工业水处理, 2019, 39(8): 32-36 doi: 10.11894/iwt.2019-0194

试验研究

AOMBR-ASSR工艺污泥原位减量及污染物去除研究

宁欣强,, 郭宇, 刘太鑫, 周敏, 杨莹, 吴嘉煦, 曾杨, 陈妮

Study on in-situ sludge reduction and pollutant removal in AOMBR-ASSR process

Ning Xinqiang,, Guo Yu, Liu Taixin, Zhou Min, Yang Ying, Wu Jiaxu, Zeng Yang, Chen Ni

收稿日期: 2019-05-20  

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目.  51608339
四川理工学院人才引进项目.  2015RC37
四川省大学生创新创业训练计划项目.  201810622084

Received: 2019-05-20  

Fund supported: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目.  51608339
四川理工学院人才引进项目.  2015RC37
四川省大学生创新创业训练计划项目.  201810622084

作者简介 About authors

宁欣强(1984-),博士,讲师电话:0813-5505758,E-mail:ningxinqiang@126.com , E-mail:ningxinqiang@126.com

摘要

以污水生物处理工艺缺氧-好氧膜生物反应器(AOMBR)为参照,在AOMBR工艺污泥回流段增加厌氧反应单元(ASSR),组建AOMBR-ASSR厌氧侧流污泥原位减量工艺。AOMBR工艺及AOMBR-ASSR工艺运行120 d,对2个工艺污泥减量以及污染物去除效能进行分析。结果表明:相同条件下,相比参照工艺,减量工艺污泥减量率为19.5%。2个工艺的COD以及氨氮去除效果无显著差异,减量工艺的TN以及TP的平均去除率分别较参照工艺提高了5.63%、29.86%。

关键词: MBR工艺 ; 厌氧侧流 ; 污泥原位减量 ; 脱氮 ; 除磷

Abstract

With the anoxic-aerobic membrane bioreactor(AOMBR) of sewage biological treatment process as reference, the anaerobic side-stream coupled anoxic-aerobic membrane bioreactor(AOMBR-ASSR) in-situ sludge reduction process is built by adding anaerobic reaction unit to the sludge return loop of the AOMBR process. The sludge reduction and pollutant removal efficiency are analyzed both in the AOMBR process and AOMBR-ASSR process during 120 days operations. The results show that the sludge reduction rate of AOMBR-ASSR process is 19.5% compared with AOMBR process under the same operating conditions. There is no significant difference in the removal efficiency of COD and ammonia nitrogen between the two processes. The average removal rate of TN and TP in the sludge reduction process is 5.63% and 29.86% higher than that in the reference process.

Keywords: MBR process ; anaerobic side-stream ; in-situ sludge reduction ; nitrogen removal ; phosphorus removal

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本文引用格式

宁欣强, 郭宇, 刘太鑫, 周敏, 杨莹, 吴嘉煦, 曾杨, 陈妮. AOMBR-ASSR工艺污泥原位减量及污染物去除研究. 工业水处理[J], 2019, 39(8): 32-36 doi:10.11894/iwt.2019-0194

Ning Xinqiang. Study on in-situ sludge reduction and pollutant removal in AOMBR-ASSR process. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(8): 32-36 doi:10.11894/iwt.2019-0194

活性污泥法是我国目前应用最广泛的城镇污水处理方法。活性污泥工艺运行过程中会产生大量剩余污泥,剩余污泥的处理处置费用高昂,且极易对生态环境造成严重的二次污染。随着我国城市化进程的加快,城镇生活污水处理量的增加及处理排放标准的进一步提髙,剩余污泥产量也越来越大1-2。现有填埋、焚烧、堆肥、热解等剩余污泥处理处置方式是对已产生污泥进行处理,但都不同程度存在处理成本高、对环境造成二次污染、占地面积大等问题3。剩余污泥原位减量化是指在污水处理过程中污泥产量得到减少。与剩余污泥的后续处理相比,污泥原位减量可从根本上减少剩余污泥的产率4-5

现阶段污泥原位减量技术主要理论基础为维持代谢,溶胞-隐性生长、代谢解偶联和原、后生动物捕食作用6-9。根据污泥原位减量在污水处理工艺中的作用位置可分为主体污泥原位减量工艺以及旁路污泥原位减量工艺10。以膜生物反应器(MBR)为代表的主体污泥原位减量工艺主要是通过延长污泥停留时间以及高生物维持代谢有效实现污泥减量11。旁路污泥原位减量工艺基于热解、碱解、超声、臭氧处理以及生物捕食的方法对回流污泥进行处理12。其中将剩余污泥回流至厌氧侧流池并维持一定停留时间,组建厌氧侧流污泥原位减量工艺(ASSR)能够有效实现污泥原位减量。且该工艺基建费用低、能耗低,容易控制,在工程应用中具有良好的前景13-14。将主体污泥原位减量MBR工艺以及旁路ASSR工艺结合不仅能进一步提高MBR工艺污泥原位减量效率,同时能进一步提高对污染物的去除效果。故笔者在实验室组建一体化AOMBR污水处理工艺,进而在AOMBR工艺的污泥回流段增加厌氧反应单元(ASSR)组建AOMBR-ASSR工艺,对AOMBR工艺与AOMBR-ASSR工艺的剩余污泥产率以及污染物去除效果进行分析,为AOMBR-ASSR污泥原位减量工艺的开发和应用提供技术和理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用活性污泥取自自贡市某污水处理厂氧化沟池,接种污泥质量浓度(MLSS)为5 000 mg/L,在实验室条件下通过维持体积不变逐渐更换人工配水方式,使接种污泥适应实验人工模拟废水。人工模拟废水进水水质:COD为413~517 mg/L,NH4+-N为44~57 mg/L,TN为53~77 mg/L,TP为4~6 mg/L。每升人工配水所含组分:葡萄糖300 mg,蔗糖166.7 mg,蛋白胨100 mg,NaHCO3 675 mg,NH4Cl 225 mg,KH2PO4 219.4 mg,MgSO4·7H2O 113.6 mg;CaCl2·2H2O 75 mg,FeCl3 4.0 μg,ZnSO4·7H2O 1.6 μg,MnCl2·4H2O 0.75 μg,CuSO4·5H2O 0.35 μg,以及微量CoCl2·6H2O和(NH46Mo7O24·4H2O。在配水中加入适量土壤上清液以改善污泥性质。

1.2 实验装置

实验采用的AOMBR-ASSR工艺与AOMBR工艺如图1所示。

图1

图1   AOMBR(a)和AOMBR-ASSR(b)工艺实验装置


2套工艺采用蠕动泵统一进水,控制进水流量为48.96 L/d。2套工艺的缺氧池、好氧池大小和形式相同,缺氧池容积4 L,水力停留时间(HRT)1.96 h;好氧池容积为13.5 L,HRT为6.62 h。在缺氧区内设置机械搅拌器,以保证污泥处于悬浮状态;好氧区底部设有曝气装置,向池内充氧并使池内污泥处于悬浮状态。AOMBR-ASSR工艺的厌氧反应池(贮泥池)有效容积为14.6 L,HRT为7.16 h,其中设有低速机械搅拌器使污泥处于悬浮状态。2套工艺的污泥回流比为100%,硝化液回流比为300%。缺氧池溶解氧(DO)控制在0.1 mg/L以下,好氧池DO控制在2.0~4.0 mg/L。当2套工艺运行至系统出水水质稳定及厌氧污泥贮池内污泥回流稳定时,通过测定2套工艺每次排泥的体积和剩余污泥浓度,计算每次排放的剩余污泥量,进而计算2套工艺运行至第n天时的累计污泥排放量和表观污泥产率Yobs15Yobs计算公式如式(1)所示。

(1)

式中:ΔMLSS——系统每日产生的剩余污泥量,g/d;

Q——处理水量,L/d;

Ci——系统进水COD,g/L;

C0——系统出水COD,g/L。

1.3 分析方法

化学需氧量(COD)测定:重铬酸钾法;混合液悬浮固体浓度(MLSS)测定:重量法;总氮(TN)测定:过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;氨氮(NH4+-N)测定:纳氏试剂分光光度法;总磷(TP)测定:过硫酸钾消解—紫外分光光度法;硝氮(NO3--N)测定:氨基磺酸—分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 AOMBR-ASSR工艺污泥原位减量效能

AOMBR-ASSR污泥原位减量工艺与AOMBR参照工艺连续稳定运行120 d,累计剩余污泥排放量分别为357.44、443.82 g,2套工艺的平均表观污泥产率Yobs分别为0.17、0.14 gMLSS/gCOD。减量工艺因贮泥池的插入能有效减少污泥产量,平均污泥减量率为19.5%。相比活性污泥工艺,MBR工艺能够维持较高的污泥浓度和较长的污泥停留时间,从而使微生物的维持代谢和内源代谢被强化,促使系统剩余污泥量减少。减量工艺贮泥池的插入虽进一步增加了系统污泥的停留时间,但由于MBR工艺的本身特点,其对系统污泥产量的减少贡献较小11。减量工艺从好氧池回流至贮泥池的泥水混合物基质较少,当回流污泥在厌氧贮泥池停留时,由于环境ORP较低以及交替的好氧/厌氧环境,使得微生物细胞的合成代谢与分解代谢分离,从而产生这种由能量解偶联引发的污泥减量效应16。且减量工艺污泥由好氧环境进入厌氧贮泥池后,部分微生物由于基质缺乏而发生溶胞,在水解发酵型微生物的作用下作为二次基质被利用,溶胞-隐性生长17也促使污泥产量降低。

2.2 2套工艺的COD去除效能对比

2套工艺的COD去除效果如图2所示。

图2

图2   AOMBR和AOMBR-ASSR工艺的COD去除效果


2套工艺采用统一进水,进水COD平均为468 mg/L,参照工艺出水COD平均为22 mg/L,减量工艺出水COD平均为20 mg/L,参照工艺与减量工艺的平均COD去除率分别为95.3%、95.7%,且2种工艺在稳定运行阶段的出水COD均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。为明确2种工艺对COD的去除能力是否有差异,对2种工艺的去除率数据进行T检验,在置信度为95%的条件下,2种工艺COD去除率的T检验相伴概率为0.28,大于给定的显著性水平0.05,说明此工况下2种工艺的COD去除率没有显著差异。减量工艺中增加了贮泥池,由于大部分有机质在缺氧池及好氧池中被利用和降解,所以回流到贮泥池中的污泥溶解性COD含量低,贮泥池表现为典型的厌氧无外源基质环境18。减量工艺回流污泥经贮泥池特殊生境回流至主反应区后,能够刺激污泥微生物对有机质的利用。同时减量工艺主体反应区产生的一些大分子有机物颗粒,经过贮泥池水解酸化变成小分子更容易被微生物利用,所以相比参照工艺,减量工艺表现出略好的COD去除效果。

2.3 2套工艺的脱氮效能对比

减量工艺和参照工艺对氮的去除效果如图3图4所示。

图3

图3   AOMBR和AOMBR-ASSR工艺氨氮去除效果


图4

图4   AOMBR和AOMBR-ASSR工艺总氮去除效果


图3可知,2套工艺对NH4+-N均有较好的去除效果,参照工艺以及减量工艺出水氨氮质量浓度平均值分别为0.4、0.5 mg/L,平均去除率分别为99.13%、99.02%。参照工艺以及减量工艺出水总氮平均值分别为15.3、11.2 mg/L,平均去除率分别达到76.39%、82.02%。减量工艺对TN的去除率高于参照工艺。减量工艺仍具有良好的NH4+-N去除效果,表明减量工艺中贮泥池的插入没有影响系统硝化作用,这主要是由于硝化及亚硝化细菌属于自养微生物,贮泥池的特殊生境对其影响不大。与参照工艺相比,减量工艺具有更好的总氮去除效果,这可能是由于回流污泥在贮泥池中发生胞外聚合物的解离及溶胞现象,释放的有机质在水解发酵型微生物的作用下,转变为溶解性COD回流至缺氧池,强化了缺氧池反硝化作用对氮素的去除19。另减量工艺从好氧池回流至贮泥池的污泥中含有硝酸盐氮,在贮泥池中发生了内源反硝化作用,进而提高了氮去除效果15。同时减量工艺的污泥微生物经贮泥池后处于饥饿状态,相比参照系统,进入主体反应区后污泥微生物细胞的同化作用增强,使得减量工艺的总氮去除效果高于参照工艺。

2.4 2套工艺的除磷效能

减量工艺与参照工艺的磷去除效果如图5所示。

图5

图5   AOMBR和AOMBR-ASSR工艺的除磷效果


减量工艺及参照工艺出水TP平均值分别为0.65、1.76 mg/L,2套工艺对TP的平均去除率分别为87.58%、57.73%。减量工艺出水TP能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准要求。减量工艺具有明显的磷去除效果。活性污泥工艺中,磷的去除主要通过聚磷菌厌氧阶段的释磷以及好氧阶段过量的吸收磷,进而通过剩余污泥的排放完成。在参照工艺中,由于缺少厌氧环境,磷的去除主要通过污泥微生物的同化作用完成。减量工艺中贮泥池为厌氧环境,且存在污泥微生物水解酸化后产生的有机质,能够保证聚磷菌在厌氧环境中磷的释放,从而保证正常的磷代谢途径。同时减量系统污泥经厌氧贮泥池后处于饥饿状态,强化了进入主体工艺后对磷的同化去除效果。

2.5 污泥减量及污染物去除微生物机制分析

对于基于不同工艺类型的厌氧侧流污泥原位减量工艺,厌氧侧流池的插入对污泥减量起着至关重要的作用。影响系统污泥减量率的主要因素有污泥龄、厌氧侧流池氧化还原电位、污泥回流比及回流频率等20。AOMBR-ASSR工艺中污泥减量的发生主要是系统污泥微生物发生能量代谢解偶联、慢性生长微生物的富集以及厌氧侧流池发生污泥衰减等几种机制共同作用的结果21-22。Xinqiang Ning等18基于高通量测序技术对厌氧侧流污泥原位减量工艺(A+OSA工艺)微生物群落进行系统分析,发现系统厌氧侧流池也可能存在与污泥减量相关的功能性微生物。故AOMBR-ASSR工艺污泥减量的发生也可能与系统中减量功能性微生物相关。AOMBR-ASSR工艺在实现污泥原位减量同时,系统总氮以及总磷的去除能力也得到了提高。Z. Zhou等23基于厌氧侧流污泥原位减量工艺(A+OSA工艺),同样发现减量工艺TN去除效率提高了11.4%。Xinqiang Ning等18对A+OSA工艺氮代谢相关微生物的分析表明,减量工艺中与氮去除相关的微生物种类发生了变化,与硝化相关的微生物Nitrospira在减量工艺中有富集的现象,且减量工艺出现了更多未知微生物参与反硝化作用,从而使得系统总氮去除能力提高。AOMBR-ASSR工艺总氮去除能力的提高可能也与此类微生物相关。F. Ye等24研究表明厌氧侧流污泥原位减量工艺(OSA工艺)中厌氧侧流反应池的引入能够提高系统总磷去除率。P. Chudoba等25发现OSA工艺中聚磷菌占总微生物种类的50%~60%,而在普通的活性污泥工艺中聚磷菌一般约占10%。王建芳26也发现OSA工艺能富集与生物除磷相关的微生物。因此,AOMBR-ASSR工艺中总磷去除率的提高可能与生物除磷相关的微生物富集有关。

3 结论

(1)AOMBR-ASSR污泥原位减量工艺与AOMBR工艺连续稳定运行120 d,污泥表观产率分别为0.14、0.17 gMLSS/gCOD,减量工艺的污泥减量率平均为19.5%。减量工艺能够实现剩余污泥产量的减少,主要是由于贮泥池的插入使系统微生物发生能量代谢解偶联,这样细菌在维持正常底物分解的同时自身合成反应速率降低,污泥表观产率降低及好氧-厌氧环境耦合引起了污泥水解和内源代谢的污泥衰减共同作用。

(2)与AOMBR工艺相比,AOMBR-ASSR污泥原位减量工艺具有更好的TN及TP去除效果,减量工艺的TN及TP平均去除率分别较参照工艺提高了5.63%、29.86%。减量工艺贮泥池的插入能够促使系统总氮去除能力的提升,主要是由于贮泥池内发生了内源反硝化作用,系统除磷能力的提升可能是由于聚磷菌的富集以及贮泥池的插入提供了生物除磷所需的厌氧环境。

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