新型复合厌氧反应器处理生活污水的实验研究
2007-03-23 22:47:25   来源：工业安全与环保   评论：0 点击：

1　引言随着经济的快速发展,城市规模不断扩大,生活污水的排放逐渐增加,根据2003年中国环境状况公报[1],2003年全国总废水排放量为460亿ｔ,比上年增加4.7%;工业废水排放量为212.4亿ｔ,比上年增加2.5%;生活污水排放量为247.6亿ｔ,比上年增加6.6%。ＣＯＤ排放总量为1333.6万ｔ,比上年减少2.4%;工业废水ＣＯＤ排放量为511.9万ｔ,比上年减少12.3%;生活污水ＣＯＤ排放量为821.7万ｔ,比上年增加5.0%。虽然2003年城市生活污水集中处理率比2002年提高了10.68%,但是截止2003年底的统计,全国生活污水处理量仅占污水排放量的42.3%左右。2004年全年城市污水处理量162亿ｍ3,城市污水处理率45.6%,比上年提高3.21个百分点[2]。污水处理率低的原因主要是有些地方经济落后,多年来污水处理设施建设一直严重滞后,污水收集管网不成系统;还有一些区县甚至没有一条完整的污水收集管道,城市污水沿江随意排放。为了满足部分没有完善城市排水系统的小区以及对不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济技术开发区等分散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废水得到有效的处理,越来越多的学者把目光放到小型生活污水的处理工艺开发与应用上面。对于分散排放的污水,目前主要是采用小型污水处理设施,例如小型ＳＢＲ处理工艺、生物接触法处理工艺以及氧化沟工艺等。但是由于小型分散式污水处理厂也必须达到大型污水处理厂的处理标准,即要求小型分散式污水处理厂的排放量之总和小于或等于大型集中式污水处理厂的排放量,所以从整体投资上费用更高。为此,有必要研究一种小型节能化污水处理工艺来处理该类型污水。

2　恒水位操作[3]厌氧生物膜序批式反应器(ＡＢＳＢＲ)的提出对于低浓度的生活污水,进行厌氧处理需要考虑的就是增大活性微生物的浓度以达到缩短水力停留时间(ＨＲＴ),增加容积负荷的效果。恒水位操作厌氧生物膜序批式反应器(ＡｎａｅｒｏｂｉｃＢｉｏｆｉｌｍＳｅｑｕｅｎｃｉｎｇＢａｔｃｈＲｅａｃｔｏｒ简称ＡＢＳＢＲ)正是一种利于处理低浓度的一体化复合反应器。基于厌氧序批式生物反应器工艺的研究,由大量收集到的文献资料可知,在ＡＳＢＲ中加入填料的研究,在国内外均为空白。虽然ＡＢＳＢＲ的研究工作处于摸索阶段,但工艺本身所依赖的基本原理仍是厌氧序批式反应器及厌氧滤池反应理论。虽然在ＡＳＢＲ中加入填料的研究较少,但是膜法过滤已成功应用于活性污泥反应器中,在ＡＳＢＲ中加入填料,不仅使微生物附着生长在填料上增加微生物浓度,而且形成生物膜起到过滤的作用,使出水水质更好。ＡＢＳＢＲ利用固体填料来固定微生物的载体,生物膜固定在填料表面,不仅减少了微生物的流失,延长了其在反应器内的停留时间,提高了微生物浓度,同时,滤料还有截留生物污泥和悬浮固体的功能,从而减小了出水的ＳＳ。同时恒水位的操作也有利于微生物浓度的增加。ＡＢＳＢＲ运行类似于ＡＦ,微生物既可以附着在颗粒表面生长形成生物膜,也可在颗粒间的空隙中形成污泥粒子。进水方式则类似于ＡＳＢＲ,采取间歇进水反应方式,不过与ＡＳ ＢＲ工艺相比,ＡＢＳＢＲ工艺的每个运行周期只有2个阶段:进(出)水期、反应期。在进水的同时反应器也进行排水,进水完毕则进入反应期,反应结束后将进入下一循环。当废水与在反应器中呈均匀分布的厌氧微生物接触时,废水中细小的悬浮物、胶体物等被生物膜或污泥粒子吸附,同时,溶解性有机物则作为厌氧微生物的营养底物被吸收,这些物质在微生物的生命代谢过程中经生化反应被转化为简单的无机物和少量的细胞产物,从而实现废水的净化。同时,反应器采用恒水位操作,底部进水通过颗粒填料使水流达到稳定垂直流而不发生横向扩散流,根据水力学试验测定其进水混合度为70%。由于ＡＢＳＢＲ是属于间歇反应方式,所以不存在类似于ＡＦ的由于不同高度的有机物浓度不同导致的底部污泥过多而产生堵塞现象,也不会产生短流等问题,不必设复杂的配水系统,也不需要另建沉淀池。同时,因为它只有两个阶段,即进水的同时出水,所以很好地解决了ＡＳＢＲ碰到的由于反应器内的容积变化而产生工艺的不稳定运行以及对工艺设备的较高的结构要求。所以它同时兼顾了ＡＦ及ＡＳＢＲ的优点,而且有效地解决了二者存在的不足。

3　实验部分

3.1　实验用水实验用水采用某大学学生生活小区总排水口取出的废水经过简单静沉网滤后得到。进水水质见表1。

3.2　试验装置图1是ＡＢＳＢＲ小试装置图,该反应器采用ＰＶＣ管制作,高1ｍ, 外150ｍｍ, 内100ｍｍ;填料采用颗粒陶瓷,下部填料粒径8ｍｍ,中部5ｍｍ,上部3ｍｍ;填料塞满反应器,有效容积占反应器体积的40%,为4.5Ｌ。为便于观察反应器中污水状况,特在高度方向上平均设3个取水口便于采集水样。为了保证反应器具有良好的密闭性,直接从反应器顶部插入1根进水管至底部。同时为了便于进水结束初期反应器内的废水能够充分混合而采用两根密闭Ｕ型进水管平行进水。出水管上部引出外排,然后上部气体由排气管排入排水集气瓶中。

3.3　分析方法实验测定项目及测定方法[4]见表2。

3.4　运行条件反应器在25℃的恒温下进行,接种污泥采用城市污水处理厂污泥消化池的污泥,反应器共运行了2个月,启动过程采用逐步缩短水力停留时间来加大水力负荷。进水流速采用450ｍＬ/ｍｉｎ,根据反应器水力特性确定每次进水体积为有效容积的140%左右,达到完全置换的目的。

3.5　结果与分析

3.5.1　启动过程分析在启动初期,利用逐渐缩短水力停留时间来加大有机负荷的方法进行有机负荷的挂膜。在启动过程中,为了防止污泥流失,在初始状态水力停留时间为3天,为使菌种迅速恢复活性,并逐步适应新的环境,能够有效地挂膜,采用逐步缩短水力停留时间,增加进水负荷,使微生物具有充足的营养物质。由于该工艺采用间歇式的进水方式,因此本试验通过控制每天反应周期来提高进水负荷。为了使反应器尽快地适应低浓度的生活污水的水质,未对进水浓度进行调整。启动期间水温控制在25℃,进水ｐＨ值为6.8-7.2。整个启动过程ＣＯＤＣｒ去除率随水力停留时间的变化如图2所示。

从图2可以看出,在启动期间通过调节每日进水次数来使水力停留时间逐渐减小(从72ｈ减小到8ｈ),容积负荷也随着增大。在反应初期为了有效地保持反应器内的污泥量,防止沉降性能差的污泥流失。采用水力停留时间ＨＲＴ为72ｈ,进水的ＣＯＤＣｒ在360ｍｇ/Ｌ左右,系统对ＣＯＤＣｒ的去除率在30%左右。此过程污水颜色变黑,填料表面附着1层薄的黑色生物膜。且生物膜中出现数量较多的游离细菌。从第7-18ｄ反应器的水力停留时间从48ｈ减小到12ｈ。这一阶段反应器中开始有少量气泡产生,填料表面生物膜厚度增加。膜中菌胶团的数量增多,观察到产甲烷细菌及少量鞭毛虫。进水的ＣＯＤＣｒ在350-500ｍｇ/Ｌ之间,对ＣＯＤＣｒ的去除率为30% 50%,去除效果较为稳定。从第19 22ｄ反应器的水力停留时间逐渐稳定到8ｈ。这一阶段反应器中产气正常,生物膜中丝状菌较多,而且在生物膜中还能观察到少量游泳型纤毛虫。进水的ＣＯＤＣｒ在370 530ｍｇ/Ｌ之间,此时反应器容积负荷为0.54ｋｇ/(ｍ3·ｄ),对ＣＯＤＣｒ的去除率为50% 80%,去除效果相对稳定。

本试验仅用了22天就完成对反应器的启动,比单独的厌氧序批式反应器ＡＳＢＲ和厌氧生物滤池ＡＦ所需的启动时间短(ＡＳＢＲ的启动期一般为2 3个月,ＡＦ启动期在4个星期以上[5]),对ＣＯＤＣｒ的去除效果相对稳定。

3.5.2　最佳水力停留时间当反应器水力停留时间控制在8ｈ时,稳定运行一段时间后,在一个反应周期内进行ＣＯＤＣｒ降解测定试验,得到ＣＯＤＣｒ去除率随降解时间的变化如图3所示。由图3可知,在进水后初始2ｈ,ＣＯＤＣｒ降解速率比较大,接下来降解曲线比较平缓,到6ｈ后基本不发生降解。这是由于本反应器采用间歇式运行方式,在反应器内营养底物均匀分散,初始浓度最大,在整个反应周期反应器内的有机物浓度随时间逐渐降低,反应过程相当于平推流过程,由于平推流条件下的生化反应为一级反应,底物的去除速率与浓度呈正比[6],因此初始状态ＣＯＤＣｒ去除率最高,随后则逐渐下降,因此可得最佳水力停留时间为6ｈ。

3.5.3　ＣＯＤＣｒ去除率

ＡＢＳＢＲ启动成功之后,调整最佳水力停留时间为6ｈ,测得正常运行时ＣＯＤＣｒ去除率变化情况如图4所示。

由于加入填料形成生物膜工艺,使反应器中生物量得到显著提高,因而反应器具有较大的处理能力。ＡＢＳＢＲ启动成功后,反应器的有效容积负荷平均为0.64ｋｇ/(ｍ3·ｄ),ＣＯＤＣｒ的平均去除率在76%左右,出水ＣＯＤＣｒ质量浓度均低于100ｍｇ/Ｌ。

3.5.4　悬浮物去除率(浊度表示)浊度也称浑浊度。

浊度既能反映水中悬浮物浓度,同时又是人的感官对水质的最直接的评价。水的浊度与水中的微粒浓度之间存在定性的相关关系[7],故浊度的去除率与ＳＳ的去除率线形变化在试验条件相同的情况下,存在着相似性。从反应器开始启动到正常运行一段时间,所测浊度去除结果分析,得到浊度去除率随时间变化曲线如图5所示。

由图5可知,在运行的1 4ｄ,由于陶瓷颗粒填料的简单过滤、吸附作用,以及水力停留时间较长,悬浮物去除率达到70%左右,在运行的5 11ｄ,悬浮物去除率急剧下降,到第9ｄ达到最低点。这主要是因为随着启动过程进行填料空隙充满,颗粒之间纳污能力达到饱和,同时接种污泥中部分活性较差的细小微粒随水冲出,此时悬浮物去除率急剧下降。在运行的第12ｄ以后,随着微生物的不断增加,将截留的有机物降解,当反应器内形成稳定的生物膜处理系统后,悬浮物的去除率达到稳定。该反应器去除率保持在90%以上,出水浊度稳定在15ＮＴＵ以下。

3.5.5　ｐＨ值

ｐＨ值是废水厌氧生物处理中最重要的影响因素之一。厌氧微生物对环境ｐＨ值的要求一般在中性左右,ｐＨ值的变化轻则影响厌氧微生物的生长代谢和对底物的吸收作用,严重时则会造成反应器内酸化严重,导致系统失效并难以恢复。所以应控制进水合适的ｐＨ值,或要求废水本身就具有足够的ｐＨ缓冲能力。一般情况下,生活污水厌氧处理能产生足够的二氧化碳来中和溶液中的碱性离子,也能将污水中所含的蛋白质等有机物水解成氨来中和厌氧过程中形成的挥发酸。碱度是衡量废水ｐＨ缓冲能力的1个参数。钱易等在常温下用厌氧生物滤池处理生活污水,测得反应器内生活污水的碱度为352 468ｍｇ/Ｌ,说明生活污水本身具有足够的ｐＨ缓冲能力,无需投加缓冲剂即可维持适合厌氧菌生长的ｐＨ[8]。本试验在启动和运行期间测得进出水的ｐＨ值变化如图6所示。

由图6可知,ＡＢＳＢＲ运转期间出水ｐＨ值变化很小,始终保持在6 7之间,说明生活污水本身具有足够的ｐＨ缓冲能力,ＡＢＳＢＲ处理生活污水不存在酸化问题,试验中不需要再对进水ｐＨ值进行调节。

3.5.6　冲击负荷影响

由于ＡＢＳＢＲ内生物固体含量高,反应器内水流状态处于完全混合式,且反应器运行方式为间歇式操作,理论上应具有较强的抗冲击负荷能力。为了研究冲击负荷对系统有机物去除率的影响,将进水ＣＯＤＣｒ从200ｍｇ/Ｌ左右逐步提高到1000ｍｇ/Ｌ以上,并持续高浓度进水5ｄ,5ｄ后恢复正常的进水浓度。系统对有机物的去除试验结果如表3。

　　由表3可以看出,第1 3ｄ进水浓度正常,从第4 9ｄ进水水质逐渐增大到1000ｍｇ/Ｌ左右,然后在第10 14ｄ进水质量浓度持续在1000ｍｇ/Ｌ左右,到第15ｄ后恢复正常。当容积负荷(ＣＯＤＣｒ)为0.48ｋｇ/(ｍ3·ｄ)时,系统对ＣＯＤＣｒ的去除率在78%左右,随着负荷的逐渐增大,ＣＯＤＣｒ的去除率也逐渐增大,但是出水的ＣＯＤＣｒ值也逐渐增大,特别是当容积负荷(ＣＯＤＣｒ)提高到0.96ｋｇ/(ｍ3·ｄ)以上时,出水ＣＯＤＣｒ值均超过100ｍｇ/Ｌ。当容积负荷提高到1.6ｋｇ/(ｍ3·ｄ)以上时,ＣＯＤＣｒ的去除率急剧下降。第15ｄ恢复正常进水以后,水质浓度大大降低,ＣＯＤＣｒ的去除率也很快恢复到稳定运行水平。由试验结果可知,ＡＢＳＢＲ对由于进水浓度变化而引起的冲击负荷有着很大的抵抗能力。这是由于反应器内固体停留时间长、生物量多的特点所决定的。但是,系统的抗冲击负荷能力有一定的限度,因而最好避免过大或过长时间的冲击负荷,以使系统能正常运行。

4　结论

在ＡＳＢＲ中加入陶瓷填料构成的ＡＢＳＢＲ系统,将生物膜技术的许多优点引入到ＡＳＢＲ法中,使活性污泥法和生物膜法有机结合起来,利用悬浮生长微生物和附着生长微生物的协同作用来去除污水中有机污染物。通过对ＡＢＳＢＲ工艺在不同试验条件下运行情况分析,可以得到以下结论:(1)加入填料后,活性污泥大部分以生物膜形成附着在载体表面,在填料空隙悬浮物生长的污泥量小,因而具有良好的生物截留能力,总的微生物浓度高于ＡＳＢＲ法,故有利于有机物降解。(2)系统的最佳水力停留时间为6ｈ,处理效果较好,当平均容积负荷为0.64ｋｇ/(ｍ3·ｄ)时,出水ＣＯＤＣｒ质量浓度在100ｍｇ/Ｌ以下,其去除率达到70% 80%,最高可达90%,出水ＳＳ质量浓度在20ｍｇ/Ｌ以下。(3)生物膜附着在填料表面,其泥龄较长,与污水停留时间无关,因而即使产甲烷菌世代时间长,生长速度慢,也可以在生物膜法反应器中大量繁殖,且由于填料作用使基质与微生物能很好的接触,故有机物去除效果比ＡＳＢＲ要好。(4)ＡＢＳＢＲ系统内存在着复杂的生物相,即存在大量细菌,原生动物和后生动物,形成了稳定的生态系统,因此使ＡＢＳＢＲ具有更强的耐冲击负荷能力。与生物滤池相比,ＡＢＳ ＢＲ系统在运行时不易堵塞,故节省反冲洗的动力费用。