垃圾渗滤液、粪便污水与城市污水同步脱氮除碳中试*
导读:：为解决垃圾渗滤液、粪便污水与城市污水氮和有机物达标排放问题，以实际混合污水为进水，采用实际倒置A2/O工艺的模拟反应器，进行了中试规模的正交试验。结果表明，水力停留时间起决定性控制作用，延长水力停留时间是提高除污效果最为简捷有效的手段;当渗滤液、粪便污水和城市污水混合比为0.2:1.0:400、水温为28～34℃、泥龄为20d时，最优运行参数为HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此时COD、NH3-N和TN平均去除率分别为85.0%、96.5%和65.1%，出水浓度满足国家一级A排放标准，三种污水同时处理同时达标。较常规工况，COD、NH3-N和TN去除率分别提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率涨幅较大，工艺优化后有效解决了混合处理后面临的脱氮率低的严重问题。因试验水温与广州地区常水温接近，故结果具有一定代表性。研究同时证明，粪便污水可做为外加碳源，适量的添加到城市污水处理系统中，提高生化处理效率。
关键词：垃圾渗滤液，粪便污水，城市污水，脱氮，除碳，倒置A2/O工艺，正交试验，水力停留时间
垃圾渗滤液、粪便污水含有高浓度的有机物和氨氮[1-2]，以场内或场外处理为主[2-6]。因场内处理投资大、处理能力有限等问题，场外处理逐渐引起人们的关注[7-9]。广州市大坦沙污水厂自2005年起，接纳渗滤液、粪便污水分别与城市污水同步处理。实践表明，因污染物浓度高、进入时间不定及接入方式不当等原因，微生物活性下降，反应池和浓缩池“死泥”增多，出水水质受到不同程度的影响，其中以总氮最为严重[10，11]。该厂三期处理系统未来还将有同时接纳渗滤液和粪便污水的任务，如何保证氮和有机物的达标排放迫在眉睫。笔者前期研究了渗滤液与城市污水、粪便污水与城市污水同步脱氮除碳[12-15]，以及渗滤液、粪便污水与城市污水混合比例[16]的有关问题;文献[17]仅是分析了渗滤液与城市污水、粪便污水与城市污水分别合并处理的效果，但对于三种污水同步脱氮除碳的研究目前还未见报道。为此，本研究采用大坦沙污水厂三期处理工艺的模拟反应器，以实际混合污水为进水，在现场进行了中试，确定了关键影响因素的显著性和最优工况，代表性工况下实现了三种污水氮和有机物同时处理同时达标。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
试验装置如图1所示。该装置为钢板焊接而成，模拟大坦沙污水厂倒置A2/O工艺设计。前端为调节池，内设搅拌机，保证渗滤液、粪便污水和城市污水混合均匀。装置主体有效体积约4m3，长×宽=4.51m×0.8 m，有效水深为1.1m。用隔板分成缺氧池、厌氧池、好氧1池和好氧2池，体积比例约为1：0.5：1.25：1.25。缺/厌氧池设有搅拌机。好氧池尾部设混合液回流管，底部设有微孔曝气器。末端为沉淀池，长×宽=1.5m×0.8m，有效水深为0.5m，泥斗高为0.68m，有效体积约0.9m3，底部设排泥管和污泥回流管。
|
图1 中试装置 Fig. 1 Schematic diagram of test installation |
1.进水泵 2.空气压缩机 3.转子流量计 4.污泥回流泵5.混合液回流泵 6.电动搅拌机 7.微孔曝气器 8.在线DO仪 9.排泥管 10.出水管 I.调节池 II.缺氧池 III.厌氧池 IV.好氧1池V.好氧2池 VI.沉淀池
1.2 试验设计
活性污泥法去除氮和有机物是多种底物和多种微生物相互耦合反应的结果，其过程变化受多种因素影响，单一参数变化而其他参数不变的情况是不存在的[18]免费。因此，本研究采用正交试验方法，考察多参数共同作用下处理效果，判断影响因素的显著性，确定最优工艺条件。
根据实际运行经验，将水力停留时间、好氧池溶解氧浓度、污泥回流比和混合液回流比4个可控参数选为考察因素，每个因素选择3个代表性水平，如表1。
表1 正交试验设计
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 试验方法
渗滤液、粪便污水和城市污水分别取自广州市兴丰垃圾填埋场、广州市白沙河无害化处理厂和大坦沙污水厂沉砂池出水，在调节池按0.2:1.0:400的体积比[16]混合，水质见表2。其中，粪便污水COD/ TN为14.6，BOD/COD为0.62，碳源丰富，可生化性较好。与城市污水和渗滤液混合后，混合污水C/N比为5.9，BOD/COD为0.75，较城市污水C/N比(C/N比=5.4)和B/C比(B/C比=0.43)分别增加了9.3%和74.4%，较渗滤液C/N比(C/N比=3.8)和B/C比(B/C比=0.34)分别增加了55.3%和120.6%，与粪便污水混合处理对于城市污水，特别是南方地区低碳源城市污水生化处理[16]有益，也利于降低渗滤液处理难度。
表2 用水水质
Tab.2 wastewater quality
|
项目 |
COD /(mg.L-1) |
NH3－N /(mg.L-1) |
TN /(mg.L-1) |
COD/ TN |
BOD /(mg.L-1) |
BOD /COD |
|
渗滤液 |
16750 |
4000 |
4400 |
3.8 |
5650 |
0.34 |
|
粪便污水 |
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 |
为保证数据的可靠性，每组试验取数日平行试验均值作为最后结果。取样频率为2次/d，主要水质分析项目有COD、NH3-N、TN、NO3--N和NO2--N等，采用国家标准分析方法测试。DO和pH分别采用HACHsc100 在线溶氧仪和CYBERSCAN510型pH计测定。
2 结果与讨论
2.1 正交试验结果及统计分析
按照L9(34)安排试验，以NH3-N、TN和COD去除率为水质评价指标，9种试验方案下对污染物的去除效果及直观分析如表3所示。试验期间水温为27～30℃，泥龄保持20d。
表3 正交试验结果及直观分析
Tab.3Orthogonalexperimental results and intuitive analysis
|
项目 |
试验 编号 |
A |
B |
C |
D |
评价指标 |
||
|
COD 去除率/% |
NH3-N 去除率/% |
TN 去除率/% |
||||||
|
试验 结果 |
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 去除率极差计算 |
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 去除率极差计算 |
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 去除率极差计算 |
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：★代表最优水平 |
||||||||
由表3看出，COD去除率为71.2%～82.5%，平均为76.8%;NH3-N去除率为48.9%～95.9%，平均为73.3%;TN去除率为35.4%～61.8%，平均为45.9%。TN去除率相对偏低，但据文献[19]提供的理论公式计算，TN理论去除率为48.8%～74.5%，高于实际值12.7%～13.4%，说明若严格控制操作条件环境保护，TN去除率还有较大提升潜力。相对而言，氮的去除受工艺条件影响较大，而COD去除则表现较为稳定。
极差可反映各因素对混合污水处理效能影响的主次顺序。比较极差大小可知：对于去除COD，A>B>D>C，即主次顺序为水力停留时间>好氧池溶解氧浓度>混合液回流比>污泥回流比;对于去除NH3-N，A>B>C>D，即主次顺序为水力停留时间>好氧池溶解氧浓度>污泥回流比>混合液回流比;对于去除TN，D>A>B>C，即主次顺序为混合液回流比>水力停留时间>好氧池溶解氧浓度>污泥回流比，其中混合液回流比和水力停留时间的极差分别为14.633和10.834，影响力接近。
方差分析[20]判断各因素影响的显著性，得到表4。
表4方差分析表
Tab.4 Anova table
|
方差 来源 |
偏差平方和 |
自 由 度 |
F |
F临界值/显著性 |
||||||
|
氨氮 |
总氮 |
COD |
氨氮 |
总氮 |
COD |
氨氮 |
总氮 |
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/** |
||
|
误差 |
18.98 |
12.51 |
3.67 |
|||||||
|
注：***表示影响显著，**表示影响较大，*表示影响较小 |
||||||||||
比较表4所列各因素的F和F临界值可知，对于硝化，FA> F0.01，FB> F0.1，水力停留时间影响显著，好氧池溶解氧浓度影响较小，污泥回流比和混合液回流比基本无影响;对于反硝化，FD> F0.05，FA> F0.1， 混合液回流比影响较大，水力停留时间影响较小，好氧池溶解氧浓度和污泥回流比基本无影响;对于去除有机物，FA> F0.05，水力停留时间影响较大，其他因素基本无影响。
由上述分析得到，水力停留时间是唯一对所有指标都有影响的因素，且影响力较大，污泥回流比则基本无影响。结合表3，当延长水力停留时间，例如由7h(7#～9#试验)延长到11h(1#～3#试验)时，氨氮去除率由48.9%～58.3%增至78.1%～95.9%，平均增幅为36.9%;总氮去除率由35.4%～49.7%升至41.4%～61.8%，平均增幅为10.9%;COD去除率由71.2%～73.9%提高到79.8%～82.5%，平均增幅为8.2%。各项指标去除率均出现不同程度的增幅，以硝化率最为明显。这是因为HRT短，硝化、反硝化作用进行得不充分，吸附于基质上的大量氨氮未来得及转化便随出水流出了系统[21]; HRT长，为硝化反硝化反应提供所需了时间，处理效果可获得首要保障。从试验结果看，延长水力停留时间是提高混合污水处理效果，特别是硝化效果的最为简捷有效手段。
2.2 最佳工况的确定及效果分析
由表3得到各个因素的最优水平组合环境保护，如表5所示。
表5 不同评价指标的最优水平
Tab.5 Evaluation of the optimal level of different
|
项目 |
最优水平 |
|||
|
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，不同指标其他因素的最优水平有所不同。对于DO水平，TN为3mg/L，而NH3-N和COD则为4mg/L。结合表3，当DO由3mg/L升至4mg/L时，NH3-N平均去除率增长了2.97%，而COD平均去除率则提高了0.3%，去除效果相差不大，同时考虑能耗，以及过度曝气导致回流至缺氧池的溶解氧增加而影响反硝化等因素，DO浓度取3mg/L。对于污泥回流比，NH3-N和TN为100%，而COD为80%。当污泥回流比由80%增至100%时，COD去除率仅变化了0.03%，因此，污泥回流比统一取100%。同理，混合液回流比取200%。
综上，确定系统最佳运行参数为：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%。保持该条件，在水温为28～34℃，泥龄为20d时运行15d，结果如图2～4所示。
|
图3 最佳工况下TN去除效果 Fig.3 Removal effect of TN on opitimal operation parameters |
|
图2 最佳工况下NH3-N去除效果 Fig.2 Removal effect of NH3-N on opitimal operation parameters |
|
图4 最佳工况下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
|
图4 最佳工况下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
在最优工况下，脱氮除碳率相对较高，污染物去除效果良好、稳定。当进水COD为123~195mg/L时，出水COD最低为16mg/L，最高为30 mg/L，去除率为77.8～89.6%，平均为85.0%;当进水NH3-N为21.9~30.4mg/L时，出水NH3-N为0.5 ～1.3 mg/L，硝化率高达95.0～97.9%，平均为96.5%;当进水TN为25.7~34.7mg/L时，出水TN在8.6mg/L到12.6mg/L之间变化，去除率为62.2～68.7%，平均为65.1%网。各项指标出水浓度均满足国家一级A排放标准。较表3所列常规工况，COD、NH3-N和TN去除率分别提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率涨幅较大。工艺优化后有效解决了混合处理后面临的最严重问题，
即脱氮率低的问题。
上述结果说明渗滤液、粪便污水与城市污水同时处理也可以实现同时达标。除大量城市污水的缓冲、稀释作用外，还有一个重要原因分析是高碳粪便污水为城市污水补充了充足的碳源。通过计算可以证明：该工况下COD去除量与TN去除量的比值为5.40～8.74，平均为7.19，是全程反硝化脱氮所需理论有机碳源(2.86g /gNO3--N)的2.5倍[22]。该计算结果从另一角度说明粪便污水可做为外加碳源，适量添加到城市污水处理系统中，提高生化处理效率。
出水氮的形态主要有氨氮、有机氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮[23]。分析最佳工况下出水氮的形态(表5)可知，其主要形态为硝酸盐氮，平均浓度为8.52mg/L环境保护，占总浓度的83.37%，亚硝酸盐氮比例最小，为2.45%。说明氮主要通过全程硝化反硝化途径[24-26]去除。在后续研究中可考虑通过短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等途径脱氮，进一步节约能耗[27-29]，实现混合污水处理系统高效经济运行。
表5 最优工况下出水氮的形态
Tab.5 Theoptimal conditions effluent TN composition analysis
|
项目 |
氨氮 |
有机氮 |
硝酸盐氮 |
亚硝酸盐氮 |
|
浓度/(mg.L-1) |
0.75 |
0.70 |
8.52 |
0.25 |
|
占出水总浓度比例/% |
7.33 |
6.85 |
83.37 |
2.45 |
4 结论
(1)在水力停留时间、好氧池溶解氧浓度、污泥回流比和混合液回流比4个影响因素中，水力停留时间起决定性控制作用;延长水力停留时间是提高混合污水处理效果，特别是硝化效果的最为简捷有效手段。
(2)当垃圾渗滤液、粪便污水和城市污水混合比为0.2:1.0:400、水温为28～34℃、泥龄为20d时，正交试验得到混合污水同步脱氮除碳最佳运行参数是：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此时COD、NH3-N和TN平均去除率分别为85.0%、96.5%和65.1%，出水浓度均在国家一级A排放标准以内，实现了三种污水同时处理同时达标。较常规工况，COD、NH3-N和TN去除率分别提高了8.2%、23.2%和19.2%，氮的去除率涨幅较大，工艺优化后有效解决了混合处理后面临的脱氮率低的严重问题。
(3)粪便污水可做为外加碳源，适量添加到城市污水处理系统中，提高生化处理效率。
据统计，广州地区月平均气温一年中约有8～9个月在20℃以上，约有6～7个月在25℃以上，2009年和2010年广州地区平均气温分别为22.3℃和23.2℃，与试验期间水温接近，因此试验工况和结果具有一定的代表性，利于解决广州地区城市污水厂混合污水处理系统运营管理中出现的矛盾。在条件适宜时，本研究提出的运行模式也可借鉴到其他城市污水厂，用于解决渗滤液和粪便污水处置问题，节约投资与能耗，改善水生态环境。
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