低溶解氧丝状菌污泥微膨胀状态的稳定性在A/O工艺中的试验验证

中国环境学会  2011年 03月31日


  郝坤 高春娣 武联菊 王丽  (北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124)


  摘要:采用实际生活污水,研究了低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在A/O系统中的启动、维持及状态可控性,并考察了该过程中系统对污染物的去除效果。结果表明,在正常负荷(F/M=0.24 kgCOD/(kgMLSS·d) )下,当DO=0.3~0.4mg/L时,系统SVI可以稳定在150~300mL/g之间,丝状菌污泥微膨胀状态可长期稳定维持,并具有高度的可控性。与高溶解氧条件下相比,污泥微膨胀期间,COD和总氮去除率有所升高,分别为85%和69%,氨氮基本完全硝化。由于丝状菌网捕作用,出水SS明显减少,且随着SVI的升高降低,当SVI>240mL/g后,SS基本检测不出。A/O系统实现并维持低溶解氧丝状菌微膨胀期间,节约曝气量约42%。
  关键词:低溶解氧;丝状菌污泥微膨胀;状态可控性;曝气能耗


  The State Stability of Limited Filamentous Bulking Under Low Dissolved Oxygen :Experimental Validation in A/O Process
  HAO Kun, GAO Chundi, Wu Lianju, WANG Li
  (College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing,100124)
  Abstract: The starting, sustaining and state controllability of limited filamentous bulking with low DO and removal efficiencies of pollutants in this process were investigated base on a lab-scale A/O reactor with real domestic wastewater as the influent. The results demonstrated that SVI values could be maintained at 150-300 mg/L with the normal organic loading (F/M=0.24 kgCOD/(kgMLSS·d) when the DO was between 0.3-0.4mg/L. Also, the state could be sustained stablely for long and have good controllability. Compared with the system under high DO, the removal efficiencies of COD and total nitrogen were improved during the period of limited filamentous bulking, and the value were 85% and 69%, respectively. Simultaneously, ammonia was removed completely. Besides, SS in the effluent would decrease with increasing SVI, and it was almost negligible when SVI was above 240mL/g. Aeration consumptions would be decreased by 17 % during the period of limited filamentous bulking.
  Key Words:low dissolved oxygen;limited filamentous sludge bulking;state controllability;aeration consumption[1]
  污泥膨胀是活性污泥工艺中常见问题,而在发生污泥膨胀的污水处理厂,约有 90%以上属于丝状菌性污泥膨胀。[1,2]彭永臻根据实际污水处理厂运行情况,首次提出一种既节约能耗又能改善污水处理效果(或不影响出水水质)的污水处理新方法——低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法,并对污泥微膨胀节能方法的发现、提出以及理论基础进行了阐述和分析。已有研究者对该理论的正确性及合理性进行了大量研究[3,4]。但在污水处理厂实际运行中,污泥膨胀是一个非常复杂并难以控制的问题,活性污泥系统一旦发生污泥膨胀现象,将直接导致污泥沉降性能下降,污水处理效果恶化。针对这一问题,本研究采用A/O工艺,以实际生活污水为研究对象,在低溶解氧条件下研究污泥微膨胀的启动条件,重点研究低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在A/O系统中的维持及系统处理效果恶化后的控制措施,并考察该过程中系统对污染物的去除效果,为低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法在生产实践中的广泛应用提供理论支持。


  1 试验装置与方法


  1.1 试验装置
  采用A/O工艺,试验装置如图1所示.。反应器最大工作体积为60L ,试验期间分6 个格室运行,反应器第一格室为硝化回流液脱氧区,目的在于消除硝化回流液所携带溶解氧对缺氧区反硝化的抑制作用。缺氧区和好氧区体积比为1:3,二沉池有效体积为20.5L ,采用中心管进水,周边溢流出水。好氧区DO浓度通过气体流量计控制。曝气池内混合悬浮固体浓度(MLSS) 维持在2000~3500 mg/L之间,平均温度为23±1℃,硝化液回流比150 % ,污泥回流比100 %.
  1.2原水来源及水质
  本试验采用实际生活污水,从北京某居民小区化粪池引入储水箱,进水水质如表1所示。
  Table 1 Wastewater characteristic

  项目

 

pH

COD

/mg·L-1

NH4+-N

/ mg·L-1

NO3--N

/ mg·L-1

NO2--N

/ mg·L-1

PO43--P

/ mg·L-1

范围

7.07.8

160280

5878

0.131.1

0.040.24

4.06.8

  1.3 分析项目及方法
  COD、PO43--P、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、MLSS、SS、SVI均采用国家规定的标准方法测定,TN含量用multi N/C 3000分析仪(Analytik Jena AG)测定。DO采用 WTW 溶解氧测定仪(Multi 340i 型)测定。使用OLYMPUS2BX51显微镜进行常规生物学分析。


  2 结果与讨论


  2.1 低溶解氧丝状菌污泥微膨胀的启动、维持及恶化后的控制措施
  2.1.1 反应器内生物相分析
  根据污泥沉降性能的变化特征,可将本试验过程分为四个阶段。对污泥指数(SVI)和出水悬浮物(SS)的测定结果如图2,对A/O系统微生物镜检分析如图3

  第Ⅰ阶段:在DO=2.0±0.2mg/L、有机负荷为0.24 kgCOD/(kgMLSS·d)条件下,SVI基本维持在100mL/g以下。镜检可以看出污泥絮体内基本没有丝状菌,菌胶团比较松散、脆弱。
  第Ⅱ阶段:在DO=0.3~0.4mg/L、有机负荷为0.24 kgCOD/(kgMLSS·d)条件下,SVI逐渐升至200mL/g以上,在系统稳定后基本维持在220~270mL/g之间,镜检可以看出丝状菌大量繁殖,已从菌胶团中伸出,菌胶团结构松散。此时由于丝状菌的大量繁殖在一定程度上影响了活性污泥的沉降性能,二沉池泥位明显上升,但并未出现污泥流失现象,且出水清澈,几乎没有肉眼可见的悬浮物。此时系统状态稳定,因此判定系统发生低溶解氧丝状菌污泥微膨胀。
  第Ⅲ阶段:在DO=0.15~0.25mg/L、有机负荷为0.24 kgCOD/(kgMLSS·d)条件下,SVI迅速升至300mL/g以上,并有继续上升的趋势,镜检可以看出丝状菌已经成为主要种群,菌胶团结构极为松散。且第102d时二沉池开始出现污泥流失现象,因此判定系统发生恶性丝状菌污泥膨胀。
  第Ⅳ阶段:在DO=0.3~0.4mg/L、有机负荷为0.24 kgCOD/(kgMLSS·d)条件下,通过调节系统溶解氧及其他运行参数,SVI逐渐降至280mL/g以下并保持稳定,二沉池泥位下降,没有再出现污泥流失现象,镜检分析基本与第Ⅱ阶段相同。系统恢复至第Ⅳ阶段的污泥微膨胀状态。
  2.1.2微膨胀的启动及维持
  第Ⅱ阶段,系统DO突然降低至0.3~0.4mg/L,系统发生低溶解氧丝状菌污泥微膨胀,并长期维持。虽然有相关研究称系统SVI维持在80~120mL/g时,污泥沉降性最佳[5],但在此期间SVI的升高并没导致系统污染物处理效果恶化及二沉池出现污泥流失现象,A/O系统在此条件下稳定运行。根据骨架理论[6],污泥絮体是由丝状菌作为絮体的骨架,菌胶团细菌等微生物产生的多聚糖附着在上面,形成了凝聚胶基质架,胶体物质和其他微生物附着在其上生长。活性污泥中适当数量的丝状菌对于维持污泥的絮体结构起着非常重要的作用,因此在保证污泥不流失及系统稳定运行的条件下,不必要求最佳的污泥沉降性,可以适当提高丝状菌在活性污泥中所占的比例。
  2.1.3 微膨胀状态的破坏与恢复
  为了考察系统低溶解氧丝状菌污泥微膨胀的可控性,在第Ⅲ阶段试验中将DO降至0.15~0.25mg/L,SVI迅速升至300mL/g以上,并有继续上升趋势,此时二沉池出现污泥流失现象,系统出水逐渐恶化,笔者判定低溶解氧丝状菌污泥微膨胀已经演变为恶性丝状菌污泥膨胀。为了防止系统继续恶化以至不可控,在试验第Ⅳ阶段,立即将系统DO调至0.3~0.4mg/L,并调节其他运行参数,4d后SVI降至268mL/g,此后维持在300mL/g以下,二沉池没有再出现污泥流失现象,低溶解氧丝状菌污泥微膨胀状态基本恢复。第Ⅲ阶段试验总共持续10d,而在溶氧调至正常水平(0.3~0.4mg/L)4d后,系统迅速恢复至污泥微膨胀状态,并继续稳定维持,证明了低溶解氧污泥微膨胀具有高度可控性;在SVI维持在150~300mg/L之间时,A/O系统能稳定运行,说明低溶解氧丝状菌污泥微膨胀是界于正常活性污泥及恶性丝状菌污泥膨胀状态之间的一个独立稳定的状态。
  2.1.4 微膨胀运行下的节能效果
  为了考察微膨胀运行下的节能效果,在各阶段试验中,每天记录曝气量值。A/O反应器中采用气体流量计控制曝气量。其中第Ⅱ、Ⅳ阶段试验控制DO在0.3~0.4mg/L之间,平均曝气量为0.28m3/h;第Ⅰ阶段试验控制DO在2.0±0.2mg/L内,平均曝气量为0.48 m3/h,低氧运行能节省约42%的曝气能耗。郭建华等人对已给定的污水处理厂维持不同DO所需要的供气量进行了理论计算,发现低DO下运行可以节省17%的供气量[3]。理论计算所节省的曝气量虽然低于小试中获得的结果,但可以看出微膨胀对对降低污水处理能耗和运行费用有重要意义。


  2.2 溶解氧丝状菌污泥微膨胀对出水SS的影响
  图2给出了各研究阶段A/O系统SVI和SS的变化情况。可以发现,在第Ⅰ阶段试验中,系统SVI维持在75~150mg/L,污泥沉降性能很好,但二沉池出水浑浊,含有较多的细小絮状悬浮物,SS在40~160mg/L之间;在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段试验中,系统SVI维持在150~300mg/L之间(除去出现污泥流失的第54d),出水SS基本在10mg/L以下, 有时用滤纸重量法几乎检测不出。
  在高溶解氧的第Ⅰ阶段试验中,污泥絮体中基本没有或有少量丝状菌,在反应器中曝气装置的剪切力及搅拌桨搅拌的机械冲击作用下,很容易被分裂成细小而零碎的絮体,导致二沉池出水浑浊,SS严重升高。而污泥微膨胀期间,丝状菌的大量生长繁殖,形成了不易破碎的网状结构絮体,其在沉淀过程中对上升的水流起到过滤作用,吸附截留水中的细小絮体和游离细菌,从而使二沉池出水清澈。当系统内丝状菌与菌胶团细菌的比例合适时,虽然污泥沉降性会有所下降,但并不会影响二沉池的泥水分离及系统的稳定运行。


  2.3 溶解氧丝状菌污泥微膨胀期间污染物去除的效果
  图4给出了A/O系统有机负荷为0.24 kgCOD/(kgMLSS·d)时,试验各阶段COD、NH4+-N及TN的变化情况。
  2.3.1 COD的去除效果
  污泥微膨胀状态下,低溶解氧没有影响系统去除COD的效果。相对于第Ⅰ阶段试验(DO=2.0±0.2mg/L),第Ⅱ、Ⅳ阶段(DO=0.3~0.4mg/L)的COD去除率略微升高,分别为80%、85%及87%,这主要是由于系统内大量繁殖的丝状菌具有较强的降解低浓度底物能力。
  2.3.2 氮类污染物的去除效果
  A/O系统降低DO并未引起第Ⅱ、Ⅳ阶段的NH4+-N去除率下降,分别为100%及98%,基本完全硝化;而在第Ⅲ阶段试验中(DO=0.15~0.25mg/L),系统在发生恶性丝状菌污泥膨胀同时硝化效果恶化,NH4+-N去除率为77%。分析认为,本研究所采用的A/O系统好氧停留时间相对较长,在低溶解氧下(DO=0.3~0.4mg/L)系统刚好能完全硝化。然而第Ⅰ阶段的TN去除率要低于第Ⅱ、Ⅳ阶段,分别为55 %、69%及66%.分析原因可能为:(1)本研究所采用的A/O系统在缺氧区前段加置一个脱氧区,其目的在于消除高DO下硝化回流液携带的DO对缺氧区反硝化的抑制作用,但在低DO下基本不存在此抑制作用,此时脱氧区变为内源反硝化区,且只有硝化回流液及回流污泥进入脱氧区,致使污泥浓度远大于系统其它各段,对TN的去除有很大贡献;(2) 低DO下易发生同步硝化反硝化。


  3 结论


  (1)A/O系统中,在正常有机负荷条件(F/M=0.24kgCOD/(kgMLSS·d))下,采用适当的低DO(0.3~0.4mg/L),可以引发丝状菌污泥微膨胀,系统SVI稳定在150~300mL/g之间。
  (2)通过不同运行条件下对低溶解氧丝状菌污泥微膨胀启动、维持、破坏及恢复的试验研究,说明低溶解氧丝状菌污泥微膨胀是可控的、界于正常活性污泥及恶性丝状菌污泥膨胀状态之间的一个独立的稳定状态。
  (3)微膨胀过程中的SVI与二沉池出水SS有着十分密切的关系,随着SVI的升高,二沉池出水SS降低,当SVI>240mL/g后,SS基本检测不出。出水清澈,悬浮物很少。
  (4)污泥微膨胀环境下,COD和总氮去除率有所升高,分别为85%和69%。由于本研究中的A/O系统好氧停留时间相对较长,氨氮去除率并未受影响,基本完全硝化。
  (5)A/O实现并维持低溶解氧丝状菌微膨胀期间,DO控制在0.3~0.4mg/L,相对于正常DO(2.0±0.2mg/L)条件下运行,节约曝气量约42%。


  参考文献:
  [1] 陈滢.生活污水的短程硝化反硝化和污泥膨胀的研究[D].北京:北京工业大学,2004.116-123.
   [2] 彭永臻,郭建华,王淑莹,等.低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法的发现、提出及理论基础[J ] .环境科学,2008 , 29(12) :3342-3347.
  [3] 郭建华,王淑莹,彭永臻,等. 低溶解氧污泥微膨胀节能方法在A/O中的试验验[J].环境科学,2008,12(29)3348-3352.
  [4] 左金龙,彭永臻,姜安玺,彭赵旭,等.低溶氧污泥微膨胀污染物去除性能的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2009,25(3):283-286.
     [5] Jenkins D, Richard M G, Daigger G T. Manual on the causes and control of activated sludge bulking and other solids separation problems [M] .(3rd edition) .London ,UK: IWA Publishing ,2004. 127.
  [6] Sezgin M, Jenkins D, Parker D S.A unified theory of filamentous activated sludge bulking [J]. J Water Pollut Control Fed, 1978, 50(2):362-381
  
   资助项目:北京市教委计划项目 北京市优秀人才培养资助项目
  作者简介:高春娣,(1973-),女,副教授,研究方向为污水生物处理理论与技术E-mail:gaochundi@bjut.edn.cn
   

 
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