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淹沒序批式生物膜法除磷工藝特性研究

2007-01-23 16:55    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:試驗(yàn)結(jié)果表明,軟性載體淹沒序批式生物膜法是行之有效的除磷工藝。在載體裝填密度為30%,水力停留時(shí)間為9h(其中厭氧3h、好氧6h)、進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27~1.32 kgCOD/(m3·d)時(shí),磷的去除率達(dá)90%以上。試驗(yàn)中,還就影響除磷的因素作了系統(tǒng)的分析。

  關(guān)鍵詞:序批式 生物膜 生物除磷

  Study on the Characteristics of Phosphorus Removal in Sequencing Batch Reactor of Submerged Biofilm Process

  Abstract:The study result showed that the sequencing batch reactor of submerged biofilm process with fibrous carriers is effective in phosphorus removal.When the carrierpacking percentage is 30%,hydraulic retention time (HRT) is 9 h (including 3 h for anaerobic zone and 6 h for aerobic zone),and influent loading rate is 0.27~1.32 kgCOD/(m3·d),over 90% of phosphorus removal is achieved.In the test,a systematic analysis was also made for the factors affecting phosphorusremoval.

  Keywords:sequencing batch reactor;biofilm process;biological phosphorus removal

  1 淹沒式生物膜法除磷工藝選擇

  1.1 淹沒式生物膜法除磷的條件

  在厭氧條件下,若廢水中沒有DO或氧化態(tài)氮,一般無(wú)聚磷能力的好氧菌及脫氮菌,不能產(chǎn)生ATP(三磷酸腺苷),所以這類微生物不能攝取細(xì)胞外的有機(jī)物,即不能進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸。但是,另一類叫做除磷菌的細(xì)菌卻能分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽同時(shí)產(chǎn)生ATP,并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞,以PHB(聚—β—羥基丁酸)及糖原等有機(jī)顆粒的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi);同時(shí)將聚磷酸鹽分解所產(chǎn)生的磷酸鹽排出胞外,這時(shí)細(xì)胞內(nèi)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相當(dāng)量的聚磷酸鹽激酶。一旦進(jìn)入好氧環(huán)境,除磷菌又可利用PHB氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷,并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽而儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。微生物在增殖過程中,在好氧環(huán)境下所攝取的磷比在厭氧環(huán)境下所釋放的磷多,廢水的生物除磷正是利用了微生物的這一過程,并作為剩余污泥排走[1].

  由生物除磷機(jī)理可見,若想采用淹沒式生物膜法除磷,必須解決四方面的問題:①必須滿足除磷菌習(xí)性,使生物膜交替處于厭氧、好氧的狀態(tài),并逐步使除磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬,實(shí)現(xiàn)其增殖;②供給必要的有機(jī)碳源(由廢水提供);③最后的磷排出必須是以脫落污泥的形式,這就要求除磷菌為優(yōu)勢(shì)菌屬的生物膜生長(zhǎng)要快,且應(yīng)在好氧狀態(tài)下能脫落,即需有足夠的曝氣強(qiáng)度和選擇合適的生物膜載體;④污泥沉淀后應(yīng)及時(shí)排出系統(tǒng)。

  1.2 淹沒式生物膜法除磷工藝選擇

  細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含磷約2%(以質(zhì)量計(jì)),所以傳統(tǒng)的生物膜法最多只能去除污水中約20%的磷。對(duì)一般生物膜法來說,無(wú)論是A/O(厭氧/好氧)工藝還是A2/O(厭氧/缺氧/好氧)工藝,由于是在空間上造成A或O的狀態(tài),微生物只能持續(xù)地處于A或O的單一狀態(tài),而不能處于A/O交替的狀態(tài),因此,不具備生物除磷的條件,也就達(dá)不到生物除磷的目的[2].而序批式生物處理工藝集曝氣、沉淀于一池,運(yùn)轉(zhuǎn)按進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等幾個(gè)階段進(jìn)行,污水間歇而有序地進(jìn)入反應(yīng)池和排出反應(yīng)池。由于序批式工藝的特殊性,設(shè)計(jì)合理,可使生物膜在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài),從而有望實(shí)現(xiàn)生物除磷的目的,同時(shí),混合液也可在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài),從而有望實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

  2 試驗(yàn)方法

  2.1試驗(yàn)裝置

  試驗(yàn)裝置如圖1所示。

  試驗(yàn)用反應(yīng)器是有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑為15cm,反應(yīng)器內(nèi)有效容積為18L,其中沉淀池容積為2L.其試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0mg/L,COD為370.0mg/L,溫度為25℃,好氧狀態(tài)的DO平均為5.5mg/L.

  裝填密度是指生物膜與載體所占容積與整個(gè)反應(yīng)器容積之比。在分別做了最大裝填密度:37.5%、實(shí)用裝填密度:30%以及較低裝填密度:22.5%的對(duì)比試驗(yàn)后,確定較適宜的裝填密度為30%.此時(shí),反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m2/L.

  生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式歷時(shí)3個(gè)月,菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工藝參數(shù)和影響因素的試驗(yàn)中,取運(yùn)行條件改變后2周的水樣進(jìn)行測(cè)定。

  2.2 原水和主要分析方法

  原水用自來水加蛋白胨配制,同時(shí)還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等,配制后水質(zhì)如表1所示。

  表1 原水水質(zhì)表 水質(zhì)指標(biāo)COD(mg/L)TN(mg/L)NH+4-N(mg/L)NO-3-N(mg/L)NO-2-N(mg/L)測(cè)定值250~40030~6010~200.20.1水質(zhì)指標(biāo)TP(mg/L)SP(mg/L)pH堿度(mg/L)BOD5(mg/L)測(cè)定值8~107~97.3380~440180~300 注:COD為重鉻酸鉀法;TN為過硫酸鉀—紫外分光光度法;NH+4-N為納氏試劑光度法;NO-3-N、NO-2-N為離子色譜法;TP為過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。

  3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

  3.1厭氧時(shí)間段和好氧時(shí)間段的確定

  為確定合適的厭氧所需時(shí)間,將厭氧時(shí)間延長(zhǎng)到12 h,并測(cè)定了TP的變化過程(見圖2)。

  由圖2可知,磷釋放主要集中在前3 h內(nèi),之后的9 h,磷釋放現(xiàn)象雖有,但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后,才能很好地過量攝取磷,從而達(dá)到生物除磷的目的。另一方面,厭氧時(shí)間過長(zhǎng),將導(dǎo)致廢水在整個(gè)反應(yīng)器中的停留時(shí)間過長(zhǎng),很不經(jīng)濟(jì)。因此,依據(jù)試驗(yàn)曲線,確定厭氧段所需時(shí)間為3h.

  為確定合適的好氧時(shí)間段,也將3h厭氧后的好氧段時(shí)間延長(zhǎng)至17h,并測(cè)定了相應(yīng)TP和各種形態(tài)氮濃度的變化曲線(見圖3、4)。

  由圖3可見,好氧聚磷在好氧開始后2h內(nèi)已近完成,但為保證硝化,筆者將好氧時(shí)間定為6h.由圖4知,在6h后的NH+4-N<1mg/L,硝化基本完成,此時(shí)總氮的去除率達(dá)56.6%.

  3.2 進(jìn)水COD負(fù)荷

  試驗(yàn)中,采用4種COD進(jìn)水負(fù)荷考察COD、TP的變化規(guī)律(見圖5、6)。

  由圖5可知,軟性填料序批式生物膜法可承受較高的COD負(fù)荷,且在厭氧段有較高的COD吸收速率。在進(jìn)水負(fù)荷為1.32kgCOD/(m3·d)(相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為496.8mg/L)時(shí),厭氧段COD吸收值為212.5mg/L;而進(jìn)水負(fù)荷為1 kgCOD/(m3·d)(相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為375.0mg/L)時(shí),吸收值為203.1mg/L,這說明在進(jìn)水負(fù)荷為1kgCOD/(m3·d)時(shí),厭氧段COD吸收值已趨于極大值,并表明了不是所有的有機(jī)物都可以作為細(xì)胞的合成物質(zhì)的。所以,筆者確定該工藝適宜進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27~1.32kgCOD/(m3·d)。

  由圖6可知,COD負(fù)荷越高,磷釋放速率、磷吸收速率也就越快,出水的TP濃度也就越低。無(wú)論是低負(fù)荷[0.27kgCOD/(m3·d)]還是高負(fù)荷[1.32kg COD/(m3·d)],該工藝均可使出水TP濃度低于1mg/L.同時(shí),以上試驗(yàn)也說明了磷釋放所能達(dá)到的最大值與有機(jī)物的最大被吸收量有關(guān),磷釋放量隨有機(jī)物吸收量的增加而增加。

  3.3 基質(zhì)的影響

  試驗(yàn)比較了在相同進(jìn)水COD負(fù)荷[1kgCOD/(m3·d)]時(shí),分別以蛋白胨、葡萄糖、乙酸為基質(zhì)的TP變化情況(見圖7)。

  由圖7可見,磷的釋放和吸收與基質(zhì)有關(guān)。以蛋白胨為基質(zhì)的放磷均速為1.37mg/(L·h),而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)時(shí)的1.8倍,以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以 葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的1.4倍。這是由于乙酸容易被除磷菌吸收,用以合成PHB,同時(shí)分解的聚磷酸鹽也多,釋放磷量大,放磷速度就快;相反,蛋白胨的分子較大,在厭氧段酵解時(shí)速度較慢,許多中間代謝產(chǎn)物(有機(jī)酸、醇類、醛類等)不易被除磷菌吸收用以合成PHB,因而其體 內(nèi)聚磷酸鹽的分解就慢,故放磷速度就慢,而葡萄糖的代謝產(chǎn)物卻較有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厭氧放磷速度不同引起的,厭氧段放磷速度快,磷釋放量大,合成的PHB就多,那么在好氧段時(shí)由于分解PHB而合成聚磷酸鹽的速度就快,所以表現(xiàn)出來的好氧吸磷速度也就快。

  以上分析可推知,生物除磷與基質(zhì)有關(guān),實(shí)質(zhì)上是與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機(jī)物(COD)濃度有關(guān)。

  3.4 硝態(tài)氮(NO-X)的影響

  試驗(yàn)中實(shí)行半池出水、半池進(jìn)水,使上一周期中產(chǎn)生的硝化液與新進(jìn)原水混合,混合后NO-X濃度為13.42mg/L,COD濃度為268.46mg/L,TP濃度為4.81 mg/L.此時(shí)的厭 氧變成了缺氧,除磷菌可從NO-X中獲取氧來進(jìn)行缺氧吸磷。因此在缺氧段,在進(jìn)行反硝化的同時(shí),仍可繼續(xù)吸磷(見圖8)。

  缺氧開始后3 h內(nèi)吸磷均速為0.70mg/(L·h),約為好氧吸磷均速的1/6,這是由于無(wú)氧呼吸的代謝速率和產(chǎn)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧呼吸。由此可看出,該工藝如果再加上缺氧段進(jìn)行反硝化 ,控制合適的C/N比,則可望實(shí)現(xiàn)軟性纖維載體淹沒式生物膜法同步除磷脫氮。

  3.5 DNP(2,4-二硝基苯酚)的影響

  原水COD平均為370.0mg/L,TP平均為10.0 mg/L.做投加DNP和不投加DNP試驗(yàn)。DNP投加量為20.0 mg/L,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

  由圖9可見,投加DNP后厭氧段的放磷量比不投加時(shí)增加了,而好氧段卻沒有磷的吸收。因此,DNP對(duì)厭氧放磷是有利的,而對(duì)好氧吸磷卻有抑制作用。這是因?yàn)镈NP是一種解偶聯(lián)試劑,它對(duì)氧化呼吸鏈以外的磷酸化無(wú)抑制作用,只破壞利用O2或NO-X而進(jìn)行的呼吸過程,從而抑制由電子傳遞而發(fā)生的ATP的形成。在厭氧段聚磷酸鹽的分解代謝中ATP的產(chǎn)生是由于底物水平磷酸化,DNP對(duì)其無(wú)抑制作用,故有PO3-4的釋放和PHB的合成;而在好氧段時(shí),在有氧的條件下PHB將分解,并通過呼吸作用進(jìn)行電子傳遞而產(chǎn)生能量,但由于DNP的存在,破壞了ATP的生成,所以  PO3-4不能與ADP結(jié)合產(chǎn)生ATP,也就產(chǎn)生不了聚磷酸鹽,廢水中的PO3-4不能被吸收,也就得不到去除。

  以上試驗(yàn)結(jié)果說明,序批式生物膜除磷反應(yīng)器中磷的去除是生物作用的結(jié)果。

  4、結(jié)論

 、傺蜎]序批式生物膜法除磷工藝是行之有效的。該工藝除磷所適合的載體裝填密度為30%,水力停留時(shí)間為9 h(其中厭氧3 h、好氧6 h)。在上述工藝參數(shù)下,進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27kgCOD/(m3·d)~1.32kgCOD/(m3·d)時(shí)均可使除磷率達(dá)90%以上。COD負(fù)荷越高,除磷速率越快。

  ②生物除磷與基質(zhì)類型有關(guān),以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以葡萄糖為基質(zhì)的1.4倍,而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)的1.8倍。生物除磷取決于厭氧放磷量,而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機(jī)物的含量。

  ③該工藝可同時(shí)去除56%左右的總氮,NO-X可影響磷的釋放。在缺氧段仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生物吸磷,只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低,約為其1/6.因此,該工藝加缺氧段,控制合適的C/N,可望實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。

 、蹹NP可抑制好氧吸磷,這說明該工藝除磷是生物除磷作用的結(jié)果。

  參考文獻(xiàn):

  [1]BaoZhen Wang,Jun Li.Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System[J].Water Res,1998,32(9):2633-2638.

延伸閱讀:淹沒序 批式 生物膜法
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