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优化CAST工艺处理我国北方地区冬季工业污水

2021-08-13 16:01:16| 来源:| 编辑:| 点击:2次

优化CAST工艺处理我国北方地区冬季工业污水

水污染是我国一个突出的环境问题,不仅威胁饮用水安全,也影响经济可持续发展。水污染一个重要来源是污水处理厂排放不达标的水,因此提高污水厂水处理效果,保证出水水质,对于降低水污染至关重要。活性污泥处理是目前常用的污水处理技术。作为活性污泥处理工艺的一种,循环式活性污泥法(CAST工艺),由于能同时去除有机物、脱氮和除磷的功能,相对于其他同步脱氮除磷工艺具有流程简单、运行周期短、运行方式灵活多变、不易产生污泥膨胀等优点,而且投资及运行费用低,因而已广泛应用于我国的污水处理

然而,传统的CAST工艺存在一些不足,如缺少缺氧搅拌,使得脱氮效果不明显[4];与此同时,由于采用固定时间长度的控制方式,不能适应进水水量、水质的变化,从而对污染物的去除效率不稳定,出水水质难以保证[5];此外,在兼具生物脱氮功能的系统内,生物除磷只能在厌氧、缺氧、好氧环境下才可发生。因此,在CAST工艺在具体应用时需要进一步进行优化。在我国的北方地区,冬季气温较低。低温会导致污泥中微生物数量减少、活性降低、对有机物质分解能力减弱,从而影响污水处理厂对污染物质尤其是含氮污染物质的去除效果。因此,冬季污水处理厂的运行始终是水处理中的一个难题。尽管有一些研究针对冬季的CAST工艺进行了优化,然后这些多为实验室研究,很少涉及到实际规模的CAST工艺,因此,也需要进一步研究。

本研究以北京某污水处理厂实际规模CAST工艺为对象,对其原有工艺进行优化,研究其在冬季(12月份)的水处理效果,以期为CAST工艺在我国北方地区的冬季应用提供一些参考经验。

1CAST工艺及其优化

1.1原有工艺

该污水厂的共有4座CAST反应池,单池规模为55m×25m×5m,实验期间处理水量50kt/d。CAST工艺的1个运行周期包括4个阶段,进水、曝气、沉淀、排水及闲置。采用4h周期的运行模式,即每周期进水1h,非限制性曝气(边进水边曝气)1h,沉淀1h,排水闲置1h,共4h,每天6个周期。污泥回流体积比为20%,回流时间1h。

1.2工艺优化

在前期实验的基础上,于2012年对其原有CAST工艺进行优化,具体如下:

(1)在主反应区引入独立的搅拌。CAST池内设6台液下搅拌器(叶轮直径为370mm,电机功率为1.5kW),其中进水混合段1台,厌氧段3台,好氧段2台,以保证泥水的混合。

(2)改变曝气时间。进水时间1h,0~0.5h边进水边搅拌,0.5h后开始曝气,曝气时间持续1.5h,沉淀1h,排水闲置1h,即相对先前的工艺,其启曝时间延后0.5h,曝气长度缩短0.5h。

(3)改变运行方式。CAST反应池以曝气-非曝气方式交替运行,使活性污泥处于好氧-缺氧-厌氧的周期性变化之中。与此同时,采用分段进水时,将进水集中在缺氧段。

(4)延长回流时间。设2台潜水污泥回流泵,单泵性能参数为:qV=170m3/h,H=2.5m,污泥回流时间1.5h,相对优化前延长0.5h。

1.3水质及分析方法

该污水处理厂主要处理的是工业废水,COD为267.0~1408mg/L,pH为6.70~7.00,SS、NH4+-N、TN、TP的质量浓度分别为90~1330、29.60~41.00、39.80~71.30、3.38~14.00mg/L。

水质分析测试主要是按照文献[9]中的标准方法进行:COD用重铬酸钾法,NH4+-N含量用纳氏试剂分光光度法,TN含量用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法,TP含量用钼酸铵分光光度法,SS含量用称量法,pH和DO含量的监测采用WTW340i多功能在线测定仪。

2结果与讨论

2.1有机物的去除效果

CAST工艺优化前后的COD去除效果见图1。

从图1可以看出,优化前后进水的COD差异不明显(除12月3日外),出水中COD在优化前后差异也不显著,由此表明,CAST工艺优化对COD的去除影响不明显。优化前后的COD平均去除率分别为90.81%和92.72%,在大部分的时间没有明显的差异,这表明优化前后CAST工艺对有机物的去除均达到较高的水平。从图1也可以看出,CAST工艺优化后,进水的COD波动较大,变幅为267~1408mg/L,平均为439.3mg/L,但出水COD均维持在较低的水平(13.2~54.6mg/L,平均29.55mg/L),表明优化后的CAST优化更加稳定。

2.2NH4+-N和TN去除效果

相关研究表明,温度在对冬季NH4+-N的去除产生重要影响[10]。本研究水厂的CAST工艺在夏季对NH4+-N的去除率达到90%以上,冬季NH4+-N进出水含量及去除效果见图2。

从图2可以看出,NH4+-N的去除率在60.69%~79.25%,平均为71.83%,去除率明显下降。同时也发现,优化前,出水中NH4+-N的质量浓度为6.56~13.78mg/L,平均9.48mg/L,在31d的实验期间,仅有3d达到GB18918-2002排放一级B要求[11]。表明优化前的CAST工艺在冬季对NH4+-N去除效果不明显。而在CAST工艺优化后,出水中NH4+-N的质量浓度为1.73~7.71mg/L,平均4.86mg/L,全部达到GB18918-2002一级B要求,去除率为79.78~95.30%,平均87.05%,相比优化前,提高了15.22个百分点。由此可见,优化后CAST工艺在冬季也能有效的去除NH4+-N,提高了出水水质,降低了温度对水处理结果的影响。

与NH4+-N一样,优化后的CAST也提高了TN的去除,见图3。

从图3可以看出,TN在CAST工艺优化前后进水中的平均质量浓度分别为57.09和50.94mg/L,而出水中的质量浓度则分别为26.12和16.25mg/L。可见未优化前,出水平均TN含量没有达到GB18918-2002排放一级B要求,而优化后达标。从去除率来看,CAST工艺优化后TN去除率为67.89%,比优化前(54.25%)提了13.65个百分点。尽管CAST工艺优化之后,并没有极大的降低出水中的TN及提高其去除率,然而和优化前相比,优化后来出水中的TN含量达到了GB18918-2002排放一级B要求,表明CAST工艺优化后在TN的去除上仍取得重要成效,提高了出水水质。

由此可见,CAST工艺优化后有效地去除了污水中的氮。通常,污水中氮的去除主要靠微生物脱氮作用,由硝化和反硝化2个生化过程完成,即废水先在好氧条件下进行硝化,使含氮有机物被细菌分解成氨,氨进一步转化为硝态氮,然后在缺氧条件下进行反硝化,硝态氮还原为氮气溢出,从而达到去除氮的目的[12]。在传统的CAST工艺中,冬季氮去除率低的一个重要原因是由于温度低,微生物活性也低,进而降低了反硝化速率[13]。通常的解决办法是在低水温时提高污泥含量从而增加微生物量,同时加大曝气量,降低污泥负荷,减少排泥时间、控制曝气池内混合液污泥含量。

本研究中,在工艺中增加搅拌器,有效提高了污泥含量,即相当于增加了参与反硝化的微生物含量,因而提高了微生物活性,解决了CAST工艺脱氮受限问题,通过反硝化去除上一周期残留的硝态氮,使出水TN含量降低。与此同时,改变了CAST工艺运行方式,采用分段进水时,将进水集中在缺氧段,使原水中的有机物大多能够被当作反硝化的碳源消耗掉,在好氧段仅降解少部分有机物,之后主要进行硝化反应,由此能节省部分曝气量,并且提高系统的TN去除率。此外,在CAST工艺优化过程中,延长了回流时间,可使原水中的碳源得到充分利用,系统反硝化作用得到加强,从而提高氮的去除。

2.3TP去除效果

CAST工艺优化前后的TP去除效果见图4。

从图4可以看出,优化前,进水TP的质量浓度平均为6.48mg/L(4.62~8.50mg/L),出水为1.86mg/L(0.73~3.20mg/L),平均去除率为71.19%(变化在51.02%~84.20%);优化后,进水TP的质量浓度平均为7.33mg/L(3.38~14mg/L),出水0.91mg/L(0.23~2.69mg/L),平均去除率87.22%(71.95%~95.34%)。对照GB18918-2002可以发现,优化前大部分(65%)未达一级B标准,而优化后,除了31日外,全部达一级B标准。优化后,TP去除率也提高了16.03个百分点。因此,CAST工艺优化之后有效提高TP的去除效果。

磷的去除主要是依靠聚磷菌在厌氧条件下放磷,在好氧条件下过度吸磷[14]。根据反硝化除磷原理,聚磷菌在厌氧时利用体内多聚磷酸盐(P-P)分解产能,摄取水中易降解有机物在体内形成聚β羟基丁酸盐(PHB),并释放磷;在缺氧或好氧时利用所贮存的PHB产生能量以形成糖元、维持生存和细胞的生长繁殖,并过量吸磷。

本研究中,CAST工艺优化后显著提高了TP的去除率,主要原因有以下几点。首先,CAST反应池以曝气-非曝气方式交替运行,可以使活性污泥处于好氧-缺氧-厌氧的周期性变化之中,有利于聚磷菌生长繁殖;其次,缩短曝气时间使有机负荷率F/M增加,从而使污泥龄(SRT)缩短,较短的污泥龄有利于聚磷菌生长,促进磷的去除;再次,增加了缺氧搅拌阶段,提高了系统的反硝化性能,降低了回流液中的硝态氮的含量,减少了反硝化过程所需的有机碳源量,为聚磷菌在厌氧释磷过程中提供更多的碳源,厌氧释磷得到保障,PHB合成量也会增加,在随后的好氧吸磷过程中,聚磷菌的吸磷能力得到增强[16]。此外,采用分段进水时,属于间歇进水方式。相对于连续进水,间歇式进水提供的厌氧停留时间更长,厌氧释磷更彻底,TP去除率越高。由此可见除磷得到增强,降低了出水中的TP含量。

3结论

在主反应区引入独立的搅拌,一方面,有效提高了参与反硝化的微生物含量,解决CAST工艺脱氮受限问题;另一方面,提高了系统的反硝化性能,因此降低了回流液中的硝态氮的含量,由此减少了反硝化过程所需的有机碳源量,为聚磷菌在厌氧释磷过程中提供更多的碳源,厌氧释磷得到保障,PHB合成量也会增加,在随后的好氧吸磷过程中,聚磷菌的吸磷能力就会增强,从而提高除磷。

延长了回流时间,可使原水中的碳源得到充分利用,系统反硝化效果得到加强,从面提高氮的去除。

曝气长度缩短0.5h,使F/M增加,进而缩短SRT,有利于聚磷菌生长,促进磷的去除。

采用分段进水时,既提高了系统的TN去除率,又延长厌氧停留时间,厌氧释磷更彻底,TP去除率越高。

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