SBR法降解有机物规律的研究彭永臻

第l卷第2期1993年4月环境科学进展ADVANCESpNEN、可RONMENTALSCIENCEVbl.1,No.2AP斑,1993SBR法降解有机物规律的研究*彭永臻张自杰董方华王淑莹(哈尔滨建筑工程学院市政与环境工程系)摘要本研究是以处理啤酒废水的试脸为基础展开的。试验结果进一步验证了SBR法具有简易,快速、低耗等优点。除此之外,还得出以下结论:增加间歇反应时起始污泥浓度可以提高处理效率或减少反应时间;非限制曝气方式耐冲击负荷,需氧均匀,能缩短反应周期;间歇反应中徽生物细胞的合成代谢占主导地位,对氮与磷的需要!大于传统的理论值。本文还指出SBR法是很适合我国国情的一种废水处理工艺,应当加强对它的研究和推广应用.关镇词:间歇反应器曝气〔力DSBR法一、概述据统计,我国每年要排放360多亿吨废水,而经过处理净化的仅占.29%,致使82%的河流受到不同程度的污染。显然建立区域性的大型城市污水处理厂也是我国水污染控制的必由之路.但是,就我国国情而言,近期内即使仅仅在各大城市建立这样的污水处理厂在资金上也是非常困难的。因此,研究开发一种流程简单、快速、低耗的废水处理工艺是我们当前的一项很紧迫的任务。从目前的污水好氧生物处理的研究、应用及发展趋势来看,能称得上简易、快速且低耗的污水处理工艺,应当首推间歇式活性污泥法,又称序列间歇式活性污泥法(S叹~dgnBathcROotCrActiva咖sludgePor邸,缩写为SBR法,或简称间歇法)。顾名思义,它是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥法污水处理系统(曝气池停止曝气时兼作二次沉淀池使用)。简单地说,它具有以下优点:1.工艺流程简单,不设二次沉池,一般情况也不设调整节池,可节省相应的基建费;2.不需回流污泥,省去了回流污泥的设备费与动行费;3.间歇曝气过程对于时间来说是一种理想的推流式反应,其反应推动力大,比有机物降解速率大、效率高,因此,可以减少曝气池有效容积与曝气时间,降低基建费与运行费;4间歇曝气具有抑制丝状菌生长繁殖的优点是被公认的,它与其它活性污泥法相比最不易发生污泥膨胀,而且其污泥指数Svi较低,有利于活性污泥的沉淀和浓缩;5.SBR法(或称间歇法)运行过程本身就是一个好氧一厌氧的交替过程,能够产生在单一的曝气池内实现脱氮脱磷。此外,SBR法更适于不连续排放的工业废水与小城镇的污水处理,通过灵活调节运行周期和时间,来节省运行费。SBR法的最大缺点是运行管理比较繁琐,但是在污水处理厂自动控制与监测,特别是电子计算机的应用不断发展的今天,这一缺点已不能制约SBR法的进一步开发与应*国家自然科学基金资助项目胡彭永臻等:SBR法降解有机物规律的研究I卷用了。80年代初以来,美国、日本、西欧、澳大利亚等国相继进行了广泛研究,并改建与新建了许多SBR法污水处理厂l[一3J。1984一1985年,美国环保局与日本下水道理事会分别通过了对间歇式活性污泥法的技术评价报告书,充分肯定其特有的优点。国内对SBR法的研究与应用,虽然可以说已经开始起步了“司,但并没引起足够的重视.我们认为,针对我国的情况,应当大大加强这方面的研究与开发。啤酒工业废水的水量较大,有机物浓度高,是一项不可忽视的污染源,但它又属易降解的有机废水,应当是首先治理的对象.根据近年来我国啤酒工业发展快,厂家数量多分布广等特点,采用间歇式活性污泥法是适宜的.为此,我们通过SBR法降解啤酒废水来对该工艺的特点和性能进行深人研究.二、试验设备与方法由于SBR法工艺流程简单,不需二沉池与回流污泥设备等,其小型试验流程及设备也很简单.本试验采用有机玻璃制成的圃柱型的间歇反应器来作为曝气池兼作二沉池,容积为1431,高为1.Om,直径为o.135m.在其底部安装圆盘式空气扩散板,压缩空气经过保持恒压的贮气罐通过扩散板曝气,起到充氧与混合搅拌作用。反应器的一侧沿纵向设置了10个排放取样口,以供取样分析,排水与排泥用。为了使试验在同一环境条件下进行,用温度控制仪来控制反应器内恒温为20℃,曝气运行时反应器内的溶解氧浓度始终维持Zmg八左右(脱氮试验除外).其它附属设备有配水箱、初沉池、水泵、空压机、贮气峨、温控仪、DO仪等.在间歇反应器曝气运行时,逐时测定Coocr、BoDS(以下分别简写成COD和BO)D,有机氮。飞一N、氨氮NH犷一N(含NH,一N),硝酸及亚硝酸盐氮NO:一N,总磷tP与MSLS与MLVSS等指标的变化情况,以考察间歇法的净化功能及各种生化反应特性。经大t的测定分析发现,随着间歇曝气时间的增加,BODc/OD的值逐渐减少,但它们之间总有一定的规律。加上在短时间内必须不断取样分析,因此,以测定COD浓度作为有机物浓度为主,况且COD本身也是一项重要的污染指标。MLvSS/MLSS的值一直比较稳定,大约为.091左右,以测定MLSS作为污泥浓度.本试验按限制曝气与非限制曝气两种运行方式来进行.首先按限制曝气方式运行,即间歇反应器进水过程中不曝气;而在停止进水并充满有效容积后才开始曝气,一直到反应器液相中有机物浓度达到出水水质要示为止;停止曝气后反应器作为二次沉淀池进行泥水分离和污泥浓缩;然后排出上清液(即处理出水);最后排放剩余污泥,完成了SBR法的一个典型运行周期(之后再进水).简单地说,每个运行周期是由五个操作阶段一进水、反应(也称间歇反应或间歇曝气)、沉淀、排水、排泥(待进水)一组成。研究表明,限制曝气方式运行时最不易发生污泥膨胀。限制曝气在进水时不曝气,而反应器内不发生好氧生化反应。非限制曝气与限制曝气法的区别仅仅在于开始进水时就立即曝气。本试验每个运行周期为h8,其中进水阶段为Zh,进水流量为61小,反应为4h,沉淀、排水与排泥共需Zh。2期彭永臻等:SBR法降解有机物规律的研究三、结果与分析1.限制曝气试验研究在试验过程中,培养适宜于降解啤酒废水的活性污泥大约用了一个月时间.在此期间随着不断地驯化与污泥的“成熟”,处理效率与污泥增长速度也逐渐提高。一个月后活性污泥也完全成熟,各项指标都很稳定。图1和图2所表示的是正常试验运行时,COD与M比S浓度随时间的典型变化情况。如前所述,限制曝气在进水充满反应器有效容积后才开始曝气,以此作为时间的零点开始取样分析。为了使不同负荷下的试验更有可比性,我们将啤酒废水中投加一些啤酒,使其有机物浓度都增加至ZO00gnr八左右,这样也增加了反应时间,更易于观察间歇反应时各指标的变化与污泥增长规律。COD轰众〕(哩乃)l仗幻12的刃)创力0.COD.MLSS户引八U八U、卫八以n别印哟泌0080Ml巧S(爬八030印叨1201匆1的210240时间(分)图]COD与MSLS随时间变化情况从图2中可以看到,在起始CoD浓度为2000gm八左右,经h2左右的曝气,反应器中的COD浓度便可降到150mg八,3h以后COD又降至100吨八以下(相应的BOD在20mg乃以下)。污泥浓度也从Z19Omg八增至2860mg八左右。有机物比降解速率与污泥比增长速率都很大,下面定量地计算这两个速率的数值。根据其定义有:二Q(so一助=oS一又F万又t(l).,_△X尸一-二六二了一二VXV浅一戈夕_戈一戈1仗t反t式中q一有机物(以COD表示)比降解速率(kgCOD腌MsLS·d)解有机物的速度,其数值反映了处理效率;V一反应器有效容积l();(2),它表示单位微生物降Q一进水流量(l爪),对于SBR法来说,进水的量等于反应器有效容积(扣除原有污泥所占容积),进水时间应按水力停留时间t计算;卜水力停留时间(d),它应等于进水与曝气两个阶段时间之和,在本研究中,t按一个运行周期所需要的时间计算,其中包括沉淀、排放出水和排放剩余污泥所需要的时间,共为sh,即:=sh二l/3d;s。,凡一分别表示曝气开始和停止时反应器液相中的coD浓度(mg肋,图2中所示的S。和S。分别为1950和86mg八;肠彭永臻等:SBR法降解有机物规律的研究1卷戈,弋一分别表示曝气开始和停止时反应器中混合液活性污泥浓度(mg肋,图2中的X`,戈分别为2190和2860mg,1;万一曝气运行阶段反应器中活性污泥平均浓度(mg月),有无二戊+凡夕/2二2525mg爪井一比污泥增长速率(1d/),它的大小表示单位污泥量的增长速率,它反映了微生物的增长速度的大小.么X一单位时间内的污泥增长量(gkMLSS,d/);本试验中有:△X=FfXZ一X,妙;将上述试脸数据代人式(l)和式(2),可得:q二(S。一凡声·r二I(1950一86)]/2525]·3二2.23(kgCOD瓜gMLSs·d),尸=X(z一X,声·t二[2860一2190/2525]·3=0.80(l,u)。这样本试验中的有机物比降解速率q和比污泥增长速率拜分别为.223和.080,比普通活性污泥法高一倍以上.如果计算非稳定状态下的污泥龄c0门,则有c0二l/。二1.26日,也说明在污泥龄仅为l.26d时就能使污水的COD降至90ngr八以下,是高效率的。如果按有机物的单位容积降解速率q。计算,则有:Q`二Q(S。一又少V=q·=--x5.62你gCODz`一n,·d)(3)以)D绷朋朋,m只气n飞{)I8oo咖。可见其q:也比普通活性污泥法高一倍以上。从式(3)还可以看到,提高反应器内的污泥浓度万可以增大单位容积的降解速率小.本试验也表明:污泥浓度在4000mg八以下时,提高污泥浓度虽然不能增大有机物比降解速率q,但能缩短反应时间(使反应器液相中COD浓度降至排放标准所需要的时间),提高单位容积的降解速率,这可以从图l和图2所表示的试验中看出.这个试验结果给我们一个启示:增加反应器内的污泥浓度能提高反应器的处理效率,减少反应器的有效容积,节省基建费用;而SBR法的优点之一是污泥不需要回流且污泥沉降性能好,因此,很容易维持较高的污泥浓度,而不受回流污泥浓缩程度及回流比的制约.MLSS(n落勺30002别刃印!加,即2叨时间(分)啊叫器。图2COD与MISS随时间变化情况此外,用公式(、)一(3)计算叼、”、q`时,式中的水力停留时间t按一个运行周期(包括进水、反应、沉淀、排水与排泥等)所需要的时间计算。这就相当于,在节省了二次沉淀池与回流污泥设备的情况下,得到如此高的有机物比降速率q和单位容积降解速率叼:。山此对SBR法简易、快速、低耗等特点可略见一斑。啤酒废水本身缺少氮和磷元素,为了进一步研究间歇反应时氮磷的转化规律,在原废水中加人了过量的N与P,并增加lh的反应时间。在曝气反应开始时,液相中BOD、org一N、NH;一N与pt的浓度分别为1319、97、16与21.smg,1,硝酸盐和亚硝酸盐氮2期彭永臻等:SBR法降解有机物规律的研究67(NO一N)设验出。上述指标随反应时间的转化情况如图3所示。可见BOD、org一N和NH了一N的浓度都在急剧减少,而NO犷一N仍没检出。这说明在整个间歇反应过程中没有发生硝化作用,N、P的减少均为合成微生物细胞所利用。由于污泥龄c0还不到Zd,硝化细菌世代时间长很难繁殖,所以不发生硝化反应也是合情合理的。从图3可以看到,在反应初ǎ蕊任à00口期有机氮和BOD急剧地减少,总磷浓度也不断降低,h2以后变化速度明显减缓。而氨氮浓度是先增高后降低直至痕量,在反应70imn时其浓度最高。上述现象可以解释为:由于所有的氮、磷的减少都被细胞合成所利用,随着BOD的减少,被降解的有机氮大部分氨化成氨氮,一小部分直接被微生物利用,随着BOD降解速率减缓,它的变化也减缓。而氨氮的变化实际上是一个动态过程,反应初期有机氮氨化生成的氨氮的速率大于细胞合成时消耗15001350120Q10509007506004503001500ǎ哎智à左t之306090120150180210240270300时间(分)图3BOD,NH才一从0一N,R随曝气时间的变化氨氮的速率,使氨氮浓度增高;在反应后期有机氨转化氨氮的速度减缓,氨氮浓度也迅速降低。总磷的浓度与BOD浓度的变化基本呈正相关。经过sh的反应,Boo、总氮(N:)和总磷的浓度分别降至13、