改良型厭氧濾池的水力停留時(shí)間優(yōu)化策略

孫 杰，陳展豐，陳長秋，張 偉，王子峰，李娟紅

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 檢驗(yàn)檢測認(rèn)證學(xué)院，江蘇 常州 213164)

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，農(nóng)村地區(qū)對(duì)村莊的水環(huán)境生態(tài)容量進(jìn)行調(diào)查，并立足于村民居住的微排屋分散、污水設(shè)施不足、污水無序排放的實(shí)際情況，以污水減量化、污水資源化導(dǎo)向鼓勵(lì)開發(fā)適宜的就地污水處理設(shè)施[1-2]。其中厭氧系統(tǒng)具有能耗低、占地面積小、維護(hù)管理便捷、能源化的特點(diǎn)而備受關(guān)注[3-5]。

厭氧濾池(Anaerobic Filter,AF)作為厭氧反應(yīng)器典型代表，其結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。不同于上流式厭氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed,UASB)，膨脹顆粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation,IC)反應(yīng)器設(shè)置復(fù)雜的三相分離器，AF以填料為微生物生長繁殖的載體，增強(qiáng)微生物與污水的接觸將污水中的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能源性沼氣[6]。從工藝設(shè)計(jì)參數(shù)考慮，為保證AF對(duì)污染物去除的效能，在優(yōu)選系統(tǒng)填料基礎(chǔ)上，確定最佳水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time,HRT)是工藝優(yōu)化運(yùn)行控制的關(guān)鍵。

本研究在傳統(tǒng)的AF基礎(chǔ)上改良，以核桃殼作為生物膜載體構(gòu)建改良型厭氧濾池(Modified Anaerobic Filter,MAF)厭氧反應(yīng)器，以實(shí)際生活污水為研究對(duì)象，考察HRT對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效能的影響，并確定優(yōu)化HRT以期為工程設(shè)計(jì)運(yùn)行控制提供必要的支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行設(shè)置

改良型厭氧濾池MAF采用厚度為5mm PVC自行加工制成(見圖1)，內(nèi)徑100mm，高1.0m，其中填料為核桃殼(填充率40%)MAF的有效容積4L。MAF反應(yīng)器采用保溫材料加熱維持溫度35±2℃下運(yùn)行，進(jìn)水桶中的生活污水由蠕動(dòng)泵打入MAF系統(tǒng)底部，經(jīng)過系統(tǒng)的填料區(qū)污水與厭氧微生物強(qiáng)化接觸，在經(jīng)由沉淀區(qū)的出水口排出，后續(xù)可接好氧生態(tài)處理系統(tǒng)。MAF反應(yīng)器在HRT 24h下完成啟動(dòng)，逐步調(diào)整為18h，12h和6h，考察每個(gè)HRT下系統(tǒng)對(duì)COD，SS、TN和TP的去除效能并確定最優(yōu)HRT。

圖1 MAF裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram the MAF system

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

實(shí)驗(yàn)用水為常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院食堂和化糞池混合生活污水，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1。本研究接種的污泥取自常州武南污水處理廠回流污泥和江邊污水處理廠的消化污泥按照1∶2混合，污泥的TSS和VSS分別為12.5g/L和7.2g/L。

表1 MAF系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 The characteristics of the influent of MFA

1.3 分析方法

COD，TN，TP，SS，VSS和TSS采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法分析測定[7]，pH和溫度采用便攜式pH計(jì)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)階段COD的變化

在啟動(dòng)初期階段(圖2)當(dāng)進(jìn)水COD為261～399mg/L波動(dòng),MAF在七天之內(nèi)的COD去除率在57.5%～73.7%之間變化。MAF系統(tǒng)在啟動(dòng)初期對(duì)COD的去除主要通過核桃殼填料污泥的吸附作用。隨著MAF系統(tǒng)運(yùn)行，核桃殼載體上的微生物適應(yīng)周邊環(huán)境并具備調(diào)節(jié)能力，MAF系統(tǒng)在運(yùn)行的第25天開始出水COD濃度維持在70mg/L以下，COD的去除率穩(wěn)定在80%以上。MAF系統(tǒng)通過31天的運(yùn)行完成啟動(dòng)，填料載體上的生物膜具備良好的COD降解能力。

圖2 啟動(dòng)階段MAF系統(tǒng)對(duì)COD去除效能Fig 2 COD removal efficiency of MAF during startup stage

2.2 HRT對(duì)系統(tǒng)COD去除效能影響

圖3 不同HRT對(duì)COD去除效能影響Fig.3 Variations of COD removal with different HRT

如圖3所示，MAF系統(tǒng)完成啟動(dòng)之后，HRT分別調(diào)控在18，12，6h下運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水COD濃度在253～472mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著HRT由18h縮短到12h，MAF系統(tǒng)的進(jìn)水COD容積負(fù)荷由0.46kg/(m3·d)提高到0.70 kg/(m3·d)，出水COD平均濃度由49mg/L上升到68 mg/L，COD平均去除率由85.2%降低到80.5%。繼續(xù)縮短HRT為6h，MAF系統(tǒng)出水COD平均濃度為 103mg/L，COD的平均去除率下降為70.2%。可見適當(dāng)?shù)目s短HRT提高容積負(fù)荷，MAF系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率仍然穩(wěn)定在80%以上。過短的HRT容易對(duì)生物膜造成沖擊，縮短污染物與微生物的有效接觸時(shí)間，降低系統(tǒng)的處理效能[8]。

2.3 HRT對(duì)系統(tǒng)SS的去除效能影響

HRT對(duì)MAF系統(tǒng)SS的去除效能如圖4所示，進(jìn)水SS濃度在82～172mg/L之間波動(dòng)， HRT調(diào)控在18h，MAF對(duì)SS平均去除率在90.3%，當(dāng)HRT縮短到12h，MAF對(duì) SS的去除效果仍然穩(wěn)定，SS平均去除率90.9%。這可能由于HRT調(diào)控在12～18h內(nèi)MAF系統(tǒng)中生物膜與污水強(qiáng)化接觸，核桃殼載體上的生物膜和核桃殼交叉攔截吸附過濾，強(qiáng)化系統(tǒng)的運(yùn)行效能。當(dāng)MAF系統(tǒng)進(jìn)一步的調(diào)控HRT縮短到6h，SS平均去除率下降到83.3%，出水SS平均濃度19.4mg/L。過短的HRT容易沖刷生物膜系統(tǒng)，破壞生物膜和核桃殼載體之間構(gòu)建的網(wǎng)架不利于MAF系統(tǒng)對(duì)SS的吸附攔截。

圖4 不同HRT對(duì)SS去除效能影響Fig.4 Variations of SS removal with different HRT

2.4 HRT對(duì)系統(tǒng)TN和TP的去除效能影響

MAF系統(tǒng)在不同HRT下對(duì)TN的去除效能如圖5所示，HRT由18h調(diào)控到12h，TN的平均去除率由14.8%下降到11.9%，隨著HRT繼續(xù)調(diào)整縮短至6h，TN的平均去除率下降至8.59%。由此可知MAF系統(tǒng)對(duì)TN的去除效能較低，TN的去除率隨著HRT的縮短而呈下降趨勢。污水處理系統(tǒng)對(duì)TN去除途徑一般包括氨化、硝化、反硝化、厭氧氨氧化[9-10]。MAF系統(tǒng)對(duì)TN的去除效能低，可能在于MAF系統(tǒng)主要通過核桃殼載體上微生物同化作用途徑對(duì)氮素轉(zhuǎn)化合成自身所需物質(zhì)。

圖5 不同HRT對(duì)TN去除效能影響Fig.5 Variations of TN removal with different HRT

如圖6所示不同HRT下MAF系統(tǒng)對(duì)TP的去除效能，當(dāng)HRT由18h調(diào)控到12h，TP的平均去除率由18.2%下降到11.6%，隨著HRT繼續(xù)調(diào)整縮短至6h，TP的平均去除率下降至10.3%。結(jié)果表明TP的去除率隨著HRT的縮短呈現(xiàn)下降趨勢，MAF系統(tǒng)中TP去除效能變化趨勢和TN一致。MAF對(duì)TP的去除可能通過核桃殼載體上的微生物吸附和同化兩方面的作用。

圖6 不同HRT對(duì)TP去除效能影響Fig.6 Variations of TP removal with different HRT

3 結(jié)論

在采用MAF反應(yīng)器對(duì)農(nóng)村微排屋生活污水進(jìn)行處理，在HRT為24h下完成系統(tǒng)啟動(dòng)，研究不同HRT下系統(tǒng)COD、SS、TN和TP的去除效能，結(jié)論如下：

(1)MAF在HRT為24h下啟動(dòng)，經(jīng)過31天對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在80%以上。進(jìn)水COD在253～472mg/L范圍內(nèi)，HRT為18，12和6h，COD的平均去除率分別為85.2%，80.5%和70.2%。

(2)MAF系統(tǒng)HRT在18，12和6h工況下，當(dāng)進(jìn)水SS在82～172mg/L，SS的平均去除率分別為90.3%，90.9%和83.3%。

(3)MAF系統(tǒng)HRT分別調(diào)控在18，12和6h，系統(tǒng)對(duì)氮、磷的去除效能隨著HRT的縮短而降低，TN的平均去除率在15%以下，TP的平均去除率在20%以下，MAF系統(tǒng)保留了大量的氮、磷營養(yǎng)鹽，有利于后續(xù)生態(tài)單元對(duì)氮磷的資源化利用。

(4)綜合HRT在18h，12h和6h下MAF對(duì)COD，SS，TN和TP去除效能，優(yōu)選HRT為12h，作為MAF系統(tǒng)在中溫下運(yùn)行的工況參數(shù)，保證系統(tǒng)對(duì)COD去除率在80%以上，SS去除率在90%以上，同時(shí)保留大量的氮磷營養(yǎng)鹽。