连续流好氧颗粒污泥技术处理生活污水的中试
导读：好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)是由微生物自絮凝形成的颗粒状活性污泥,结构密实,有良好的沉淀性能,能大幅度减少反应器容积及占地面积。同时,AGS独特的结构可实现不同功能菌共存,这些功能菌的耦合明显丰富了单级系统内的脱氮途径,且它们的共生不仅可以提高脱氮效率,还可降低运行成本。
目前,国内外都侧重于将AGS与序批式活性污泥法(SBR)反应器结合进行研究,其中以Nerada为代表的工艺已经应用于工程实践中,但是SBR相对适合于小水量废水的处理,事实上国内大部分水厂为连续流处理系统,连续流AGS技术应用场景更为广泛。贺向峰等采用沉淀一体式低高径比反应器(UOSB)耦合二沉池的连续流系统(UOSB-ST),在表观气体流速为0.31 cm/s时,通过施加选择作用就可以实现絮状污泥的好氧颗粒化;鲁磊等在连续流合建式反应器中接种成熟AGS,处理低碳氮比(C/N)的实际生活污水,反应器对COD、TN和TP去除率分别为76.34%、51.23%和53.70%。然而,连续流AGS的研究大都停留在实验室阶段,多采用人工模拟废水进行处理,将连续流AGS应用于实际生产的实例还未见报道,在工程应用上仍面临挑战。
本研究选择河北省某生活污水处理厂为试验场地,采用连续流AGS工艺,研究在连续进水条件下,颗粒形成的可行性,以及AGS在水质波动、水量冲击等因素下的系统稳定性,为连续流AGS在工程上的应用提供理论和实践支撑。
1 材料与方法
1.1中试工程概况
试验场地为河北省某生活污水处理厂,该水厂的现有处理工艺为AAO,水力停留时间(HRT)为17.72 h。生物池主要去除CODCr、TN、氨氮,除磷在后续的絮凝沉淀池完成,出水排放标准执行河北省《黑龙港及运东流域水污染物排放标准》(DB 13/2797—2018)中对重点控制区排放限值的相关要求。
本中试工程在原生物池内隔出部分池容做反应器,进行连续流AGS培养,反应池容积为780 m3,平均处理水量为1 743 m3/d,HRT为10.8 h。中试工程接种污泥为该水厂原AAO生物池内的絮状活性污泥,污泥质量浓度(MLSS)为3～4 g/L,污泥体积指数(sludge volume index, SVI)为100～150 mL/g。
该污水处理厂收集的污水类型以生活污水为主,含辖区内部分工业污水,BOD5/CODCr为0.5,且进水水质浓度波动较大。实际进水水质浓度及参数如表1所示。进水TN浓度较高,CODCr/TN平均值约为2.81,进水水质属于低C/N水质。碳源为25%乙酸钠溶液,投加碳源后CODCr/TN在2.95～5.89,平均值为4.11。
表1 污水厂实际进水及设计出水水质
1.2检测分析项目与方法
CODCr采用重铬酸钾消解法测定,氨氮采用纳氏试剂分光光度法,TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,MLSS和SVI均采用标准方法测定。蛋白质测定采用Folin-酚试剂法,多糖测定采用苯酚-硫酸法。采用激光粒度仪(LS13320,Beckman)测定AGS的粒径分布,采用扫描电子显微镜(SEM,SU8010,Hitachi)分析AGS表观结构。
2 结果与讨论
2.1污泥颗粒化过程分析
根据AGS的定义,一般认为污泥粒径大于200 μm为颗粒污泥,否则为絮状污泥。与絮状污泥相比,AGS结构紧凑,SVI比较低,具有明显的沉降优势。SVI是衡量污泥颗粒化的重要指标,一般来说,AGS的污泥体积分数为15%～30%,SVI值为30～50 mL/g,明显低于絮状污泥的SVI(100～200 mL/g)。
中试反应器采用连续进水的形式,反应器底部布置曝气器,分为反应区和好氧区,控制反应区DO质量浓度为0.2～1.0 mg/L,好氧区DO质量浓度为2.0 mg/L,接种污泥为污水厂原AAO生物池内絮状活性污泥,MLSS为3～4 g/L,SVI值为100～150 mL/g,粒径分布如表2所示。在反应器运行过程中,MLSS、SVI值、污泥外观形态及污泥微观结构也不断变化,本研究MLSS、SVI随运行时间变化如图1所示,系统启动运行25 d,MLSS基本没有增加,SVI呈逐步降低趋势,至第25 d,系统SVI降低到80 mL/g;系统启动运行第25～45 d,SVI值降低速度减缓,稳定在60～80 mL/g,表明污泥已逐渐形成颗粒。通过粒度分析仪对污泥的粒径进行分析,污泥平均粒径为98.1 μm,其中粒径在100～200 μm的占38.60%,粒径大于200 μm的占9.78%,颗粒污泥粒径显著大于絮状污泥。系统启动运行40～60 d后,SVI持续降低,在50 mL/g上下波动,与国内外其他相关研究的SVI基本一致,污泥有较好的沉降性能,此时粒径在100～200 μm的占36.59%,粒径大于200 μm的占10.92%,表明颗粒化比例达到10.92%。系统启动运行60～80 d后,SVI持续降低,达到一个较低水平,在50 mL/g上下波动,污泥有较好的沉降性能,此时粒径在100～200 μm的占43.60%,粒径大于200 μm的占15.27%,粒径小于100 μm的污泥占比逐渐减少。
图1 系统内MLSS、SVI随运行时间变化
表2 AGS粒径分布
运行期间系统内的AGS所占比例持续增加,颗粒化比例最高达15.27%。虽然本研究整体颗粒化比例,低于实验室基于连续流人工配水小试研究的颗粒化比例,但本研究作为实际生产的中试研究,在连续进水的条件下,成功培养出AGS,实现颗粒化,为连续流AGS在工程上的应用提供了理论和实践支撑,后续研究需进一步提升工程应用的颗粒化比例,优化处理工艺提升处理效率。
2.2微观结构分析
为了探究中试连续流AGS的形态和结构,系统启动运行60 d,从反应器中获取污泥样品并采用SEM进行观察,结果如图2所示,AGS整体呈黄褐色,大多是球形或椭球形,表面光滑。
图2 形成的(a)AGS照片及(b)SEM照片
SEM进一步揭示了本研究培养的AGS的微观形貌,可以看出AGS为椭圆形结构,粒径约为500 μm,生物量大,颗粒表面附着大量的杆状菌、丝状菌、球状菌,具有明确的物质传输通道。
研究表明,AGS中蛋白质(protein, PN)与多糖(polysaccharide, PS)的含量及比值对AGS的形态及稳定起重要作用。本研究进一步测定了絮状污泥及AGS中PN和PS的含量,其中接种的絮状污泥,PN和PS的质量分数分别为25.5 mg/g和7.10 mg/g,经过60 d的运行,PN和PS分别达到了50.08 mg/g和7.41 mg/g,可见颗粒化过程中,PN增长较多,而PS增长缓慢,因此,PN对污泥颗粒化过程起到重要作用。
颗粒污泥在形成的过程中,分泌大量的PN来改善污泥疏水性能,提高结构的稳定性,本研究絮状污泥PN/PS为3.59,AGS中PN/PS为6.88,随着颗粒的形成,PN/PS呈上升趋势,有利于颗粒污泥的稳定。
2.3污染物去除结果分析
本研究进水为生活污水,平均进水量为1 743 m3/d,HRT为10.80 h。实际进水量、停留时间变化曲线如图3所示,系统启动运行10 d后逐渐增加处理水量至1 800 m3/d,最大处理水量为1 965 m3/d,最小HRT为9.51 h,出水水质始终满足排放标准的要求。污水厂现有的Bardenpho+移动床生物膜反应器(MBBR)生物池停留时间为17.72 h,在同一进出水水质条件下,中试研究的容积负荷是传统工艺的1.64倍,表明AGS工艺处理效率高于传统活性工艺,可以大幅缩短停留时间,节约占地。
图3 中试试验进水量及HRT变化
为研究中试运行过程中的各污染物去除情况,测定了进出水中的CODCr、氨氮及TN浓度。CODCr进出水浓度及去除率如图4所示,试验期间,进水CODCr水质波动较大,质量浓度在78.4～280.8 mg/L,平均进水CODCr质量浓度约为191.3 mg/L,加碳源后实际进水平均CODCr质量浓度为281.8 mg/L。系统启动45 d后进入雨季,CODCr浓度大幅度降低,进水质量浓度为150 mg/L左右。可以看出,AGS对CODCr有很好的去除效果,出水CODCr平均质量浓度为27 mg/L,整体出水质量浓度稳定在40 mg/L以下,达到排放要求,平均去除率为89.70%。
图4 中试CODCr进出水浓度变化
氨氮、TN进出水浓度及其去除率如图5所示。进水氨氮质量浓度波动较大,为26.1～81.0 mg/L,平均进水质量浓度约为58.7 mg/L,经处理后,出水质量浓度稳定在2 mg/L以下,平均出水氨氮质量浓度为0.89 mg/L,平均去除率为98.42%,表明该系统对氨氮有较好的去除效率。进水TN质量浓度波动较大,为36.2～90.0 mg/L,平均进水质量浓度约为68.6 mg/L,虽然进水TN浓度波动较大,但是出水曲线相对平稳,出水平均质量浓度为9.13 mg/L,平均去除率为86.0%。
图5 中试氨氮、TN进出水浓度及其去除率变化
由图6可知,进水CODCr/TN平均值为2.81,投加碳源后CODCr/TN在2.95～5.89,平均值为4.11,仍属于低CODCr/TN水质。本研究进水TN波动较大,平均去除率为86.0%,表明即使在进水低CODCr/TN条件下,AGS依旧对TN有较好的去除效率,可能是由于其特殊的分层结构,为各种不同类型的功能菌提供良好的生长环境,在这些功能菌的联合作用下,发生同步硝化反硝化反应,提高TN的去除率。因此,相比于传统工艺,AGS能够进行同步硝化反硝化反应,体现出AGS系统良好的抗冲击能力和脱氮效果。
图6 中试进水CODCr/TN变化
3 结论
(1)中试在连续流进水的条件下,接种普通絮状活性污泥,经过2个多月的运行,成功培养出AGS,颗粒化比例达到15.27%。形成的颗粒结构密实,呈黄褐色,表面光滑。颗粒污泥有较好的沉降性能,MLSS为6 g/L,SVI为40～50 mL/g。
(2)运行期间,随着AGS的形成,PN和PS质量分数分别由25.5 mg/g和7.10 mg/g增长到50.08 mg/g和7.41 mg/g,PN/PS由3.59增长到6.88,PN/PS呈上升趋势,PN对污泥颗粒化过程起到重要作用。
(3)本研究采用实际生活污水进行中试试验,平均处理水量为1 743 m3/d,HRT为10.80 h,实际处理最大处理水量为1 965 m3/d,最小HRT为9.51 h。AGS系统对污染物去除效果较好,CODCr、TN、氨氮的平均去除率分别为89.70%、86.0%和98.42%。进水水质波动较大,系统有较强的抗冲击负荷能力。
