低能耗城市污水处理工艺研究

低能耗城市污水处理工艺研究王凯军；刘玫；郑元景(北京市环境保护科学研究所)摘要：本研究基于近年来厌氧处理在低浓度污水处理领域进展而进行的。在常温下采用水解——好氧生物处理工艺，工艺具有下列特点:(1)在同样的水力停留时间(2～3h)下，采用水解池取代传统初次沉淀池；(2)利用水解、产酸菌，将悬浮性有机物转变为溶解性有机物，将复杂大分子物质，转变为小分子物质，并使水解出水更适合于后继的好氧处理；(3)在反应过程中将36～65%的去除悬浮性固体物水解，这样使得污水和污泥同时得到处理。因此可以从传统工艺中取消消化池。实验结果证实了水解——好氧生物处理工艺处理城市污水的可行性。在相同的去除效果下，与传统活性污泥工艺相比，在基建投资、能耗和运转费用上可分别节约40%、70%和50%。一、试验水质在国内外研究的基础上采用厌氧——好氧串联工艺对北京高碑店系统城市污水进行小试研究。高碑店污水系统接纳北京东郊工业区和相当面积的城区工业废水和生活污水。其中生活污水占总污水量的48%，其余为工业废水。污水水质成分复杂、水质不稳定，BOD5/COD为0.3～0.4，属于不易降解的城市污水。二、试验设备与结果1.工艺流程与起动试验采用设备见图1，其中厌氧反应器采用改进的上流式厌氧污泥床反应器，直径12×35cm的有机玻璃柱，有效容积37.3L。污水从曝气沉砂池用泵打至高位水箱，脉冲进入厌氧反应器，厌氧出水进入曝气池。曝气池采用两套平行运转，图中给出的是2#曝气池，有效容积为22L。本流程从整个系统经济效益考虑，从传统的工艺流程中取消了初沉池系统，而在厌氧反应中放弃了反应时间长、控制条件要求高的甲烷发酵阶段。利用水解、产酸菌能够迅速分解有机物的特性，采用动力学控制措施〔1〕，利用产甲烷菌与水解、产酸菌生长速度不同控制系统的水力停留时间，使反应器处于水解、产酸阶段。接种污泥取自高碑店消化池，一接种即满负荷运行，经一个星期运行后反应器中泥水界面分明，不到15天COD去除率可达到40%，表明污泥培养阶段已完成。2.试验结果表1是厌氧停留时间1.5～3.5h(平均2.5h)，好氧停留时间1.3～4.3h(平均停留时间2.5h)厌氧～好氧串联工艺运行120d结果的平均值。可见厌氧～好氧工艺BOD5、COD、SS去除率与传统二级生物处理工艺水平相当，处理后出水可中国城镇水网达到排放标准。而厌氧部分COD去除率在40～60%之间，并且出水COD大部分高于150mg/L，(见图2)。这说明好氧处理作为后处理工艺是必需的，但从表2结果看，厌氧反应器对污染物的去除显著高于初沉池。由于本工艺的特点是采用厌氧反应器取代了传统的初沉池，因此讨论的重点放在厌氧部分。3.厌氧反应器运行结果分析。(1)去除率与停留时间、进水浓度关系可见在水解、产酸阶段，厌氧停留时间在2.5h以上，COD、BOD5，SS去除率已趋于饱和。即使再增加停留时间，对去除率的提高也是有限的。在现场条件下，水质变化对厌氧去除有很大影响，图4为进水浓度与去除率的关系。从图可见进水浓度越高去除率越高，说明厌氧反应器长期运行在低浓度条件下具有很大潜力，有一定的缓冲能力，这对于保证曝气池的稳定运行具有重大意义。(2)水质因素的影响进一步的水质特性分析见图5与表3，从数据可知进水中可沉性COD占总COD的45.8%，经厌氧处理后可沉悬浮性COD基本去除。介于1.2μ和可沉性COD之间较大颗粒有机物也去除了58%。由此可见厌氧反应器对悬浮性的去除能力很强，去除的悬浮物在水解菌的作用下将不溶性有机物水解为溶解性物质。在产酸菌的进一步作用下，将大分子化合物降解为小分子化合物。通过对污泥产率的计量表明在16～26℃条件中国城镇水网下，去除的悬浮物有36～65%发生水解。图6为典型胶体性基质淀粉静态降解试验结果，结果表明在本实验所培养的厌氧污泥中，水解、产酸菌对胶体的降解是迅速的，而对淀粉降解产物的去除则不大，溶解性COD基本保持恒定。这也证实酸性阶段的动力学控制措施是有效的。结合动态试验分析结果，出水中COD中有50%以上为挥发酸，这说明出水溶解性COD已不是原来的物质。中国城镇水网(3)温度的影响整个试验期间水温12～31℃，即使在12℃条件下(相当于高碑店污水处理厂冬季最低水温)厌氧反应器仍可稳定运转。在12℃厌氧停留时间2h，BOD5、COD去除率仍可达到40%，这是由于上流式厌氧反应器保持了大量厌氧微生物，即使在低温条件下也能有较高的去除率。这与Lettinga等人的报道是相符的〔2〕。但是值得注意的是在低温下污泥水解率将有很大变化，水解率从26℃的65%降到16℃的36%。也就是说部分悬浮物只被截留而并没有被水解，日本稻森悠平等人〔3〕也有类似报道。(4)有机污染物降解途径图7给出了以COD为例各类有机物迁移、转化途径的图示。首先厌氧反应器中的大量微生物将进水中颗粒均质和胶体物质迅速截留和吸附，这是一个物理过程的快速反应。截留下来的物质在大量水解细菌作用下将不容性有机物水解为溶解性物质，同时在产酸菌的协同作用下将大分子物质转化为小分子物质，重新释放到液体中，在较高的水力负荷下随出水流出系统。其结果表现为去除悬浮物有36～65%被水解，水中挥发酸由进水50mg/L上升到出水的120mg/L。由于水解和产酸菌世代期较短，往往以min和h计，因此这一降解过程也是迅速的。在这一过程中溶解性COD的去除率虽然从表观上讲只有13%，但是由于颗粒性COD的水解增加了系统中溶解性COD的浓度。因此溶解性COD去除率远大于13%，去除的这一部分COD以CH4和CO2形式溶解于水中随水流失。中国城镇水网三、高效率低能耗机理由于本试验从系统论观点出发，着眼于整个系统的处理效率和经济效益，并不追求单项处理单元的处理效益。在厌氧反应中放弃了甲烷发酵阶段，利用水解和产酸阶段使得污水、污泥一次处理，缩短了反应时间，降低了基建投资。在厌氧反应过程中有机物的数量、理化性质有很大改变，使得厌氧出水更适宜好氧生物处理，表4是原污水与厌氧出水各种参数对比表。从表4数据分析，经厌氧处理后有机物在数量上的变化是明显的，而理化性质的变化集中表现在污水可生化性的提高。BOD5/COD值0.37经厌氧处理后提高到0.48，BOD5/BOD20从0.56提高到0.79。可生化性的提高表明，大量被微生物降解缓慢甚至难于降解的物质，经厌氧处理后可转变为易于被微生物降解的物质，不可生物降解物质大为减少，从而导致最终处理出水要优于传统工艺的出水。从动力学参数来看，厌氧出水耗氧速率大大加快，有机物耗尽的时间也大大提前，这意味着同样采用好氧处理，对于厌氧出水可以大大缩短反应时间。从表中数据看，与好氧停留时间相比，相差3.2倍，即采用本工艺，曝气池停留时间可大大减少。其次从曝气量来讲，如以进水COD浓度为基准相差一倍，而从氧的利用率来讲两者也相差近一倍，从而我们可以得出如下结论:采用厌氧——好氧工艺处理城市污水，使得曝气池的容积和用气量大为减少，从而导致了基建投资和电耗的节约，为高效率、低能耗、低成本处理城市污水提供了可能。四、系统稳定性分析对于一个大型的污水处理设施来讲，水量、水质、水温等各方面都不可能是稳定的。当有处部扰动时，定态是否能够自动保持呢？下面从动力学角度对于定态点的性质进行讨论。1.系统静态特性分析UASB反应器具有两个基本的功能以保证其对污水的处理。其一是沉淀功能，另一是反应功能。沉淀功能是保证厌氧反应器中保持大量厌氧污泥以维持系统正常工作的基本条件。沉淀功能完成的必要条件是颗粒中国城镇水网的、沉淀(Vr)必须大于水流的上升流速(V0)，即有下式成立Vr≥V0=Q/A(1)式中:A——反应器断面面积；Q——进水流量。经过静沉实验得到厌氧污泥颗粒的沉降方程如下Vr=14.648X-0.745(2)将(1)、(2)式整理，可得到污泥浓度X与停留时间t的关系式如下:(见图8曲线2)上式意味着系统中的污泥浓度必须满足一定的关系落在图8的阴影部分，如污泥浓度大于上式给出的关系，则污泥的沉速必小于水的上升流速，被水冲出系统。因此，(3)式是设计与运行管理中的一个重要关系。在假设系统是完全混合，基质降解遵循一级反应的条件下，通过物料衡算可得如下基本方程:式中:S0，Se——进水溶解性基质浓度；X0，Xe——进出水悬浮物浓度；X——微生物浓度；θc——污泥龄；μ——微生物比生长速率；K，d，β，Kd——反应常数，而β为悬浮物的水解率。通过连续2个月观测数据，采用最小二乘法估计参数方法得到(4)、(5)两式的参数，并将稳态条件下的初始中国城镇水网条件代入，可得如下结果:通过(6)、(7)两式，我们可以得如下初步结论:1)在稳态条件下当θc一定时(本例为θc=25d)，水解、产酸阶段的出水溶解性COD浓度保持一个恒定数值，与停留时间无关，即过程不受反应速度控制；2)在稳态条件下，微生物浓度与水力停留时间成反比，见图8曲线1。因此，从理论上讲只要微生物浓度足够，则尽可能的缩短反应时间，这在工程上有重大的意义。但是系统中微生物量的保持与污泥沉速有关，它不受到水的上升流速的制约。综合考虑系统的反应功能和沉淀功能，才能最终合理地确定系统的运行状态。如前所述，从沉淀性能考虑运行状态应落在阴影部分才能维持系统中恒定的生物量，而从反应功能讲，系统的稳定运行状态是如图8曲线1所示的一族曲线。综合两方面的结果，运行状态点应落在阴影部分的半条曲线上，则都可满足要求。但是在工程中不但要考虑到反应的稳定性，而且还要考虑到系统的经济性，从经济上考虑停留时间越短越好，这要求运行点引曲线1上移。图中A.B.C为不同泥龄下的临界运行点，因此从运行角度考虑，运行状态应稍许偏离曲线2较为稳妥。2.系统动态特性分析以上的讨论是在系统稳态条件的假设下进行的，系统的稳态点是否稳定这一问题在工程上有十分重要的意义。对于一个实际系统，仅仅了解其静态特性是远远不够的，为了更合理、可靠的应用，有必要对系统的动态特性进行研究。利用微分方程稳定性理论、根据李雅普洛夫定理，可以断定由微分方程(4)、(5)给出的系统是渐近稳定的〔4〕，系统具有高度稳定性。相平面分析见图9，从图可见系统的稳定点类似一个焦点，所有轨线都收敛于系统的稳定点。这表明由于外部扰动造成稳定状态的转移，当扰动消除后，系统将重新回到原来的稳定状态，即系统具有一定的阻尼性，这对于系统的运行管理是十分有利的。五.系统最优工艺参数与流程系统最优工艺参数在本实验中采用厌氧——好氧串联系统是一较为复杂的工程系统，工艺本身具有众多的水质参数和工艺参数，工艺参数的确定不仅与技术指标有关而且与经济因素密切相关，这使得工艺决策过程变得十分复杂。本研究在工艺参数优化中采用“二次复合设计”实验方法，通过实验设计可得如下形式回归方程:式中:Yj——COD，BOD5，SS去除率与出水值；j=1，……6；Xi——i=1，2，3，4分别对应于厌氧停留时间、好氧停留时间、回流比与曝气量；bijk——回归方程系数。为了取得尽可能好的处理效果和尽可能经济的技术措施，以处理厂主要处理的构筑物，厌氧反应池和曝气池单位池容的基建投资最小为目标函数，以(8)式所得的基本关系式为基础，系用线性规划方法确定系统最优工况如下:厌氧HRT=2.3h；好氧HRT=2.3h；回流比R=50%；曝气量:15L/h(折合气水比2:1)2.工艺流程的确定高