工程說明

1. 項(xiàng)目介紹

該市政污水廠設(shè)計(jì)目標(biāo)為處理304萬人口的生活污水，用于去除COD 和BOD5，目前能夠滿足國家環(huán)保法規(guī)的要求。在以下工藝條件下2010年8月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：

• 水力停留時間 HRT = 5.5 h
• 負(fù)荷Lv = 2.5 kgCOD/m³xd, Lv` = 1.3 kgBOD/m³xd

進(jìn)水及出水指標(biāo)見表1。
 

但是考慮到未來的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)的提升污水廠的管理層決定試用一些新的工藝來滿足未來的環(huán)保要求 。

1.1  如果采用在歐洲和美國廣泛采用的傳統(tǒng)活性污泥法工藝 好氧池的容積需擴(kuò)大一倍。

1.2  而一種創(chuàng)新型及在溫度低的條件下發(fā)展出的新工藝則是生物膜法和活性污泥法的組合工藝， 污水廠的改建基于將生物菌群固定在有吸附能力的LEVAPOR懸浮填料上。該填料是由德國拜耳公司研發(fā)，現(xiàn)在授權(quán)給其發(fā)明人所創(chuàng)立的公司獨(dú)家在全球推廣使用。該懸浮填料最先是1989/90年在芬蘭Espoo由該國環(huán)保部負(fù)責(zé)的一個小型污水處理廠的改建工程中得到應(yīng)用，然后在赫爾辛基的一個大型污水處理廠得到成功應(yīng)用。

該生物膜技術(shù)是將15%填充率的LEVAPOR懸浮調(diào)料投放到好氧池中，在反應(yīng)池中設(shè)置隔網(wǎng)確保懸浮填料不被出水帶出反應(yīng)池。

因?yàn)長EVAPOR懸浮填料很強(qiáng)的吸附能力一些絮凝效果差、生長速度慢的硝化菌種能在LEVAPOR懸浮填料上迅速繁殖并形成活性生物膜，能將硝化能力提高一倍。

圖 1+2 外觀 (20x20x7 mm) LEVAPOR懸浮填料 橫截面

由于LEVAPOR懸浮填料的高孔隙度以及內(nèi)表面積非常大，溶氧度和氧化還原電位都很低，能在好氧條件下自動發(fā)生同步反硝化，從而能降低硝酸根離子的濃度。通過該工藝無需新建反應(yīng)池就能大幅提高已建設(shè)施的處理效能。

2. 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生化測試

為了能在現(xiàn)有條件下檢測LEVAPOR生物膜技術(shù)的效果和估算工藝參數(shù)，污水廠決定運(yùn)行一個實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的在線污水處理設(shè)施。 (圖. 3)

圖3: LEVAPOR 懸浮填料在好氧反應(yīng)池中

生化測試的策略和目標(biāo)

該實(shí)驗(yàn)的目的是對一些基本問題找到合適 的解決方案并確定以下參數(shù)：

• 硝化菌株的篩選和適應(yīng)
• 確定生物膜的形成
• 確定污染物的去除率
• 污染物的去除速度( 反應(yīng)速度，最大值和優(yōu)化值)
• 觀察出現(xiàn)水力高峰后工藝的穩(wěn)定性
• 確認(rèn)生物膜的效果，包括穩(wěn)定性等
• 穩(wěn)定狀態(tài)下的工藝優(yōu)化
• 估算極限值

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模條件下得到的結(jié)果和參數(shù)足以用于設(shè)計(jì)新的工藝和估算大致所需的基礎(chǔ)工程規(guī)模和造價。

在測試過程中反應(yīng)器的負(fù)荷應(yīng)該逐步增加用以估計(jì)改建工程的最大處理能力。

3. 實(shí)驗(yàn)部分

3.1. 實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)器容積 V = 7 L，帶有曝氣裝置，二沉池容積 V = 3.5 L with overflow. (圖4)。

圖 4: 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的曝氧池

實(shí)驗(yàn)在 該污水廠的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，由實(shí)驗(yàn)室人員負(fù)責(zé)操作和記錄。

3.2. 水樣 – 每天經(jīng)過初沉池的出水

3.3. 初始生物量 (接種) - 從污水處理廠的好氧池獲取活性污泥。除了附著在LEVAPOR懸浮填料上的生物量外反應(yīng)器中的懸浮污泥濃度應(yīng)保持在3.0- 3.5 g/L左右。

3.4. 分析 – 國際通行的分析方法

TKN (凱氏氮 = 氨氮 + 有機(jī)氮), 進(jìn)水的氮含量的指標(biāo)沒有進(jìn)行檢測，但是大致估算為 進(jìn)水氨氮的1.25倍，因?yàn)閯P氏氮通常比氨氮高25% -30%左右。

3.5. LEVAPOR懸浮填料的投入量 – 規(guī)格為 20x20x7 mm 的1.0L LEVAPOR懸浮填料投放到7.0L的反應(yīng)器中。

3.6. 生化實(shí)驗(yàn)過程

將污水導(dǎo)入到反應(yīng)器中，通過蠕動泵的作用活性污泥和LEVAPOR懸浮填料得到曝氣，實(shí)驗(yàn)開始。水力停留時間設(shè)定為5.5小時。在此條件下實(shí)驗(yàn)從10月15日開始運(yùn)行，12月15日結(jié)束。實(shí)驗(yàn)開始數(shù)小時后能夠在LEVAPOR懸浮填料表面明顯觀察到一層生物膜。
 

圖 5: 生物量的調(diào)試階段和COD去除率

在開始階段出水COD達(dá)到100 mg/L，但是3天以后運(yùn)行逐漸穩(wěn)定，COD開始下降到40-50 mg/L ，隨著反應(yīng)過程的逐步穩(wěn)定處理效果也明顯增強(qiáng) (圖 5)。水溫到了12月份也慢慢從 27-28°C 降低到20-21°C，但是去除效率依然保持在很穩(wěn)定 的水平。

3.7. 結(jié)果和討論

第一階段的結(jié)果列于 ( HRT = 5.5 h， Lv ~ 2.5 g COD/Lx d) 表2和圖5-9中。

3.7.1. COD和BOD5去除率研究

在圖5和6中所顯示經(jīng)過很短的適應(yīng)期后COD和BOD5的 去除趨于穩(wěn)定去除率并逐步提高，出水效果比污水處理廠的更佳。

在圖6中的第21和第28天進(jìn)水COD負(fù)荷增加了60%，在圖7中的第22和第36天BOD5的負(fù)荷增加了100%，該處理仍舊保持很高的穩(wěn)定性，從而證明了LEVAPOR生物膜的卓越性能。

圖 6: 測試階段COD的進(jìn)水和出水值 (2010年10月 25日至12月15日)

盡管在這幾天出現(xiàn)了水力高峰，出水的COD 和BOD5 保持不變。這充分說明了LEVAPOR生物膜技術(shù)的緩沖能力明顯增強(qiáng)，穩(wěn)定性也非常高，也就意味著單位負(fù)荷相比傳統(tǒng)的活性污泥法可以增加很多。

根據(jù)圖6中的最后25天的數(shù)據(jù)，在水力停留時間5.5 h 和COD負(fù)荷Lv = 2.48 gCOD/Lxd的條件下，進(jìn)水的平均COD為527mg/L, 經(jīng)過LEVAPOR生物膜技術(shù)處理后出水的COD均值為28.2mg/L,平均去除率為94.7%。相應(yīng)的進(jìn)水BOD5為198mg/L，出水BOD5的均值為10.9 mg/L，平均去除率為94.5%。

圖7: 測試階段BOD5 的進(jìn)水和出水值

圖 8: 溫度對反應(yīng)速度的影響

溫度在20-28°C 之間波動時去除率與溫度無相關(guān)性 (圖8)，盡管有理論認(rèn)為當(dāng)溫度下降10°C時反應(yīng)速度應(yīng)該減半。從這個角度也證實(shí)了LEVAPOR生物膜技術(shù)的穩(wěn)定非常高！

3.7.2. 氮的去除效果研究

新的環(huán)保要求中很重要的一個方面是含氮化合物的去除，因?yàn)檫@類物質(zhì)一方面對水生動物的毒性較大，另一方面耗氧非常多，每氧化1克氮需要氧氣4.6克。將含氮化合物去除是以TKN(凱氏氮)為指標(biāo)，這類物質(zhì)首先水解為氨氮，然后被氧化為硝基(NO3- )，其后在缺氧的環(huán)境中通過反硝化（DO最大值約為0.3mg/L）變?yōu)榈獨(dú)?。但是通過此前的研究證實(shí)反硝化反應(yīng)在好氧環(huán)境中也能在LEVAPOR懸浮填料的內(nèi)部進(jìn)行，DO 為1-3mg/L（圖9）。反硝化的能力也取決于氮的負(fù)荷。

圖 9： 測試階段氮的變化

4. 結(jié)論和展望

從第一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們能得出以下結(jié)論：

• 通過采用LEVAPOR生物膜工藝，在很短的時間就能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，處理效果和穩(wěn)定性都能得到大幅度的提高。
• 在水力停留時間為5.5 h以及負(fù)荷為 Lv = 2.48 gCOD/Lxd的條件下進(jìn)水 COD為527 mg/L ，出水COD 為 28.2 mg/L , 去除率為94.7%。
• 在同樣的條件下凱氏氮濃度能從41.1mg/L下降到7mg/L(1.1 mg/L NH₄N 和 5.9 mg/L NO₃N）
• 在溫度介于20-28°C時去除率和溫度沒有關(guān)聯(lián)，從而證實(shí)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常好。
• 此外采用LEVAPOR生物膜技術(shù)還能顯著增加反應(yīng)器的污染物負(fù)荷，通過與現(xiàn)運(yùn)行的污水處理廠的反應(yīng)池污染物負(fù)荷相比較證實(shí)了以上判斷。

展望

為了確認(rèn)污水廠的處理極限建議逐步將水力停留時間從5.5小時減少到4小時

工程圖片