如何提高污水中污染物去除效率
發(fā)布日期：2016-12-06 點(diǎn)擊：1018
有機(jī)污染物作為城市污水處理廠的主要污染物，一般以COD或BOD來表征. 但是，傳統(tǒng)的COD無法反映水質(zhì)組成的差異. 當(dāng)前，比較公認(rèn)的是國際水協(xié)系列活性污泥模型(activated sludgemodels，ASMs)對廢水COD組分的劃分[1, 2, 3, 4]. 這些組分的定量表征也成為ASMs應(yīng)用的必要前提. 其中，快速易生物降解COD組分(Ss)和慢速可生物降解COD組分(Xs)是ASMs中最重要的2種組分，直接與微生物增殖、 氧利用動態(tài)特性以及營養(yǎng)物的去除有關(guān)[5]. 因此，這2種組分的準(zhǔn)確表征對于ASMs 的理論研究和應(yīng)用具有十分重要的意義. 易生物降解有機(jī)物(Ss)由揮發(fā)性脂肪酸和低分子碳水化合物等簡單物質(zhì)組成. 慢速降解有機(jī)物(Xs)包括高分子可溶性、 膠體有機(jī)物質(zhì)、 膠體顆粒性有機(jī)物質(zhì)[6, 7, 8]. 它們必須通過胞外水解作用轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，才可被降解利用。
基于此，本文以西安市某A2/O污水處理廠為研究對象，評價(jià)了原水中碳源的分布情況，并解析了污水廠各處理單元的碳源利用與轉(zhuǎn)化情況. 該污水廠主要接納和處理西安市東南郊、 東郊、 東北郊浐河4568 hm2區(qū)域范圍內(nèi)的生產(chǎn)廢水和生活污水，其中生活污水約占70%，生產(chǎn)廢水約占30%(生產(chǎn)廢水經(jīng)廠內(nèi)處理基本達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)后進(jìn)入城市污水處理系統(tǒng))，與同類城市污水相比，具有典型代表性[9]. 本研究通過1 a的水質(zhì)監(jiān)測與分析，得到了污水處理過程中快慢速生物降解有機(jī)物的變化規(guī)律，以期為污水中污染物去除效率提高提供參考。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器
0.45 μm濾膜(醋酸纖維素膜); 硫酸-硫酸銀溶液、 硫酸亞鐵銨溶液等; ATU試劑; 溶解氧測定儀; 磁力攪拌器一套; 恒溫水浴箱; Matlab軟件; Agilent 6890N氣相色譜儀(雙檢); PE WAX ETR色譜柱; 色譜小瓶; 甲酸等. 1.2 實(shí)驗(yàn)方法。
(1) OUR測定 測定間歇式呼吸速率的方法，分別取生物池的污泥1000 mL于反應(yīng)器內(nèi)，添加ATU試劑，抑制生物硝化過程. 測定過程中采用恒溫水浴箱對反應(yīng)器外圍的循環(huán)水溫度控制，從而使反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)在20℃±1℃. 并且采用磷酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH在中性. 在密閉反應(yīng)器中，用曝氣頭充氧氣. 密閉監(jiān)測時用磁力攪拌器攪拌，攪拌強(qiáng)度使污泥不發(fā)生沉降即可. 用溶氧儀在線監(jiān)測DO變化，變化速率為OUR. 當(dāng)溶解氧濃度從6 mg ˙L-1降到2 mg ˙L-1時開曝氣裝置，溶解氧達(dá)到6 mg ˙L-1時停止曝氣繼續(xù)監(jiān)測溶氧變化. 通過Matlab軟件及相關(guān)公式可以算出快速及慢速生物降解有機(jī)物的含量。
(2)Agilent氣相條件 檢測器為FID檢測器，色譜柱采用PE WAX ETR毛細(xì)柱. 升溫程序起始于100℃，保留2min，以3℃ ˙min-1的速度升溫至160℃，保留2 min. H2流量為35mL ˙min-1，空氣流量為350 mL ˙min-1，尾吹氣(N2)流量為20 mL ˙min-1，進(jìn)樣量為1 μL。
(3) VFA測定 將所測水樣現(xiàn)場固定，用0.45 μm濾膜過濾5 mL，加入甲酸250 μL. 固定后可存放1周. 使用氣相色譜測定VFA時，程序運(yùn)行正常后，即可通過自動進(jìn)樣器進(jìn)樣，得到不同時間下水樣中的物質(zhì)的峰，利用標(biāo)線可以得到相對應(yīng)酸類的濃度。
(4)COD測定 待測污水通過0.45 μm的濾膜過濾后，測定其COD即為溶解態(tài)COD. 顆粒態(tài)COD則是通過污水總COD減去溶解態(tài)COD得到. COD測定采用國標(biāo)法中的回流法。
(5)顆粒態(tài)COD中組分測定 顆粒態(tài)COD中快速、 慢速和惰性降解物所占比例均是通過測定原污水及過濾后污水的快速、 慢速和惰性降解物的含量后相減所得。
2 結(jié)果與討論 2.1 污水處理廠原水碳源分析
西安市某A2/O污水處理廠原水中進(jìn)水COD為360 mg ˙L-1±120 mg ˙L-1，如圖 1所示. 其中顆粒態(tài)COD(SCOD)高達(dá)220 mg ˙L-1±85 mg ˙L-1，約占總COD的61%，溶解態(tài)COD(DCOD)為140 mg ˙L-1±40 mg ˙L-1，約占總COD的39%，說明污水處理廠原水中大多數(shù)有機(jī)物以顆粒態(tài)的形式存在. 經(jīng)過1 a的分析監(jiān)測，原污水的TN、 TP濃度平均在47.73 mg ˙L-1、 4.36 mg ˙L-1，因此可以得出污水中的C/N約為5~8，C/P約為60~85，這一結(jié)果表明污水中的C、 N、 P比例適中，在生物脫氮除磷工藝中碳源充足。
運(yùn)用間歇式呼吸速率法對污水處理廠原水中有機(jī)物按生物降解性進(jìn)行分類，結(jié)果如圖 2所示.可以看出原水中快速生物降解有機(jī)物濃度相對較低，濃度為56.78 mg ˙L-1±9.5 mg ˙L-1，占進(jìn)水有機(jī)物的15.8%，慢速可生物降解有機(jī)物是進(jìn)水的主要部分(54.2%)，濃度范圍180.3 mg ˙L-1±35.4 mg ˙L-1，其余部分(約30%)為惰性有機(jī)物。
圖 3為溶解態(tài)COD及顆粒態(tài)COD中不同生物降解性碳源組分分析結(jié)果. 從中看出，溶解態(tài)COD占總COD的38.75%，其中快速降解有機(jī)物占41.76%，慢速降解有機(jī)物占33.31%，惰性有機(jī)物占24.93%. 而顆粒態(tài)COD中快速降解有機(jī)物只有5.32%，說明顆粒態(tài)中快速易生物降解有機(jī)物很少，很可能是少量快速降解有機(jī)物吸附在顆粒表面所致. 顆粒態(tài)中慢速降解有機(jī)物占到55.01%，表明顆粒態(tài)有機(jī)物中絕大多數(shù)為慢速降解有機(jī)物. 另有39.67%比例為惰性有機(jī)物，可以發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)中有相當(dāng)比例有機(jī)物是難于降解的，這些物質(zhì)可能在一級處理中隨污泥排出一部分，在生物池活性污泥中吸附一部分，出水中惰性難降解有機(jī)物總量減少可以進(jìn)一步解釋這一現(xiàn)象[13]. 快速降解有機(jī)物中82.22%為溶解態(tài)，17.78%為顆粒態(tài); 慢速降解有機(jī)物中有26.28%為溶解態(tài)，73.72%為顆粒態(tài). 總體表明，快速生物降解有機(jī)物絕大部分以溶解態(tài)存在，而慢速生物降解有機(jī)物中大部分以顆粒態(tài)存在。
由以上分析可以看出，該污水處理廠進(jìn)水碳源以慢速生物降解有機(jī)物為主，而慢速生物降解有機(jī)物主要以顆粒態(tài)形式存在，顆粒態(tài)碳源組分高并不利于污水處理廠脫氮除磷過程，這部分碳源必須水解轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物才能被微生物所用，這也是污水處理廠存在的普遍問題. 因此對于各污水處理廠而言，雖然理論計(jì)算原污水中碳氮比、 碳磷比滿足生物脫氮除磷需求，但因原污水中的懸浮性有機(jī)物較多，在污水處理廠一級處理單元中導(dǎo)致大量顆粒態(tài)碳源的無效流失，從而加劇了生物處理單元碳源不足的問題，因此對于原污水中存在高懸浮性顆粒態(tài)碳源的污水處理廠，應(yīng)適當(dāng)弱化前期預(yù)處理單元，減少顆粒態(tài)碳源的流失，并有效利用水中顆粒態(tài)碳源，通過系統(tǒng)合理配置完成該類有機(jī)碳源的轉(zhuǎn)化. 2.2 不同碳源在污水處理工藝中的沿程變化。
快速及慢速生物降解有機(jī)物在污水處理工藝中的沿程變化如圖 4所示，通過初沉池可去除30%的慢速生物降解有機(jī)物，主要原因在于慢速生物降解有機(jī)物中很大一部分以顆粒態(tài)存在，會隨著懸浮性顆粒在初沉池中沉淀而去除. 快速生物降解有機(jī)物在初沉池中也有所降低，但降低不到10%，這主要是吸附在顆粒態(tài)表面的溶解性物質(zhì)隨顆粒物去除而流失。
兩種碳源在生物池濃度顯著降低，分別降低至32.13 mg ˙L-1和55.76 mg ˙L-1，其主要原因應(yīng)是A2/O生物池大容積的稀釋作用. 慢速生物降解有機(jī)物在厭氧池、 缺氧池及好氧池3個處理單元中均逐漸降低，3個處理單元中分別降低12.6、 6.6及12.4 mg ˙L-1. 雖然厭氧池停留時間較短(2 h)，但其對慢速生物降解有機(jī)物的去除作用最大，這主要因?yàn)樵紫冗M(jìn)入?yún)捬醭�，大部分慢速生物降解有機(jī)物為顆粒態(tài)物質(zhì)，厭氧環(huán)境有利于顆粒態(tài)物質(zhì)水解為溶解性物質(zhì)[16]. 此后在缺氧池經(jīng)過5.5 h，慢速生物降解有機(jī)物降低至36.6 mg ˙L-1.好氧池末端的慢速生物降解有機(jī)物約為24.18 mg ˙L-1，好氧池去除比例達(dá)到33.9%. 為了進(jìn)一步說明慢速生物降解有機(jī)物在生物反應(yīng)池中的轉(zhuǎn)化情況，取原水中實(shí)際的慢速顆粒態(tài)有機(jī)物為研究對象，通過模擬實(shí)驗(yàn)于厭氧及好氧兩種條件下分別測定了慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化情況，結(jié)果如圖 5所示. 在前2 h中，厭氧條件下的慢速生物降解有機(jī)物降解率可達(dá)33%，而好氧條件下的降解率為20%，表明厭氧條件下的確存在慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化. 根據(jù)顆粒態(tài)以及難降解碳源在厭氧池、 缺氧池及好氧池中轉(zhuǎn)化與利用過程，為提高該類有機(jī)物在生物脫氮除磷過程中的利用效率，A2/O工藝厭氧、 缺氧、 好氧處理單元中應(yīng)適當(dāng)增加厭氧、 缺氧所占比例，這兩部分所占總生物處理單元的比例以40%~50%為佳，這也是本研究中的污水處理廠能夠高效脫氮除磷的原因之一. 對原水與生物池水樣測定，檢測到VFA這類快速生物降解有機(jī)物的存在，有別于原水VFA中有機(jī)酸種類及量的變化，如圖 6所示. 從中看出，原水中只有乙酸、 丙酸與丁酸，經(jīng)厭氧池到缺氧池，VFA中酸的種類及含量均發(fā)生變化，出現(xiàn)了丁酸、 戊酸及異戊酸等酸類物質(zhì)，并且乙酸與丙酸的含量在厭氧池均有所升高，厭氧池中VFA總含量也相較于原水有所增加. 這一結(jié)果說明了在生物池中存在慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。
厭氧池聚磷菌釋磷及缺氧區(qū)反硝化過程會首先利用快速生物降解有機(jī)物[18,19]，而快速生物降解有機(jī)物在厭氧池與缺氧池濃度中僅降低5.9 mg ˙L-1及6.1 mg ˙L-1，缺氧池易生物降解有機(jī)物濃度仍保持在20 mg ˙L-1左右. 這主要是因?yàn)槲⑸镌诶每焖俳到庥袡C(jī)物的同時，厭氧及缺氧環(huán)境下顆粒態(tài)慢速降解有機(jī)物發(fā)生了如圖 5、 6所示的酸化作用而產(chǎn)生易生物降解有機(jī)物，因此保持易生物降解有機(jī)物在一個較高濃度. 二沉池的出水中快速及慢速生物降解有機(jī)物分別為3.2 mg ˙L-1及5.5 mg ˙L-1，與好氧池末端相比慢速生物降解有機(jī)物明顯降低，說明顆粒態(tài)慢速生物降解有機(jī)物主要被活性污泥所吸附，在二沉池中沉淀在污泥中，不會隨出水流出. 2.3 不同碳源的脫氮除磷利用。
綜合污水廠一年來的數(shù)據(jù)分析，得到了不同碳源在沿程中的轉(zhuǎn)化情況如圖 7所示. 原水至初沉池出水的一級處理中，快速降解有機(jī)物變化不大，慢速生物降解有機(jī)物減少了30%，這主要是由于初沉池的沉淀作用，一部分顆粒態(tài)有機(jī)物上吸附的慢速生物降解有機(jī)物隨著初沉池的排泥作用被去除. 根據(jù)對該污水處理廠的長期水質(zhì)監(jiān)測，厭氧池平均釋磷量約為0.45 mg ˙L-1，通過分析計(jì)算釋磷速率，可以得到厭氧池釋磷需要約9 mg ˙L-1COD的碳源[20]. 研究表明，除磷所需碳源一般為優(yōu)質(zhì)碳源，在厭氧池中檢測到VFA這類脂肪酸的變化，聚磷菌會優(yōu)先使用VFA用于釋磷過程[21, 22, 23]. 厭氧池中快速及慢速生物降解有機(jī)物分別降低了5.9 mg ˙L-1及12.6 mg ˙L-1，則可以推斷5.9 mg ˙L-1易生物降解有機(jī)物幾乎全部提供給聚磷菌利用，約有3.1 mg ˙L-1慢速生物降解有機(jī)物用于聚磷菌釋磷，其除磷利用率約為24.5%. 同時，慢速生物降解有機(jī)物中仍會降低9.5 mg ˙L-1，應(yīng)歸因于其它微生物的生命活動及水解所致。
缺氧池總氮濃度約降低3.3 mg ˙L-1，因此該系統(tǒng)反硝化脫氮需要COD為9.44 mg ˙L-1，而該污水處理廠缺氧池有機(jī)物消耗為12.7 mg ˙L-1，說明大部分碳源被反硝化細(xì)菌所利用，這與反硝化細(xì)菌可利用不同碳源進(jìn)行脫氮過程吻合[25,26]. 在好氧池內(nèi)停留8.9 h的過程中，氧化作用最明顯，有機(jī)物消耗多. 好氧池中的快速降解有機(jī)物及由慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化的快速降解有機(jī)物則主要用于氧化作用，慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)33.90%. 從好氧至出水過程中快速降解有機(jī)物變化不大，慢速生物降解有機(jī)物降低，主要原因是沉淀作用明顯. 具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)污水處理廠原水中有機(jī)物主要以慢速生物降解有機(jī)物為主，占進(jìn)水有機(jī)物的54.2%，慢速生物降解有機(jī)物主要以顆粒態(tài)存在，快速生物降解有機(jī)物僅占15.8%，快速生物降解有機(jī)物基本以溶解態(tài)存在.
(2)快速與慢速生物降解有機(jī)物在生物系統(tǒng)中均沿程降低，慢速生物降解有機(jī)物在厭氧池、 缺氧池中分解轉(zhuǎn)化并被利用，其中厭氧池對慢速生物降解有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率最高，而好氧池對快速生物降解有機(jī)物的去除效果最為明顯，慢速生物降解有機(jī)物在好氧池中主要隨同活性污泥被沉淀去除.
(3)在2 h內(nèi)厭氧池和好氧條件慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化效率分別為33%和20%. 原水中只有乙酸、 丙酸與丁酸，從VFA的種類及含量來看，厭氧池與缺氧池的VFA均高于原水，表明在生物池存在慢速生物降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象.
(4)對于原污水中高懸浮性有機(jī)物的污水處理廠而言，應(yīng)適當(dāng)弱化一級處理單元功能以減少顆粒態(tài)碳源的流失，并在A2/O工藝厭氧、 缺氧、 好氧處理單元中提高厭氧、 缺氧所占比例，強(qiáng)化顆粒態(tài)碳源在厭氧、 缺氧環(huán)境的水解轉(zhuǎn)化，達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮除磷效率與節(jié)能降耗的目的。
