厭氧/缺氧/好氧序批式反應器處理養殖尾水的脫氮除磷性能研究

2023-02-27 03:07:54楊名帆石婷宇羅國芝譚洪新劉文暢

漁業現代化 2023年1期

關鍵詞：效果

楊名帆，石婷宇，羅國芝,2,3，譚洪新,2,3，劉文暢,2,3

(1上海海洋大學上海水產養殖工程技術研究中心，上海 201306；2 上海市水產動物良種創制與綠色養殖協同創新中心，上海 201306;3 上海海洋大學水產科學國家級實驗教學示范中心，上海 201306)

目前，國內現階段的污水處理技術主要分為兩大類：生物法和物理化學法[1]。物理化學法分為化學沉淀法[2]、電絮凝法[3]、結晶法[4]、吸附法[5]等。生物法分為微生物法[6]和水生生物法[7]。在日益嚴格的污水排放標準下，生物法和物理化學法相結合的處理方式成為主流。

水產養殖業快速發展，養殖方式逐漸向著集約化工廠化的養殖方式轉變[8]。養殖魚類所產生的排泄物等都會使水體中的氮、磷等逐漸積累，致使水體惡化[9]。

普通的厭氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工藝可以實現污水的同步脫氮除磷效果，并且具有運行方便、成本低、水力停留時間(Hydraulic Retention Time，HRT)短等優點[10]。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

A2/O工藝流程圖如圖1所示。

自制A2/O-SBR反應器有效體積為77 L，共有4個格室。其中：第1個為厭氧格；第2個為缺氧格，缺氧、厭氧格都分別有一根攪拌電機來進行污泥的充分攪拌，控制厭氧格溶氧(Dissolved Oxygen，DO)約為0 mg/L，缺氧格DO約在0.2 mg/L以下；第3、4格為好氧格，在好氧格中，每個分別由2個曝氣盤來提供微生物所需的氧氣，通過氣體流量計控制好氧池的DO在2～5 mg/L[14]。厭氧、缺氧、好氧格室比例為1∶1∶2。在反應器中加入取自上海海洋大學3號門循環水養殖工程研發平臺中的生物絮團替代污水廠處理的厭氧段活性污泥，混合液懸浮固體質量濃度(Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS)為2 000～3 000 mg/L，保持反應器的攪拌電機攪拌速率為80～120 r/min，使得反應器中污泥始終不沉降。整個試驗過程通過蠕動泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)始終保持進水150 mL/min，保持水力停留時間(HRT)為8.8 h，厭氧、缺氧、好氧、沉淀階段分別為2.6、2.6、5.2、1 h，放出上清液，污泥齡控制在15 d。平時通過便攜式多功能參數水質分析儀(Multi 3430，WTW，德國)來控制反應器的pH在7.00～8.00，溫度(T)在25 ℃左右，監測厭氧/缺氧/好氧格的DO在正常范圍內運行，A2/O-SBR反應器流程簡圖如圖2所示。

1 進水；2 原水箱；3 蠕動泵；4 厭氧格；5 缺氧格；6 好氧格；7 電磁攪拌器；8 曝氣頭；9 羅茨鼓風機；10 氣體流量計；11 出水；12 二沉池；13 剩余污泥；14 內回流；15 外回流

1.2 反應器的啟動

利用A2/O-SBR反應器，以硝酸鹽氮為電子受體富集反硝化聚磷菌，分三階段[15]在上海海洋大學水產與生命科學學院室溫24～30℃進行試驗。

第一階段是聚磷菌的活化，取之前試驗剩下的好氧除磷效果的活性污泥接種到新的BFT中，MLSS控制在 2 500 ～3 500 mg/L之間，以每周期約6.5 h，按照進水時間10 min，絮團厭氧釋磷時間為2.6 h，好氧聚磷時間為2.6 h，沉淀池加上排水時間為40 min方式啟動運行反應器，每天運行3周期，這個階段污泥齡(SRT)控制在15 d左右，厭氧格氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potential，ORP)控制在-150～-220 mV，好氧格控制在 80～100 mV，共運行15周期為后面兩個階段的反硝化聚磷菌的富集做好準備。

第二階段是反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs)的富集，將第一階段培養出來的高效的好氧聚磷污泥，用進水10 min，厭氧釋磷2.6 h，沉淀30 min，排水10 min 即先進行(1)厭氧釋磷2.6 h；(2) 40 min沉淀排水；(3)加入不含COD(不添加乙酸鈉)的模擬含磷尾水(表1)，泥水混合后水中的COD質量濃度<40 mg/L，同時向系統投加一定量的硝酸鉀藥品將使N∶P=2∶1，缺氧聚磷2.6 h；(4)40 min沉淀排水。該階段每天運行3周期，污泥濃度控制在2 500～3 500 mg/L，污泥齡為15 d左右，缺氧格ORP控制在-100～-150 mV，厭氧格ORP控制在-150～ -220 mV，共運行20 d。本階段的目的是去除常規的反硝化菌(僅有反硝化作用而無聚磷作用)，對利用硝酸鹽氮為電子受體的反硝化聚磷菌進行選擇性富集。

第三階段是保持系統的穩定，用進水時間20 min，厭氧釋磷時間為 2.6 h，缺氧聚磷時間為2.6 h沉淀格沉淀時間為30 min，排水時間為10 min的方式運行，即將第二階段富集到反硝化聚磷菌的污泥與人工合成尾水(表2)混合后，進行厭氧釋磷2.6 h，向系統投加一定量的硝酸鉀其濃度為N∶P=2∶1 進行缺氧格聚磷2.6 h，最終經30 min沉淀排水。該段污泥濃度為3 500 mg/L左右，泥齡控制在15 d左右，每天運行3周期，共運行15 d，該階段目的是在第二階段反硝化聚磷菌已經富集到一定量的基礎上，進一步保持體系的穩定性，測定除磷率可達80%以上。

1.3 配置模擬養殖尾水

養殖尾水具有高硝酸鹽氮的特征[16]，試驗用的模擬養殖尾水通過乙酸鈉提供碳源維持碳氮比，硝酸鉀提供氮源質量濃度控制在50 mg/L，磷酸二氫鉀提供磷含量質量濃度控制在10 mg/L，通過鹽酸和氫氧化鈉調節系統pH，具體配方[17]如表1所示。

表1 模擬養殖尾水配方

1.4 生物絮團廢水和循環水養殖尾水指標

試驗所用的循環水尾水和生物絮團尾水取自上海海洋大學3號門循環水養殖工程研發平臺正常運行的1號循環水養殖系統的羅非魚養殖槽，利用抽水泵抽取養殖槽水體，取出后沉淀30 min，取出上清液200 L作為試驗用水，其中pH為7.49±0.5，其他指標如表2所示。

表2 水產養殖循環水系統尾水指標

生物絮團廢水取自上海海洋大學三號門循環水養殖工程研發平臺利用生物絮凝技術的正常養蝦的生物絮團上層清液，具體操作為利用抽水泵抽取絮團至200 L聚乙烯桶中，經過30 min沉淀取出上清液，然后重復此過程，直至底層看不到沉淀的大量絮團。取出的上層清液作為試驗用水，具體指標如表3所示。其中pH為7.71。

表3 生物絮團廢水指標

1.5 試驗設計

在探究A2/O工藝試驗裝置處理模擬養殖尾水效果時，利用成功富集反硝化聚磷菌的生物絮團作為底泥，試驗保持連續性進和排模擬養殖尾水一個周期(8.8 h)，停止進水，內循環3周期，目的是為了消耗掉富集過程中殘存的碳源，提高試驗的準確性。其間下午3點用50 mL量筒進行對系統進水、厭氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的取樣，樣品均為混勻水體后取出。在取完TN、TP樣品后，利用0.45 μm針頭濾器(Collins MCE，上海)過濾，剩下水質指標取沉淀后的上清液進行監測。取樣結束后，用便攜式多功能參數水質分析儀(Multi 3430，WTW，德國)測定反應器水體中厭氧、缺氧、好氧格的DO、溫度、pH。下午4∶00取好氧格50 mL的混合水樣和1 000 mL混合水樣進行MLSS和SV30的測定。晚上分別取進水、厭氧、缺氧、好氧、沉淀、出水的10 mL水樣用重鉻酸鉀法進行化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的測定和利用TOC分析儀(Multi N/C 2100，德國)進行總有機碳的測定。在探究A2/O工藝試驗裝置處理生物絮團廢水和循環水養殖尾水效果時，期間進行3次試驗。 (1)未添加額外碳源直接進行對循環水尾水的處理效果； (2)按照碳氮比為3.4∶1[18]添加額外碳源進行循環水尾水的處理； (3)額外添加碳源進行對生物絮團廢水上清液的處理。每個反應格室取3組水樣，結果取平均值。

1.6 試驗裝置參數

反應器的啟動參數關系著整個反應能否正常進行，內回流是指污泥從最后一個好氧格到缺氧格的回流過程，蠕動泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)數值調整為450 mL/min，外回流是指從沉淀池到缺氧格的回流過程，蠕動泵(UIP WIFI-S183 Kamoer)數值調整為150 mL/min。運行期間裝置參數如表4所示。

表4 運行期間裝置參數

1.7 水質指標分析方法

主要水質分析指標及方法如表5所示。

表5 主要水質分析指標及方法

1.8 污泥指標測定方法

使用差重法測定反應器的好氧格的混合液懸浮固體濃度：定量濾紙過濾50 mL水樣后，在105℃電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)中約2 h烘干后減去定量濾紙質量，單位為 mg/L；SV30沉降比測定：取水體混合均勻的情況下取反應器好氧格水體1 L于英霍夫管，待其靜置30 min后記錄沉淀的絮團體積，以mL表示。