誘導結晶對反硝化除磷的強化作用

顧 倩 呂錫武 史 靜 李 潔

(1東南大學能源與環境學院,南京 210096)(2無錫太湖水環境工程研究中心,無錫 214000)

生物除磷是相對經濟、效果較好的除磷技術[1],但是原水中碳源不足是生物除磷的主要障礙之一,同時生物方法是通過排出的富磷剩余污泥來除磷,不僅造成二次污染,也是對磷資源的浪費．近年來,將化學與生物方法相結合的除磷工藝已成為研究熱點[2-5],利用化學除磷不僅減輕了除磷脫氮過程中由于碳源短缺而造成的生物除磷負擔,又能達到回收磷的作用,實現資源化利用[6-7]．

本文將雙污泥反硝化除磷工藝與誘導結晶工藝相結合．在雙污泥工藝中,反硝化聚磷菌利用硝態氮作為最終電子受體進行反硝化聚磷,為了使硝化菌和聚磷菌有良好的生長環境，將其在2個獨立的反應器中培養[8]．羥基磷酸鈣誘導結晶技術是基于誘導成核的原理,將投加礦物粒子作為晶種，加快晶體成核速度,促進羥基磷酸鈣在晶種表面結晶,得到純度高且易于分離的結晶產物,直接用于工業生產[9-10].將2種工藝有機結合可取得提高除磷脫氮效率和有效回收磷資源的雙重效益.

本文利用SBR雙污泥-誘導結晶工藝,重點研究加藥量對誘導結晶磷回收量的影響、誘導結晶回收量對雙污泥生物除磷系統的強化作用及其影響程度．

1 試驗材料與方法

1.1 工藝流程

SBR雙污泥-誘導結晶工藝(A2N-IC SBR)的流程見圖1．本研究中雙污泥工藝由厭氧/缺氧間歇反應器(anaerobic/anoxic SBR,A2SBR)與硝化間歇反應器(nitrification SBR,N SBR)構成,在A2SBR中設置后置曝氣裝置,2個SBR生物反應器由有機玻璃制成,有效容積均為10 L,容積交換比為65%，即2個SBR互相交換的水占反應器有效容積的體積分數為65%.在A2SBR中設有攪拌器和曝氣頭,在N SBR中設有曝氣頭.誘導結晶間歇式反應器(induced crystallization SBR,IC SBR)由有機玻璃制成,有效容積為1.3L,設有均勻布氣裝置和連續加藥裝置．

圖1 SBR誘導結晶-雙污泥除磷脫氮工藝流程圖

1.2 接種污泥和試驗用水

雙污泥SBR系統的活性污泥取自500L/d的連續流雙污泥-誘導結晶除磷脫氮中試裝置,雙污泥分別表現出良好的反硝化聚磷和硝化功能．進水采用人工配水,投加乙酸鈉、脲素、磷酸二氫鉀和碳酸氫銨等,碳磷質量比控制在30左右,進水中COD,TP,NH3-N和TN質量濃度分別為250,8,45和50mg/L．誘導結晶單元選擇經過預處理后的100～150目的方解石作為晶種[11],投加量為40g,將氯化鈣作為沉淀劑,考慮到自來水中含有Ca2+,Mg2+等離子,所以沉淀劑采用超純水配置,進藥量和進水量體積比為1∶10．

1.3 水質指標與分析方法

水質指標按照國家環?？偩诸C布的標準分析方法測定,監測指標和檢測方法見表1．

表1 監測指標與檢測方法

1.4 試驗方法和檢測方法

1.4.1 進藥量對磷回收量的影響

1.4.2 結晶磷回收量對反硝化除磷的強化作用

通過改變加藥量來提高結晶磷回收量,從厭氧釋磷量、聚磷量與釋磷量之比和反硝化聚磷等方面考察提高結晶磷回收量對雙污泥生物系統的強化作用．

表2 A2N-IC SBR試驗條件

2 實驗結果與分析

2.1 加藥量對磷回收量的影響

由于采用加藥量與進水量的體積比為1∶10,即出水體積與進水體積不同,所以推導結晶柱內回收率公式為

(1)

整理得

(2)

式中,R為磷結晶率;Cin,Cout為進水和出水的磷濃度;Vin為進水體積．

圖2 不同對磷結晶回收率的影響

2.2 結晶回收磷對雙污泥反硝化除磷的強化作用

根據工藝流程可知,提高結晶磷回收率會降低反硝化聚磷段進水磷負荷,聚磷反應能否正常進行又會影響到下一周期的厭氧釋磷反應,故需要考察提高結晶磷回收率對厭氧釋磷的影響．由試驗結果可知,30個周期平均釋磷量分別為13.32,13.89,12.98,13.24mg/L,可見厭氧釋磷量并沒有隨著結晶磷回收率的大幅提高而有明顯變化,說明提高磷的結晶量并不會對厭氧釋磷效果有較大的影響.這是由于生物反應器內MLSS變化不大,聚磷菌的數量變化很小,且進水碳磷比較穩定,因此厭氧釋磷量也變化不大．

生物聚磷量和釋磷量之比的計算式為

(3)

式中,θ為聚磷量與釋磷量之比;N為聚磷量;M為釋磷量;QT,QAn,QA,QIC分別為進水磷含量、厭氧釋磷量、反硝化聚磷量和結晶磷回收量．

在本試驗中,釋磷量與結晶磷回收率關系不大,而隨著結晶回收率的提高,聚磷量與釋磷量之比從1.51降至1.24,比值越接近1表明生物除磷作用越小[17],這是由于厭氧釋磷后環境中的一部分磷通過化學方法得以去除,減輕了反硝化聚磷的負擔,從而在進水碳磷比較低的水平下保證了出水水質.另一方面通過誘導結晶工藝得到了磷結晶產物,宏觀上強化了整套工藝的除磷效能．圖3為4種加藥量下結晶磷回收量對聚磷量與釋磷量之比的影響.

圖3 結晶磷回收量對聚磷量與釋磷量之比的影響

圖4(b)比較了4種工況下,在反應時間段0～15,15～30,30～60,60～90min中缺氧段的比聚磷速率隨時間的變化,利用下式計算比聚磷速率:

(4)

式中,ν為比聚磷速率;Δρ為比濃度差;Δτ為反應時間．

在反應時間0～15min時間段內,結晶回收量越多比聚磷速率越低.分析認為,缺氧段進水磷濃度越高,則磷在外界與微生物體內的濃度梯度越大,越有利于微生物進行反硝化聚磷反應．在反應時間15～30min時間段內,4種反應速率接近,但鈣磷摩爾比為3∶1的反應速率高于其他工況,這是由于硝氮的濃度較高,加快了反硝化比聚磷速率．反應前期比聚磷速率明顯高于反應后期,反硝化聚磷反應主要在反應前30min完成,反應至30min之后,比聚磷速率均趨于0,反硝化聚磷反應基本停止．

圖4 提高結晶磷回收量對反硝化聚磷的影響

3 結論

3) 在反硝化聚磷反應前期,磷結晶回收量越大,反硝化比聚磷速率越小,隨著環境中磷濃度的降低,比聚磷速率減小,30min后4種工況下聚磷反應均趨于停止．因此,在保證缺氧段適當反應時間的前提下,誘導結晶回收磷并不會對雙污泥反硝化除磷產生負面影響．

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