垃圾滲濾液、糞便污水與城市污水同步脫氮除碳中試*
導(dǎo)讀:：為解決垃圾滲濾液、糞便污水與城市污水氮和有機(jī)物達(dá)標(biāo)排放問(wèn)題，以實(shí)際混合污水為進(jìn)水，采用實(shí)際倒置A2/O工藝的模擬反應(yīng)器，進(jìn)行了中試規(guī)模的正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，水力停留時(shí)間起決定性控制作用，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間是提高除污效果最為簡(jiǎn)捷有效的手段;當(dāng)滲濾液、糞便污水和城市污水混合比為0.2:1.0:400、水溫為28～34℃、泥齡為20d時(shí)，最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)為HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此時(shí)COD、NH3-N和TN平均去除率分別為85.0%、96.5%和65.1%，出水濃度滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，三種污水同時(shí)處理同時(shí)達(dá)標(biāo)。較常規(guī)工況，COD、NH3-N和TN去除率分別提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率漲幅較大，工藝優(yōu)化后有效解決了混合處理后面臨的脫氮率低的嚴(yán)重問(wèn)題。因試驗(yàn)水溫與廣州地區(qū)常水溫接近，故結(jié)果具有一定代表性。研究同時(shí)證明，糞便污水可做為外加碳源，適量的添加到城市污水處理系統(tǒng)中，提高生化處理效率。
關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液，糞便污水，城市污水，脫氮，除碳，倒置A2/O工藝，正交試驗(yàn)，水力停留時(shí)間
垃圾滲濾液、糞便污水含有高濃度的有機(jī)物和氨氮[1-2]，以場(chǎng)內(nèi)或場(chǎng)外處理為主[2-6]。因場(chǎng)內(nèi)處理投資大、處理能力有限等問(wèn)題，場(chǎng)外處理逐漸引起人們的關(guān)注[7-9]。廣州市大坦沙污水廠自2005年起，接納滲濾液、糞便污水分別與城市污水同步處理。實(shí)踐表明，因污染物濃度高、進(jìn)入時(shí)間不定及接入方式不當(dāng)?shù)仍，微生物活性下降，反?yīng)池和濃縮池“死泥”增多，出水水質(zhì)受到不同程度的影響，其中以總氮最為嚴(yán)重[10，11]。該廠三期處理系統(tǒng)未來(lái)還將有同時(shí)接納滲濾液和糞便污水的任務(wù)，如何保證氮和有機(jī)物的達(dá)標(biāo)排放迫在眉睫。筆者前期研究了滲濾液與城市污水、糞便污水與城市污水同步脫氮除碳[12-15]，以及滲濾液、糞便污水與城市污水混合比例[16]的有關(guān)問(wèn)題;文獻(xiàn)[17]僅是分析了滲濾液與城市污水、糞便污水與城市污水分別合并處理的效果，但對(duì)于三種污水同步脫氮除碳的研究目前還未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究采用大坦沙污水廠三期處理工藝的模擬反應(yīng)器，以實(shí)際混合污水為進(jìn)水，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了中試，確定了關(guān)鍵影響因素的顯著性和最優(yōu)工況，代表性工況下實(shí)現(xiàn)了三種污水氮和有機(jī)物同時(shí)處理同時(shí)達(dá)標(biāo)。
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置為鋼板焊接而成，模擬大坦沙污水廠倒置A2/O工藝設(shè)計(jì)。前端為調(diào)節(jié)池，內(nèi)設(shè)攪拌機(jī)，保證滲濾液、糞便污水和城市污水混合均勻。裝置主體有效體積約4m3，長(zhǎng)×寬=4.51m×0.8 m，有效水深為1.1m。用隔板分成缺氧池、厭氧池、好氧1池和好氧2池，體積比例約為1：0.5：1.25：1.25。缺/厭氧池設(shè)有攪拌機(jī)。好氧池尾部設(shè)混合液回流管，底部設(shè)有微孔曝氣器。末端為沉淀池，長(zhǎng)×寬=1.5m×0.8m，有效水深為0.5m，泥斗高為0.68m，有效體積約0.9m3，底部設(shè)排泥管和污泥回流管。
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圖1 中試裝置 Fig. 1 Schematic diagram of test installation |
1.進(jìn)水泵 2.空氣壓縮機(jī) 3.轉(zhuǎn)子流量計(jì) 4.污泥回流泵5.混合液回流泵 6.電動(dòng)攪拌機(jī) 7.微孔曝氣器 8.在線DO儀 9.排泥管 10.出水管 I.調(diào)節(jié)池 II.缺氧池 III.厭氧池 IV.好氧1池V.好氧2池 VI.沉淀池
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
活性污泥法去除氮和有機(jī)物是多種底物和多種微生物相互耦合反應(yīng)的結(jié)果，其過(guò)程變化受多種因素影響，單一參數(shù)變化而其他參數(shù)不變的情況是不存在的[18]免費(fèi)。因此，本研究采用正交試驗(yàn)方法，考察多參數(shù)共同作用下處理效果，判斷影響因素的顯著性，確定最優(yōu)工藝條件。
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將水力停留時(shí)間、好氧池溶解氧濃度、污泥回流比和混合液回流比4個(gè)可控參數(shù)選為考察因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)代表性水平，如表1。
表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
Tab.1Scheme of orthogonal test
|
因素 |
A： HRT/h |
B： DO/( mg.L-1) |
C： R/% |
D： r/% |
|
|
水平 |
1 |
11 |
2.0 |
60 |
100 |
|
2 |
9 |
3.0 |
80 |
200 |
|
|
3 |
7 |
4.0 |
100 |
300 |
|
1.3 試驗(yàn)方法
滲濾液、糞便污水和城市污水分別取自廣州市興豐垃圾填埋場(chǎng)、廣州市白沙河無(wú)害化處理廠和大坦沙污水廠沉砂池出水，在調(diào)節(jié)池按0.2:1.0:400的體積比[16]混合，水質(zhì)見(jiàn)表2。其中，糞便污水COD/ TN為14.6，BOD/COD為0.62，碳源豐富，可生化性較好。與城市污水和滲濾液混合后，混合污水C/N比為5.9，BOD/COD為0.75，較城市污水C/N比(C/N比=5.4)和B/C比(B/C比=0.43)分別增加了9.3%和74.4%，較滲濾液C/N比(C/N比=3.8)和B/C比(B/C比=0.34)分別增加了55.3%和120.6%，與糞便污水混合處理對(duì)于城市污水，特別是南方地區(qū)低碳源城市污水生化處理[16]有益，也利于降低滲濾液處理難度。
表2 用水水質(zhì)
Tab.2 wastewater quality
|
項(xiàng)目 |
COD /(mg.L-1) |
NH3－N /(mg.L-1) |
TN /(mg.L-1) |
COD/ TN |
BOD /(mg.L-1) |
BOD /COD |
|
滲濾液 |
16750 |
4000 |
4400 |
3.8 |
5650 |
0.34 |
|
糞便污水 |
17050 |
932 |
1168 |
14.6 |
10550 |
0.62 |
|
城市污水 |
125 |
20 |
23 |
5.4 |
54 |
0.43 |
|
混合污水 |
146 |
26.3 |
29.1 |
5.9 |
132 |
0.75 |
為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗(yàn)取數(shù)日平行試驗(yàn)均值作為最后結(jié)果。取樣頻率為2次/d，主要水質(zhì)分析項(xiàng)目有COD、NH3-N、TN、NO3--N和NO2--N等，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)試。DO和pH分別采用HACHsc100 在線溶氧儀和CYBERSCAN510型pH計(jì)測(cè)定。
2 結(jié)果與討論
2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析
按照L9(34)安排試驗(yàn)，以NH3-N、TN和COD去除率為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，9種試驗(yàn)方案下對(duì)污染物的去除效果及直觀分析如表3所示。試驗(yàn)期間水溫為27～30℃，泥齡保持20d。
表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析
Tab.3Orthogonalexperimental results and intuitive analysis
|
項(xiàng)目 |
試驗(yàn) 編號(hào) |
A |
B |
C |
D |
評(píng)價(jià)指標(biāo) |
||
|
COD 去除率/% |
NH3-N 去除率/% |
TN 去除率/% |
||||||
|
試驗(yàn) 結(jié)果 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
79.8 |
78.1 |
53.0 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
80.7 |
95.2 |
61.8 |
|
|
3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
82.5 |
95.9 |
41.4 |
|
|
4 |
2 |
1 |
2 |
3 |
76.6 |
69.3 |
36.2 |
|
|
5 |
2 |
2 |
3 |
1 |
76.8 |
80.9 |
51.2 |
|
|
6 |
2 |
3 |
1 |
2 |
76.5 |
81.9 |
45.4 |
|
|
7 |
3 |
1 |
3 |
2 |
71.2 |
48.9 |
49.7 |
|
|
8 |
3 |
2 |
1 |
3 |
73.9 |
51.1 |
35.4 |
|
|
9 |
3 |
3 |
2 |
1 |
73.3 |
58.3 |
38.6 |
|
|
COD 去除率極差計(jì)算 |
81.000★ |
75.867 |
76.733 |
76.633 |
||||
|
76.633 |
77.133 |
76.867★ |
76.133 |
|||||
|
72.800 |
77.433★ |
76.833 |
77.667★ |
|||||
|
R |
8.200 |
1.566 |
0.134 |
1.534 |
||||
|
NH3-N 去除率極差計(jì)算 |
89.733★ |
65.433 |
70.367 |
72.433 |
||||
|
77.367 |
75.733 |
74.267 |
75.333★ |
|||||
|
52.767 |
78.700★ |
75.233★ |
72.100 |
|||||
|
R |
36.966 |
13.267 |
4.866 |
3.233 |
||||
|
TN 去除率極差計(jì)算 |
52.067★ |
46.300 |
44.600 |
47.600 |
||||
|
44.267 |
49.467★ |
45.533 |
52.300★ |
|||||
|
41.233 |
41.800 |
47.433★ |
37.667 |
|||||
|
R |
10.834 |
7.667 |
2.833 |
14.633 |
||||
|
注：★代表最優(yōu)水平 |
||||||||
由表3看出，COD去除率為71.2%～82.5%，平均為76.8%;NH3-N去除率為48.9%～95.9%，平均為73.3%;TN去除率為35.4%～61.8%，平均為45.9%。TN去除率相對(duì)偏低，但據(jù)文獻(xiàn)[19]提供的理論公式計(jì)算，TN理論去除率為48.8%～74.5%，高于實(shí)際值12.7%～13.4%，說(shuō)明若嚴(yán)格控制操作條件環(huán)境保護(hù)，TN去除率還有較大提升潛力。相對(duì)而言，氮的去除受工藝條件影響較大，而COD去除則表現(xiàn)較為穩(wěn)定。
極差可反映各因素對(duì)混合污水處理效能影響的主次順序。比較極差大小可知：對(duì)于去除COD，A>B>D>C，即主次順序?yàn)樗νＡ魰r(shí)間>好氧池溶解氧濃度>混合液回流比>污泥回流比;對(duì)于去除NH3-N，A>B>C>D，即主次順序?yàn)樗νＡ魰r(shí)間>好氧池溶解氧濃度>污泥回流比>混合液回流比;對(duì)于去除TN，D>A>B>C，即主次順序?yàn)榛旌弦夯亓鞅?gt;水力停留時(shí)間>好氧池溶解氧濃度>污泥回流比，其中混合液回流比和水力停留時(shí)間的極差分別為14.633和10.834，影響力接近。
方差分析[20]判斷各因素影響的顯著性，得到表4。
表4方差分析表
Tab.4 Anova table
|
方差 來(lái)源 |
偏差平方和 |
自 由 度 |
F |
F臨界值/顯著性 |
||||||
|
氨氮 |
總氮 |
COD |
氨氮 |
總氮 |
COD |
氨氮 |
總氮 |
COD |
||
|
A |
2124.63 |
187.40 |
101.0 |
2 |
111.96 |
14.98 |
27.53 |
F0.01(2,2)=99.0 /*** |
F0.1(2,2)=9.0 /* |
F0.05(2,2)= 19.0/** |
|
B |
290.90 |
89.06 |
4.15 |
2 |
15.33 |
7.12 |
1.13 |
F0.1(2,2)=9.0 /* |
||
|
C |
39.83 |
12.51 |
0.03 |
2 |
2.10 |
1.00 |
0.01 |
|||
|
D |
18.98 |
334.9 |
3.67 |
2 |
1.00 |
26.77 |
1.00 |
F0.05(2,2)= 19.0/** |
||
|
誤差 |
18.98 |
12.51 |
3.67 |
|||||||
|
注：***表示影響顯著，**表示影響較大，*表示影響較小 |
||||||||||
比較表4所列各因素的F和F臨界值可知，對(duì)于硝化，F(xiàn)A> F0.01，F(xiàn)B> F0.1，水力停留時(shí)間影響顯著，好氧池溶解氧濃度影響較小，污泥回流比和混合液回流比基本無(wú)影響;對(duì)于反硝化，F(xiàn)D> F0.05，F(xiàn)A> F0.1， 混合液回流比影響較大，水力停留時(shí)間影響較小，好氧池溶解氧濃度和污泥回流比基本無(wú)影響;對(duì)于去除有機(jī)物，F(xiàn)A> F0.05，水力停留時(shí)間影響較大，其他因素基本無(wú)影響。
由上述分析得到，水力停留時(shí)間是唯一對(duì)所有指標(biāo)都有影響的因素，且影響力較大，污泥回流比則基本無(wú)影響。結(jié)合表3，當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，例如由7h(7#～9#試驗(yàn))延長(zhǎng)到11h(1#～3#試驗(yàn))時(shí)，氨氮去除率由48.9%～58.3%增至78.1%～95.9%，平均增幅為36.9%;總氮去除率由35.4%～49.7%升至41.4%～61.8%，平均增幅為10.9%;COD去除率由71.2%～73.9%提高到79.8%～82.5%，平均增幅為8.2%。各項(xiàng)指標(biāo)去除率均出現(xiàn)不同程度的增幅，以硝化率最為明顯。這是因?yàn)镠RT短，硝化、反硝化作用進(jìn)行得不充分，吸附于基質(zhì)上的大量氨氮未來(lái)得及轉(zhuǎn)化便隨出水流出了系統(tǒng)[21]; HRT長(zhǎng)，為硝化反硝化反應(yīng)提供所需了時(shí)間，處理效果可獲得首要保障。從試驗(yàn)結(jié)果看，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間是提高混合污水處理效果，特別是硝化效果的最為簡(jiǎn)捷有效手段。
2.2 最佳工況的確定及效果分析
由表3得到各個(gè)因素的最優(yōu)水平組合環(huán)境保護(hù)，如表5所示。
表5 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)水平
Tab.5 Evaluation of the optimal level of different
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項(xiàng)目 |
最優(yōu)水平 |
|||
|
HRT/h |
DO/( mg.L-1) |
R/% |
r/% |
|
|
COD去除率 |
11 |
4 |
80 |
300 |
|
NH3-N去除率 |
11 |
4 |
100 |
200 |
|
TN去除率 |
11 |
3 |
100 |
200 |
由表5看到，除HRT外，不同指標(biāo)其他因素的最優(yōu)水平有所不同。對(duì)于DO水平，TN為3mg/L，而NH3-N和COD則為4mg/L。結(jié)合表3，當(dāng)DO由3mg/L升至4mg/L時(shí)，NH3-N平均去除率增長(zhǎng)了2.97%，而COD平均去除率則提高了0.3%，去除效果相差不大，同時(shí)考慮能耗，以及過(guò)度曝氣導(dǎo)致回流至缺氧池的溶解氧增加而影響反硝化等因素，DO濃度取3mg/L。對(duì)于污泥回流比，NH3-N和TN為100%，而COD為80%。當(dāng)污泥回流比由80%增至100%時(shí)，COD去除率僅變化了0.03%，因此，污泥回流比統(tǒng)一取100%。同理，混合液回流比取200%。
綜上，確定系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)為：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%。保持該條件，在水溫為28～34℃，泥齡為20d時(shí)運(yùn)行15d，結(jié)果如圖2～4所示。
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圖3 最佳工況下TN去除效果 Fig.3 Removal effect of TN on opitimal operation parameters |
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圖2 最佳工況下NH3-N去除效果 Fig.2 Removal effect of NH3-N on opitimal operation parameters |
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圖4 最佳工況下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
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圖4 最佳工況下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
在最優(yōu)工況下，脫氮除碳率相對(duì)較高，污染物去除效果良好、穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水COD為123~195mg/L時(shí)，出水COD最低為16mg/L，最高為30 mg/L，去除率為77.8～89.6%，平均為85.0%;當(dāng)進(jìn)水NH3-N為21.9~30.4mg/L時(shí)，出水NH3-N為0.5 ～1.3 mg/L，硝化率高達(dá)95.0～97.9%，平均為96.5%;當(dāng)進(jìn)水TN為25.7~34.7mg/L時(shí)，出水TN在8.6mg/L到12.6mg/L之間變化，去除率為62.2～68.7%，平均為65.1%網(wǎng)。各項(xiàng)指標(biāo)出水濃度均滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。較表3所列常規(guī)工況，COD、NH3-N和TN去除率分別提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率漲幅較大。工藝優(yōu)化后有效解決了混合處理后面臨的最嚴(yán)重問(wèn)題，
即脫氮率低的問(wèn)題。
上述結(jié)果說(shuō)明滲濾液、糞便污水與城市污水同時(shí)處理也可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)達(dá)標(biāo)。除大量城市污水的緩沖、稀釋作用外，還有一個(gè)重要原因分析是高碳糞便污水為城市污水補(bǔ)充了充足的碳源。通過(guò)計(jì)算可以證明：該工況下COD去除量與TN去除量的比值為5.40～8.74，平均為7.19，是全程反硝化脫氮所需理論有機(jī)碳源(2.86g /gNO3--N)的2.5倍[22]。該計(jì)算結(jié)果從另一角度說(shuō)明糞便污水可做為外加碳源，適量添加到城市污水處理系統(tǒng)中，提高生化處理效率。
出水氮的形態(tài)主要有氨氮、有機(jī)氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮[23]。分析最佳工況下出水氮的形態(tài)(表5)可知，其主要形態(tài)為硝酸鹽氮，平均濃度為8.52mg/L環(huán)境保護(hù)，占總濃度的83.37%，亞硝酸鹽氮比例最小，為2.45%。說(shuō)明氮主要通過(guò)全程硝化反硝化途徑[24-26]去除。在后續(xù)研究中可考慮通過(guò)短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等途徑脫氮，進(jìn)一步節(jié)約能耗[27-29]，實(shí)現(xiàn)混合污水處理系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
表5 最優(yōu)工況下出水氮的形態(tài)
Tab.5 Theoptimal conditions effluent TN composition analysis
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項(xiàng)目 |
氨氮 |
有機(jī)氮 |
硝酸鹽氮 |
亞硝酸鹽氮 |
|
濃度/(mg.L-1) |
0.75 |
0.70 |
8.52 |
0.25 |
|
占出水總濃度比例/% |
7.33 |
6.85 |
83.37 |
2.45 |
4 結(jié)論
(1)在水力停留時(shí)間、好氧池溶解氧濃度、污泥回流比和混合液回流比4個(gè)影響因素中，水力停留時(shí)間起決定性控制作用;延長(zhǎng)水力停留時(shí)間是提高混合污水處理效果，特別是硝化效果的最為簡(jiǎn)捷有效手段。
(2)當(dāng)垃圾滲濾液、糞便污水和城市污水混合比為0.2:1.0:400、水溫為28～34℃、泥齡為20d時(shí)，正交試驗(yàn)得到混合污水同步脫氮除碳最佳運(yùn)行參數(shù)是：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此時(shí)COD、NH3-N和TN平均去除率分別為85.0%、96.5%和65.1%，出水濃度均在國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了三種污水同時(shí)處理同時(shí)達(dá)標(biāo)。較常規(guī)工況，COD、NH3-N和TN去除率分別提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率漲幅較大，工藝優(yōu)化后有效解決了混合處理后面臨的脫氮率低的嚴(yán)重問(wèn)題。
(3)糞便污水可做為外加碳源，適量添加到城市污水處理系統(tǒng)中，提高生化處理效率。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣州地區(qū)月平均氣溫一年中約有8～9個(gè)月在20℃以上，約有6～7個(gè)月在25℃以上，2009年和2010年廣州地區(qū)平均氣溫分別為22.3℃和23.2℃，與試驗(yàn)期間水溫接近，因此試驗(yàn)工況和結(jié)果具有一定的代表性，利于解決廣州地區(qū)城市污水廠混合污水處理系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理中出現(xiàn)的矛盾。在條件適宜時(shí)，本研究提出的運(yùn)行模式也可借鑒到其他城市污水廠，用于解決滲濾液和糞便污水處置問(wèn)題，節(jié)約投資與能耗，改善水生態(tài)環(huán)境。
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