能源研究与信息  2022, Vol. 38 Issue (2): 70-75   PDF    
农村生活与生产综合污水生物处理的A/O工艺启动策略与特性研究
刘新文1, 赵海龙1, 蔡欣悦1, 沈东升2     
1. 宁波工程学院 材料与化学工程学院,浙江 宁波 315020 ;
2. 浙江大学 环境工程系,浙江 杭州 310029
摘要:为实现新时期各类典型性农村综合污水的治理,选择了一种农村生活与生产综合污水作为研究对象,研究了利用兼氧/好氧(A/O)工艺处理农村生活和生产综合污水的启动过程。结果表明:采用逐步递增生产废水和污泥接种培养的启动策略能够实现处理工艺的快速启动;pH、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+−N)、总磷(TP)以及色度在启动过程中各阶段的变化情况的分析结果表明,A/O工艺能够通过兼氧池和好氧池的协同配合达到理想的污水处理效果。
关键词综合污水     A/O工艺     启动策略     特性    
Start-up strategy and performance of A/O process for the biotreatment of domestic and industrial wastewater in rural areas
LIU Xinwen1, ZHAO Hailong1, CAI Xinyue1, SHEN Dongsheng2     
1. School of Materials and Chemical Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315020, China ;
2. School of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China
Abstract: In order to realize the treatment of various typical rural composite sewage in the new era, domestic and industrial wastewater in rural areas was selected as the research object in this paper. The start-up of anoxic/oxic (A/O) process for domestic and industrial wastewater treatment in rural areas was investigated. The results show that rapid start-up of the process can be achieved via the strategy such as increasing ratio of industrial wastewater and sludge inoculation culture. Changes of pH value, COD, NH4+-N, TP, and chroma in each stage during start-up show that perfect performance of A/O process can be achieved through the cooperation of facultative tank and aerobic tank.
Key words: composite wastewater     anoxic/oxic process     start-up strategy     characteristics    

随着我国社会主义新农村建设和“乡村振兴”计划的进行,农村城镇化的趋势日趋明显,农村污水产生量日益增加1。农村污水可分为农村生活污水和农村生产废水2,其中,农村生活污水以厨房污水、洗浴污水、冲厕污水为主,污水水质总体稳定。农村生产污水主要来自农村乡镇企业生产所排放的冲洗废水和工业废水等,其特点与行业有较大的关系。这些污水大部分未经处理直接排入附近的河流和湖泊,造成了严重的地表水体污染3,也成为“美丽乡村”建设亟待解决的环境问题。

当前,我国农村污水常用的处理技术主要有人工湿地、厌氧沼气池、生物滤池、地下土壤渗透、净化池和一体化综合污水处理技术等4。此类微生物生态处理方法在处理农村生活污水时,无论从经济合理性还是技术可行性方面均具有明显的优势,但在处理具有生物毒害性的生产废水时,则难尽如人意5-7。新时期,应结合我国农村发展实际,因地制宜,重视发展成本低、效率高、运行稳定的农村污水处理新技术,推动我国农村“美丽乡村”建设工作继续深入。

本文以抗生素合成制药废水和染整废水为代表的生产废水混合一定比例的农村生活污水作为研究对象,通过对各反应单元进出水pH、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+−N)、总磷(TP)和色度等水质指标的监测分析,研究兼氧/好氧(A/O)工艺启动过程中兼氧池和好氧池的运行特性,为A/O工艺处理各类综合污水的快速启动和运行提供理论依据。

1 材料和方法 1.1 接种污泥

本试验采用的接种污泥分别取自某污水处理厂的曝气池好氧活性污泥和某制药厂污水处理站兼氧池污泥。好氧污泥接种量设定为500 mg·L−1,兼氧污泥接种量设定为1 000 mg·L−1。上述污泥浓度均按挥发性固体悬浮物(VSS)计。

1.2 废水水质

试验用制药化工废水取自某制药厂调节池,印染废水取自某印染车间排污口,生活污水取自某村庄化粪池后排水口。试验废水水质特征如表1所示。

表 1 废水水质特征 Table 1 Wastewater quality
1.3 工艺流程及实验装置

本试验采用的兼氧池和好氧池均为上流式污泥床(up-flow sludge blanket, USB)反应器,反应器为玻璃材质,内部结构包括垫层、污泥床、反应区、澄清区等4个部分。兼氧池、好氧池有效容积分别为980 、1 200 mL;两个反应器进水均采用蠕动泵由反应器底部泵入;好氧池采用微孔曝气砂头充气,空气由气泵供入,控制气水比在25:1~35:1之间。沉淀池采用玻璃材质的柱状容器,混凝沉淀时间为2 h。A/O工艺流程图如图1所示。

图 1 A/O工艺流程图 Fig.1 Flowchart of A/O process
1.4 启动策略

根据当地实际污水的混合比例需求,在工艺启动过程中逐步提高生产废水的比例进行接种污泥的驯化培养。整个启动过程按照制药废水、印染废水以及生活污水体积比不同划分为Ⅰ~Ⅴ5个阶段,在各阶段,制药废水、印染废水与生活污水体积比如表2所示。

表 2 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段废水体积比 Table 2 Composition of wastewater in Ⅰ~Ⅴ stage during start up

根据实际的进水情况调整兼氧池和好氧池的水力停留时间(HRT)。为了比较驯化效果,各阶段保持相同的HRT。驯化过程中Ⅰ、Ⅱ阶段兼氧池HRT设定为3 h,好氧池HRT设定为5 h,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段兼氧池HRT设定为5 h,好氧池HRT设定为15 h。当各阶段工艺出水COD总去除率达到85%左右时,污泥的沉降性得到改善,标志着相应阶段的驯化过程结束。

1.5 测定项目与方法

本试验中对污水水质项目进行了定期监测8,污水测定项目和测定方法如表3所示。

表 3 污水测定项目和测定方法 Table 3 Characterization of wastewater and associated testing methods
2 结果与讨论 2.1 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段pH的变化

图2为启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段pH的变化,其中:t表示天数;A池表示兼氧池;O池表示好氧池。由中可以得出,废水经过兼氧池后,pH有一定程度的降低,进水pH为6.5~8.5,兼氧池出水pH基本维持在6.0左右,特别是随着制药废水和印染废水体积分数达到40%以后,进水pH上升幅度较大,甚至高达10.0,但经过兼氧池后,出水pH均保持在5.7~7.5之间,明显优于仅有工业废水的兼氧过程的酸化效率9。这也表明,前置的兼氧池在有机废水处理过程中的确能够实现复杂结构有机物的降解,产生有机酸,并通过断链、脱氢、脱氨等生化反应为后续好氧池微生物的生化作用提供更多的活性作用位点,提高后续生化过程的处理效率。另外,采用以生活污水为主,逐步提高生产废水比例的方法启动A/O工艺能够更好地驯化培养水解酸化细菌,发挥兼氧池对污水的预处理效果,确保工艺的稳定、高效。

图 2 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段pH的变化 Fig.2 Variation of pH in Ⅰ~Ⅴ stage during start up

兼氧池出水经过好氧池后,在好氧细菌酶作用下,自由H+与氧结合生成H2O,发生氧化反应,水体系的pH逐步回升。当体系中自由H+消耗殆尽后,若继续曝气,体系中H2O会继续与自由氧发生反应生成一定量的OH,体系的pH会继续提高,并向碱性方向发展。在本研究过程中,好氧池出水pH平均值在7.41左右,这为后续絮凝沉淀作用的发挥创造了良好的条件。

2.2 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段COD去除率的变化

图3为启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段COD去除率的变化。在启动过程中,随着进水中生产废水体积分数的增加,A池COD去除率上下波动非常明显。启动过程的前70 d,随着进水中生产废水体积分数的增加,兼氧池COD去除率整体呈现明显的下降趋势,去除率由最初的50%左右下降到5%左右。而在此期间,好氧池COD去除率虽有波动,但基本上维持在75%以上。这表明前置的兼氧池在废水生物处理过程中起到了非常明显的抗冲击负荷和预处理作用,经过水解酸化作用后,大多数有机物的生物难降解程度下降。在启动过程Ⅰ、Ⅱ阶段,由于生活污水占比较大,兼氧池中好氧微生物占主导地位,因此COD去除率较高。但随着生产废水比例的增加,兼氧池中好氧菌活性被抑制,甚至被淘汰,COD去除率明显下降,但此时兼氧池中水解酸化细菌活性得到释放,生物量相应增加,表现为COD去除率下降,但由复杂高分子有机物转化为简单小分子有机物的效率却得到提高,这为后续的好氧生物处理奠定了基础。因此,后续Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段好氧池出水COD去除率能够一直维持在75%以上。与已有的研究结果10相比,采用一步启动方案A/O工艺处理以生活污水为主的城市污水时COD去除率比本研究采用的启动方案低5%左右。

图 3 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段COD去除率的变化 Fig.3 Removal rate of COD in Ⅰ~Ⅴ stage during start up
2.3 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段氨氮去除率的变化

图4为启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段氨氮去除率的变化。在兼氧池启动的Ⅰ~Ⅴ阶段,氨氮去除率均呈下降趋势,特别是随着进水中制药废水和印染废水比例的增加,氨氮去除率下降明显,甚至出现负增长,这表明兼氧池对有机废水的脱氨基作用明显。有机物脱氨基实际上也是复杂结构有机物的一种解构降解过程,能为后续生物降解提供有利条件。这也表明兼氧池在生物处理工艺处理难生物降解有机废水方面具有非常明显的协同优势。好氧池氨氮去除率受进水水质影响明显。在Ⅰ阶段,由于废水中生活污水占比高达80%,随着驯化过程的进行,氨氮去除率最高可达82.5%,氨氮总去除率可达95.9%。但随着生产废水比例的增加,由于存在兼氧池的预处理和抗冲击作用,好氧池在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段的氨氮去除率仍出现先下降后上升的变化规律,而且其氨氮去除率仍可达80%以上,氨氮总去除率在40%~99%间波动。经过60 d左右的驯化培养后进入V阶段,好氧池的氨氮去除率稳定在50%~60%,氨氮总去除率稳定在60%以上。这一方面说明生产废水比例的增加带来了更加丰富的氨氮资源,另一方面说明由于硝化细菌营自养的特性导致其消耗氨氮的能力有限,一般活性污泥的增长消耗和转化氨氮的能力已达到极限。如果要提高氨氮去除率就需要增加曝气量或富集提升污泥中的硝化细菌,这势必会增加投资成本或运行费用。因此,寻求更加有效、合理的氨氮处理工艺,开展氨氮的资源化利用也是目前研究的热点问题11

图 4 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段氨氮去除率的变化 Fig.4 Removal rate of ammonia nitrogen in Ⅰ~Ⅴ stage during start up
2.4 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段TP质量浓度的变化

图5为启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段TP质量浓度的变化。随着进水中生产废水比例的增加,进水中TP质量浓度稳步增加。由于生物除磷主要利用的是聚磷菌的厌氧释磷/好氧吸磷机理12,并结合剩余污泥的排放实现废水除磷的效果。从启动过程TP的去除规律可以得出,随着污泥量的增加,聚磷菌(PAOs)的生物量也相应增加,厌氧释磷/好氧吸磷的规律非常明显。在驯化过程的Ⅰ~Ⅳ阶段,由于没有污泥的外排,对废水中TP的去除非常不利。随着驯化时间的延长,无论是在兼氧池还是在好氧池中都有很大程度的TP积累。驯化过程进行到第V阶段后期,由于采取了排泥措施,TP去除率达到80%左右,这明显优于一步启动时TP 60%的去除率10

图 5 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段TP质量浓度的变化 Fig.5 Mass concentration of TP in Ⅰ~Ⅴ stage during start up
2.5 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段色度的变化

图6为启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段色度的变化。随着进水中印染废水比例的增加,进水色度也相应增加。Ⅰ、Ⅱ阶段进水色度基本上维持在100倍的水平,随后进水色度增加到了300倍甚至400倍的水平。而出水色度随着驯化时间的延长呈现逐渐下降的趋势,最终出水色度维持在10~20倍的水平。特别是在驯化过程进行到60 d后,无论进水色度如何波动,都能够得到非常稳定的、高的色度去除率,出水色度明显下降,整个驯化过程中色度去除率维持在50%~90%,接近于高级氧化技术在印染废水的脱色效率13。色度的去除主要发生在兼氧池,好氧池色度去除率相对较低,最高去除率约为50%,并且会出现一定的返色。

已有的研究成果13表明湍动程度、pH、外源营养等条件均会对色度去除产生明显影响。兼氧池湍动程度低、偏酸性及外源营养丰富等特征均在色度的去除方面起到了重要作用,使脱色效果更好。随着启动过程的进行,虽然进水色度增加了数倍,但脱色效果明显提高。这也表明该启动方案能很好地筛选和培养脱色细菌,确保了工艺的脱色效果。

图 6 启动过程Ⅰ~Ⅴ阶段色度的变化 Fig.6 Removal rate of chroma in Ⅰ~Ⅴ stage during start up
3 结 论

(1)在农村生活与生产综合废水的A/O工艺的启动过程中,采用逐步递增生产废水和污泥接种培养的启动策略能够实现处理工艺的快速、稳定启动,提高了启动成功的可能性。

(2)在启动过程各阶段的pH、COD、NH4+−N、TP以及色度去除特性表明,A/O工艺能够通过兼氧池和好氧池的协同配合达到理想的处理效果。

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