，表明碳源利用越充分，计算式如下：)COD()COD()TN()TN()COD(/)TN(outinoutinρρρρρρ−−=ΔΔ式中：)TN(ρΔ为进出水TN质量浓度变化，mg/L；)COD(ρΔ为进出水COD质量浓度变化，mg/L。2.1.1HRT对碳源调配的影响在反应器温度t为25℃，回流比R