如何提高污水中污染物去除效率
發(fā)布日期：2016-12-06 點(diǎn)擊：999
有機(jī)污染物作為城市污水處理廠的主要污染物，一般以COD或BOD來表征. 但是，傳統(tǒng)的COD無法反映水質(zhì)組成的差異. 當(dāng)前，比較公認(rèn)的是國(guó)際水協(xié)系列活性污泥模型(activated sludgemodels，ASMs)對(duì)廢水COD組分的劃分[1, 2, 3, 4]. 這些組分的定量表征也成為ASMs應(yīng)用的必要前提. 其中，快速易生物降解COD組分(Ss)和慢速可生物降解COD組分(Xs)是ASMs中最重要的2種組分，直接與微生物增殖、 氧利用動(dòng)態(tài)特性以及營(yíng)養(yǎng)物的去除有關(guān)[5]. 因此，這2種組分的準(zhǔn)確表征對(duì)于ASMs 的理論研究和應(yīng)用具有十分重要的意義. 易生物降解有機(jī)物(Ss)由揮發(fā)性脂肪酸和低分子碳水化合物等簡(jiǎn)單物質(zhì)組成. 慢速降解有機(jī)物(Xs)包括高分子可溶性、 膠體有機(jī)物質(zhì)、 膠體顆粒性有機(jī)物質(zhì)[6, 7, 8]. 它們必須通過胞外水解作用轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，才可被降解利用。
基于此，本文以西安市某A2/O污水處理廠為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)了原水中碳源的分布情況，并解析了污水廠各處理單元的碳源利用與轉(zhuǎn)化情況. 該污水廠主要接納和處理西安市東南郊、 東郊、 東北郊浐河4568 hm2區(qū)域范圍內(nèi)的生產(chǎn)廢水和生活污水，其中生活污水約占70%，生產(chǎn)廢水約占30%(生產(chǎn)廢水經(jīng)廠內(nèi)處理基本達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)后進(jìn)入城市污水處理系統(tǒng))，與同類城市污水相比，具有典型代表性[9]. 本研究通過1 a的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析，得到了污水處理過程中快慢速生物降解有機(jī)物的變化規(guī)律，以期為污水中污染物去除效率提高提供參考。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器
0.45 μm濾膜(醋酸纖維素膜); 硫酸-硫酸銀溶液、 硫酸亞鐵銨溶液等; ATU試劑; 溶解氧測(cè)定儀; 磁力攪拌器一套; 恒溫水浴箱; Matlab軟件; Agilent 6890N氣相色譜儀(雙檢); PE WAX ETR色譜柱; 色譜小瓶; 甲酸等. 1.2 實(shí)驗(yàn)方法。
(1) OUR測(cè)定 測(cè)定間歇式呼吸速率的方法，分別取生物池的污泥1000 mL于反應(yīng)器內(nèi)，添加ATU試劑，抑制生物硝化過程. 測(cè)定過程中采用恒溫水浴箱對(duì)反應(yīng)器外圍的循環(huán)水溫度控制，從而使反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)在20℃±1℃. 并且采用磷酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH在中性. 在密閉反應(yīng)器中，用曝氣頭充氧氣. 密閉監(jiān)測(cè)時(shí)用磁力攪拌器攪拌，攪拌強(qiáng)度使污泥不發(fā)生沉降即可. 用溶氧儀在線監(jiān)測(cè)DO變化，變化速率為OUR. 當(dāng)溶解氧濃度從6 mg ˙L-1降到2 mg ˙L-1時(shí)開曝氣裝置，溶解氧達(dá)到6 mg ˙L-1時(shí)停止曝氣繼續(xù)監(jiān)測(cè)溶氧變化. 通過Matlab軟件及相關(guān)公式可以算出快速及慢速生物降解有機(jī)物的含量。
(2)Agilent氣相條件 檢測(cè)器為FID檢測(cè)器，色譜柱采用PE WAX ETR毛細(xì)柱. 升溫程序起始于100℃，保留2min，以3℃ ˙min-1的速度升溫至160℃，保留2 min. H2流量為35mL ˙min-1，空氣流量為350 mL ˙min-1，尾吹氣(N2)流量為20 mL ˙min-1，進(jìn)樣量為1 μL。
(3) VFA測(cè)定 將所測(cè)水樣現(xiàn)場(chǎng)固定，用0.45 μm濾膜過濾5 mL，加入甲酸250 μL. 固定后可存放1周. 使用氣相色譜測(cè)定VFA時(shí)，程序運(yùn)行正常后，即可通過自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣，得到不同時(shí)間下水樣中的物質(zhì)的峰，利用標(biāo)線可以得到相對(duì)應(yīng)酸類的濃度。
(4)COD測(cè)定 待測(cè)污水通過0.45 μm的濾膜過濾后，測(cè)定其COD即為溶解態(tài)COD. 顆粒態(tài)COD則是通過污水總COD減去溶解態(tài)COD得到. COD測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法中的回流法。
(5)顆粒態(tài)COD中組分測(cè)定 顆粒態(tài)COD中快速、 慢速和惰性降解物所占比例均是通過測(cè)定原污水及過濾后污水的快速、 慢速和惰性降解物的含量后相減所得。
2 結(jié)果與討論 2.1 污水處理廠原水碳源分析
西安市某A2/O污水處理廠原水中進(jìn)水COD為360 mg ˙L-1±120 mg ˙L-1，如圖 1所示. 其中顆粒態(tài)COD(SCOD)高達(dá)220 mg ˙L-1±85 mg ˙L-1，約占總COD的61%，溶解態(tài)COD(DCOD)為140 mg ˙L-1±40 mg ˙L-1，約占總COD的39%，說明污水處理廠原水中大多數(shù)有機(jī)物以顆粒態(tài)的形式存在. 經(jīng)過1 a的分析監(jiān)測(cè)，原污水的TN、 TP濃度平均在47.73 mg ˙L-1、 4.36 mg ˙L-1，因此可以得出污水中的C/N約為5~8，C/P約為60~85，這一結(jié)果表明污水中的C、 N、 P比例適中，在生物脫氮除磷工藝中碳源充足。
運(yùn)用間歇式呼吸速率法對(duì)污水處理廠原水中有機(jī)物按生物降解性進(jìn)行分類，結(jié)果如圖 2所示.可以看出原水中快速生物降解有機(jī)物濃度相對(duì)較低，濃度為56.78 mg ˙L-1±9.5 mg ˙L-1，占進(jìn)水有機(jī)物的15.8%，慢速可生物降解有機(jī)物是進(jìn)水的主要部分(54.2%)，濃度范圍180.3 mg ˙L-1±35.4 mg ˙L-1，其余部分(約30%)為惰性有機(jī)物。
圖 3為溶解態(tài)COD及顆粒態(tài)COD中不同生物降解性碳源組分分析結(jié)果. 從中看出，溶解態(tài)COD占總COD的38.75%，其中快速降解有機(jī)物占41.76%，慢速降解有機(jī)物占33.31%，惰性有機(jī)物占24.93%. 而顆粒態(tài)COD中快速降解有機(jī)物只有5.32%，說明顆粒態(tài)中快速易生物降解有機(jī)物很少，很可能是少量快速降解有機(jī)物吸附在顆粒表面所致. 顆粒態(tài)中慢速降解有機(jī)物占到55.01%，表明顆粒態(tài)有機(jī)物中絕大多數(shù)為慢速降解有機(jī)物. 另有39.67%比例為惰性有機(jī)物，可以發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)中有相當(dāng)比例有機(jī)物是難于降解的，這些物質(zhì)可能在一級(jí)處理中隨污泥排出一部分，在生物池活性污泥中吸附一部分，出水中惰性難降解有機(jī)物總量減少可以進(jìn)一步解釋這一現(xiàn)象[13]. 快速降解有機(jī)物中82.22%為溶解態(tài)，17.78%為顆粒態(tài); 慢速降解有機(jī)物中有26.28%為溶解態(tài)，73.72%為顆粒態(tài). 總體表明，快速生物降解有機(jī)物絕大部分以溶解態(tài)存在，而慢速生物降解有機(jī)物中大部分以顆粒態(tài)存在。
由以上分析可以看出，該污水處理廠進(jìn)水碳源以慢速生物降解有機(jī)物為主，而慢速生物降解有機(jī)物主要以顆粒態(tài)形式存在，顆粒態(tài)碳源組分高并不利于污水處理廠脫氮除磷過程，這部分碳源必須水解轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物才能被微生物所用，這也是污水處理廠存在的普遍問題. 因此對(duì)于各污水處理廠而言，雖然理論計(jì)算原污水中碳氮比、 碳磷比滿足生物脫氮除磷需求，但因原污水中的懸浮性有機(jī)物較多，在污水處理廠一級(jí)處理單元中導(dǎo)致大量顆粒態(tài)碳源的無效流失，從而加劇了生物處理單元碳源不足的問題，因此對(duì)于原污水中存在高懸浮性顆粒態(tài)碳源的污水處理廠，應(yīng)適當(dāng)弱化前期預(yù)處理單元，減少顆粒態(tài)碳源的流失，并有效利用水中顆粒態(tài)碳源，通過系統(tǒng)合理配置完成該類有機(jī)碳源的轉(zhuǎn)化. 2.2 不同碳源在污水處理工藝中的沿程變化。
快速及慢速生物降解有機(jī)物在污水處理工藝中的沿程變化如圖 4所示，通過初沉池可去除30%的慢速生物降解有機(jī)物，主要原因在于慢速生物降解有機(jī)物中很大一部分以顆粒態(tài)存在，會(huì)隨著懸浮性顆粒在初沉池中沉淀而去除. 快速生物降解有機(jī)物在初沉池中也有所降低，但降低不到10%，這主要是吸附在顆粒態(tài)表面的溶解性物質(zhì)隨顆粒物去除而流失。
兩種碳源在生物池濃度顯著降低，分別降低至32.13 mg ˙L-1和55.76 mg ˙L-1，其主要原因應(yīng)是A2/O生物池大容積的稀釋作用. 慢速生物降解有機(jī)物在厭氧池、 缺氧池及好氧池3個(gè)處理單元中均逐漸降低，3個(gè)處理單元中分別降低12.6、 6.6及12.4 mg ˙L-1. 雖然厭氧池停留時(shí)間較短(2 h)，但其對(duì)慢速生物降解有機(jī)物的去除作用最大，這主要因?yàn)樵紫冗M(jìn)入?yún)捬醭�，大部分慢速生物降解有機(jī)物為顆粒態(tài)物質(zhì)，厭氧環(huán)境有利于顆粒態(tài)物質(zhì)水解為溶解性物質(zhì)[16]. 此后在缺氧池經(jīng)過5.5 h，慢速生物降解有機(jī)物降低至36.6 mg ˙L-1.好氧池末端的慢速生物降解有機(jī)物約為24.18 mg ˙L-1，好氧池去除比例達(dá)到33.9%. 為了進(jìn)一步說明慢速生物降解有機(jī)物在生物反應(yīng)池中的轉(zhuǎn)化情況，取原水中實(shí)際的慢速顆粒態(tài)有機(jī)物為研究對(duì)象，通過模擬實(shí)驗(yàn)于厭氧及好氧兩種條件下分別測(cè)定了慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化情況，結(jié)果如圖 5所示. 在前2 h中，厭氧條件下的慢速生物降解有機(jī)物降解率可達(dá)33%，而好氧條件下的降解率為20%，表明厭氧條件下的確存在慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化. 根據(jù)顆粒態(tài)以及難降解碳源在厭氧池、 缺氧池及好氧池中轉(zhuǎn)化與利用過程，為提高該類有機(jī)物在生物脫氮除磷過程中的利用效率，A2/O工藝厭氧、 缺氧、 好氧處理單元中應(yīng)適當(dāng)增加厭氧、 缺氧所占比例，這兩部分所占總生物處理單元的比例以40%~50%為佳，這也是本研究中的污水處理廠能夠高效脫氮除磷的原因之一. 對(duì)原水與生物池水樣測(cè)定，檢測(cè)到VFA這類快速生物降解有機(jī)物的存在，有別于原水VFA中有機(jī)酸種類及量的變化，如圖 6所示. 從中看出，原水中只有乙酸、 丙酸與丁酸，經(jīng)厭氧池到缺氧池，VFA中酸的種類及含量均發(fā)生變化，出現(xiàn)了丁酸、 戊酸及異戊酸等酸類物質(zhì)，并且乙酸與丙酸的含量在厭氧池均有所升高，厭氧池中VFA總含量也相較于原水有所增加. 這一結(jié)果說明了在生物池中存在慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。
厭氧池聚磷菌釋磷及缺氧區(qū)反硝化過程會(huì)首先利用快速生物降解有機(jī)物[18,19]，而快速生物降解有機(jī)物在厭氧池與缺氧池濃度中僅降低5.9 mg ˙L-1及6.1 mg ˙L-1，缺氧池易生物降解有機(jī)物濃度仍保持在20 mg ˙L-1左右. 這主要是因?yàn)槲⑸镌诶每焖俳到庥袡C(jī)物的同時(shí)，厭氧及缺氧環(huán)境下顆粒態(tài)慢速降解有機(jī)物發(fā)生了如圖 5、 6所示的酸化作用而產(chǎn)生易生物降解有機(jī)物，因此保持易生物降解有機(jī)物在一個(gè)較高濃度. 二沉池的出水中快速及慢速生物降解有機(jī)物分別為3.2 mg ˙L-1及5.5 mg ˙L-1，與好氧池末端相比慢速生物降解有機(jī)物明顯降低，說明顆粒態(tài)慢速生物降解有機(jī)物主要被活性污泥所吸附，在二沉池中沉淀在污泥中，不會(huì)隨出水流出. 2.3 不同碳源的脫氮除磷利用。
綜合污水廠一年來的數(shù)據(jù)分析，得到了不同碳源在沿程中的轉(zhuǎn)化情況如圖 7所示. 原水至初沉池出水的一級(jí)處理中，快速降解有機(jī)物變化不大，慢速生物降解有機(jī)物減少了30%，這主要是由于初沉池的沉淀作用，一部分顆粒態(tài)有機(jī)物上吸附的慢速生物降解有機(jī)物隨著初沉池的排泥作用被去除. 根據(jù)對(duì)該污水處理廠的長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，厭氧池平均釋磷量約為0.45 mg ˙L-1，通過分析計(jì)算釋磷速率，可以得到厭氧池釋磷需要約9 mg ˙L-1COD的碳源[20]. 研究表明，除磷所需碳源一般為優(yōu)質(zhì)碳源，在厭氧池中檢測(cè)到VFA這類脂肪酸的變化，聚磷菌會(huì)優(yōu)先使用VFA用于釋磷過程[21, 22, 23]. 厭氧池中快速及慢速生物降解有機(jī)物分別降低了5.9 mg ˙L-1及12.6 mg ˙L-1，則可以推斷5.9 mg ˙L-1易生物降解有機(jī)物幾乎全部提供給聚磷菌利用，約有3.1 mg ˙L-1慢速生物降解有機(jī)物用于聚磷菌釋磷，其除磷利用率約為24.5%. 同時(shí)，慢速生物降解有機(jī)物中仍會(huì)降低9.5 mg ˙L-1，應(yīng)歸因于其它微生物的生命活動(dòng)及水解所致。
缺氧池總氮濃度約降低3.3 mg ˙L-1，因此該系統(tǒng)反硝化脫氮需要COD為9.44 mg ˙L-1，而該污水處理廠缺氧池有機(jī)物消耗為12.7 mg ˙L-1，說明大部分碳源被反硝化細(xì)菌所利用，這與反硝化細(xì)菌可利用不同碳源進(jìn)行脫氮過程吻合[25,26]. 在好氧池內(nèi)停留8.9 h的過程中，氧化作用最明顯，有機(jī)物消耗多. 好氧池中的快速降解有機(jī)物及由慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化的快速降解有機(jī)物則主要用于氧化作用，慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)33.90%. 從好氧至出水過程中快速降解有機(jī)物變化不大，慢速生物降解有機(jī)物降低，主要原因是沉淀作用明顯. 具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)污水處理廠原水中有機(jī)物主要以慢速生物降解有機(jī)物為主，占進(jìn)水有機(jī)物的54.2%，慢速生物降解有機(jī)物主要以顆粒態(tài)存在，快速生物降解有機(jī)物僅占15.8%，快速生物降解有機(jī)物基本以溶解態(tài)存在.
(2)快速與慢速生物降解有機(jī)物在生物系統(tǒng)中均沿程降低，慢速生物降解有機(jī)物在厭氧池、 缺氧池中分解轉(zhuǎn)化并被利用，其中厭氧池對(duì)慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率最高，而好氧池對(duì)快速生物降解有機(jī)物的去除效果最為明顯，慢速生物降解有機(jī)物在好氧池中主要隨同活性污泥被沉淀去除.
(3)在2 h內(nèi)厭氧池和好氧條件慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化效率分別為33%和20%. 原水中只有乙酸、 丙酸與丁酸，從VFA的種類及含量來看，厭氧池與缺氧池的VFA均高于原水，表明在生物池存在慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象.
(4)對(duì)于原污水中高懸浮性有機(jī)物的污水處理廠而言，應(yīng)適當(dāng)弱化一級(jí)處理單元功能以減少顆粒態(tài)碳源的流失，并在A2/O工藝厭氧、 缺氧、 好氧處理單元中提高厭氧、 缺氧所占比例，強(qiáng)化顆粒態(tài)碳源在厭氧、 缺氧環(huán)境的水解轉(zhuǎn)化，達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮除磷效率與節(jié)能降耗的目的。
