缺氧-好氧移動床生物膜反應器處理城市污水的效能研究.pdf

1、城市化和城市人口的增加,導致了污水排放量的增加,同時減少了可新建污水處理設施的用地面積。為了得到更好的處理效率而多次改良的活性污泥法,在運行中也出現(xiàn)一些弊端(如污泥膨脹,污泥上浮等),從而大大降低了污水處理工藝的效率,增加了反應器容積,最終增加了用地面積,特別是營養(yǎng)元素,如氮和磷的處理,因為處理氮磷要比處理其他有機物花費更多的時間。因此有必要尋找新的處理工藝,以優(yōu)化出水效果,減小用地面積。移動床生物膜反應器(MBBR)也就應運而生。MB

2、BR是一種連續(xù)流工藝,它結合了兩種不同的處理方法(附著式和懸浮式),利用高密度聚乙烯(HDPE)表面積大和密度小的特點,來增加反應器的附著微生物量。反應器內,在好氧區(qū)的曝氣作用,以及在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的機械攪拌作用下,小型載體填料與污水充分混合,從而提高了反應器的處理效能。
　　本文研究了連續(xù)上升流MBBR,即組合圓柱式缺氧/好氧移動床生物膜反應器。該反應器是將缺氧區(qū)放入好氧區(qū)中,缺氧/好氧體積比為1/6,從而實現(xiàn)完全硝化-反硝化過

3、程。這是一種生活污水中,處理有機物質和營養(yǎng)物質更經濟有效的方法。在重慶地區(qū),針對4萬m3/ d處理量的情況下,其中脫氮過程是MBBR設計主要考慮的問題。處理效果必須滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級B的要求。MBBR缺氧區(qū)填料的懸浮系數(shù)(克MLSS/載體)取4來設計的,用以減少其所需的空間,并實現(xiàn)了部分反硝化(硝酸鹽氧化為亞硝酸鹽)及厭氧氨氧化過程,其中約50％氨以亞硝酸鹽作為電子受體,被直接氧化成

4、氮氣。MBBR好氧區(qū)的目的是實現(xiàn)完全硝化過程和有機碳的去除。磷將在缺氧區(qū)和好氧區(qū)中被去除。該系統(tǒng)的主要設計參數(shù)的值分別為7/1的氣/水比,100％的硝化液回流比,和6.2h的水力停留時間。該反應器按照完全硝化-反硝化過程操作,嚴格限制總氮,無污泥回流,且只有一個好氧區(qū)到缺氧區(qū)的內循環(huán)。
　　本文研究的MBBR中試工藝建于重慶市大渡口污水處理廠。該系統(tǒng)是由方形初沉池(由1m×1m×1m的PVC制成),鋼制的缺氧反應器(直徑0.6 m

5、,水深0.9米),鋼制的好氧反應器(直徑1.2 m,水深2米),以及后面接一個方形澄清池(由1m×1m×1m的PVC制成)組成。Kaldnes(K1)是用作兩個反應器中的填料,它的填充率為50％。該 Kaldnes(K1)填料是由聚乙烯(密度為0.93 g/cm3)制成,形狀像小圓柱體(直徑約25mm,長10mm),內部具有十字架結構,以提供活性微生物附著的懸浮生長的介質。在100％填充率下,可供微生物附著的有效面積為500 m2/m3

6、。從好氧區(qū)曝氣器出來的空氣氣泡和缺氧區(qū)的螺旋槳混合器作用,使得填料懸浮在水中。螺旋槳式混合器,是由位于中央的直徑25cm的雙葉片攪拌器和布置在水面以下20和40cm的槳葉構成,攪拌器轉速為100 rpm。填料被小尺寸篩裝置(約2mm開口)保留在反應器中。曝氣系統(tǒng)包括4個細氣泡膜擴散器(4個直徑220mm的曝氣盤)均勻分布在反應器的四周,并固定在距反應器底部0.3m的地方。生活污水經過大渡口污水處理廠預處理設施的初沉池,在這里主要去除廢水

7、中的某些可能會導致后續(xù)處理過程中操作問題的物質,如抹布,棍棒,漂浮物,砂礫和油脂。MBBR缺氧區(qū)在初始階段,接收不斷地從初沉池過來的生活污水,并在穩(wěn)定運行階段同時接收來自初沉池和最終澄清池的生活污水。
　　這個實驗開始于2012年5月初,2013年3月底結束,大約歷時一年。在正常情況下(T≥15℃),我們調查了在初始階段,一個序批式移動床生物膜反應器(SBMBBR)4周無硝化液回流的處理情況。在此期間,主要觀測到在MBBR缺氧區(qū)和

8、好氧區(qū)中的生物膜的生長和附著填料上的微生物量的增加,同時還發(fā)現(xiàn)活性污泥中微生物濃度有所降低。100 rpm的轉速和1.17立方米/小時(7/1的氣水比)的供氣量皆適宜生物膜生長,并沒有引起微生物從填料上的脫落。在第四周結束時,MBBR缺氧區(qū)和好氧區(qū)中MLSSTotal(MLSSSuspension+MLSSAttach)的濃度值分別達到2459 mg/ L和2914.2 mg/ L,該中試設備,在水力停留時間(HRT)6.2 h,硝化液

9、回流比100％,氣水比為7/1的條件下連續(xù)運行1周,為初始階段做好準備。
　　在初始階段,發(fā)現(xiàn)在缺氧/好氧 MBBR中,pH值與 DO濃度呈較明顯的反比關系,反應器中 DO濃度直接關系到微生物的活性。對于缺氧區(qū) MBBR的pH與 DO而言,較為穩(wěn)定的階段是第17天到第35天的時候,此時的pH值維持在7.5-7.74,DO濃度維持在0.13 mg/L-0.17 mg/L。對于好氧區(qū)MBBR的pH與DO而言,較為穩(wěn)定的階段是第29天到

10、第35天的時候,此時的pH值維持在7.44-7.45,DO濃度維持在4.34 mg/L-4.51 mg/L。從運行反應器初始階段到經歷17天后,缺氧/好氧MBBR達到了穩(wěn)定的運行的狀態(tài),此時COD在厭氧區(qū)和好氧區(qū)的去除率可以相對穩(wěn)定的維持在54.432％和95.67％,而 NH4+-N的去除率可以相對穩(wěn)定的維持在14.14％和98.53％。
　　在通常溫度下(T≥150C),我們測試了MBBR主要設計參數(shù)(氣水比,內回流比,水力停

11、留時間)對整個系統(tǒng)處理效能的影響。通過連續(xù)流運行11周后,我們得到了滿足一級 B標(GB/T18918-2002)的最佳運行參數(shù)。在運行5周后,我們設計了5個不同的氣水比(5/1,7/1,10/1,14/1和24/1),來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去處效果,每個氣水比穩(wěn)定運行一周,同時維持內回流比為100％和水力停留時間6.2h.實驗結果表明,對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽的情況下,最佳氣水比值為7/1。在此氣水比7/1,以及缺氧區(qū)和好氧

12、區(qū)的DO分別為4.49 mg/L和0.16 mg/L的運行條件下,出水中 COD含量為18.1mg/L,NH4+-N含量為0.53 mg/L,TN含量為14.38mg/L,TP含量為0.34mg/L,可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級A標,其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分別為92.67％,98.83％,71.37％和90.49％。在運行第10周后,我們同樣設計了3個不同的

13、內回流比(50％,100％,和150％),來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去除效果,每個內回流比穩(wěn)定運行一周,同時維持氣水比在最佳運行參數(shù)7/1和水力停留時間6.2h.實驗結果顯示,對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽,最佳內回流比值為100％。在此內回流比100％,以及缺氧區(qū)和好氧區(qū)的DO分別為4.35mg/L和0.19mg/L的運行條件下,出水中COD含量為17.63mg/L,NH4+-N含量為0.49 mg/L,TN含量為13.25mg/L,

14、TP含量為0.30mg/L,同樣也可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級 A標,其中 COD, NH4+-N, TN,和 TP的平均去除率分別為92.16％,98.84％,71.23％和91％。最后,在運行第13周后,我們同樣設計了3個不同的水力停留時間(4.95hrs.,6.2hrs.,和8.25hrs),來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去除效果,每個水力停留時間穩(wěn)定運行一周,同時維持氣水比和內回流

15、比的最佳運行參數(shù)7/1和100％。從已經獲得的結果可以看出,對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽,最佳水力停留時間為6.2 h。在此水力停留時間為6.2h,以及缺氧區(qū)和好氧區(qū)的DO分別為4.23mg/L和0.14mg/L的運行條件下,出水中COD含量為16.2mg/L,NH4+-N含量為0.69 mg/L,TN含量為12.92mg/L,TP含量為0.31mg/L,同樣也可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級A

16、標,其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分別為93.15％,98.06％,71.67％和90.88％。
　　通過長達十周,并有硝化液回流的連續(xù)進水的MBBR運行系統(tǒng)中,處于不同負荷的情況下,從運行第十六周后開始,在通常溫度下(T≥15℃)下,我們對MBBRs缺氧區(qū)和好氧區(qū)的COD、NH4+-N、TN、TP去除率和去除效果進行了評估。在這段時間內,連續(xù)流組合圓柱式缺氧/好氧 MBBR系統(tǒng),通過完全硝化-反硝化的過程

17、,可以實現(xiàn),在低缺氧/好氧體積比(缺氧區(qū)體積大概是好氧區(qū)體積的16％)下,良好氮、磷的去除率(每天去除 TN為133.77(g/m3.d),去除率為71.25％;TP為15.3(g/m3.d),去除率90.51％),以及高的COD和NH4+-N去除率(每天去除 COD為862.39 g/m3.d,去除率為91.61％;NH4+-N為154.33(g/m3.d),去除率97.89％)。MBBR好氧區(qū)成功的實現(xiàn)了完全硝化過程(NH4+-N轉

18、化為 NO3--N),其中96.17％的NH4+-N負荷(81.33(g/m3.d) NH4+-N)在硝化過程中被去除。MBBR缺氧區(qū)成功實現(xiàn)了部分反硝化過程(NO3--N還原成 NO2--N)和氨化過程(缺氧NH4+-N氧化),其中NO3--N去除量為61.23(g/m3.d),反硝化率達到66.76％;NH4+-N去除量為73g/m3.d),去除率為45.74％。
　　在低溫下(T<15℃),低缺氧/好氧體積比(缺氧區(qū)體積大概

19、是好氧區(qū)體積的16％)的完全硝化-反硝化連續(xù)流組合圓柱式缺氧/好氧MBBRs不能實現(xiàn)良好的總氮和氨氮的去除(NH4+-N去除率為60.22％,TN去除率為27.56％),故出水中 NH4+-N和 TN含量不能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級B標。而整個系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)COD和TP的良好去除(COD去除率為88.48％,TP去除率為89.08％),出水中COD和TP含量能達到一級B標(GB/T189