垃圾滲濾液、糞便污水與城市污水同步脫氮除碳中試*
導讀:：為解決垃圾滲濾液、糞便污水與城市污水氮和有機物達標排放問題，以實際混合污水為進水，采用實際倒置A2/O工藝的模擬反應器，進行了中試規模的正交試驗。結果表明，水力停留時間起決定性控制作用，延長水力停留時間是提高除污效果最為簡捷有效的手段;當滲濾液、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，最優運行參數為HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此時COD、NH3-N和TN平均去除率分別為85.0%、96.5%和65.1%，出水濃度滿足國家一級A排放標準，三種污水同時處理同時達標。較常規工況，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，工藝優化后有效解決了混合處理后面臨的脫氮率低的嚴重問題。因試驗水溫與廣州地區常水溫接近，故結果具有一定代表性。研究同時證明，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中，提高生化處理效率。
關鍵詞：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，水力停留時間
垃圾滲濾液、糞便污水含有高濃度的有機物和氨氮[1-2]，以場內或場外處理為主[2-6]。因場內處理投資大、處理能力有限等問題，場外處理逐漸引起人們的關注[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。實踐表明，因污染物濃度高、進入時間不定及接入方式不當等原因，微生物活性下降，反應池和濃縮池“死泥”增多，出水水質受到不同程度的影響，其中以總氮最為嚴重[10，11]。該廠三期處理系統未來還將有同時接納滲濾液和糞便污水的任務，如何保證氮和有機物的達標排放迫在眉睫。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]的有關問題;文獻[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，但對于三種污水同步脫氮除碳的研究目前還未見報道。為此，本研究采用大坦沙污水廠三期處理工藝的模擬反應器，以實際混合污水為進水，在現場進行了中試，確定了關鍵影響因素的顯著性和最優工況，代表性工況下實現了三種污水氮和有機物同時處理同時達標。
1 試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置如圖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工藝設計。前端為調節池，內設攪拌機，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×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/厭氧池設有攪拌機。好氧池尾部設混合液回流管，底部設有微孔曝氣器。末端為沉淀池，長×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，底部設排泥管和污泥回流管。
|
圖1 中試裝置 Fig. 1 Schematic diagram of test installation |
1.進水泵 2.空氣壓縮機 3.轉子流量計 4.污泥回流泵5.混合液回流泵 6.電動攪拌機 7.微孔曝氣器 8.在線DO儀 9.排泥管 10.出水管 I.調節池 II.缺氧池 III.厭氧池 IV.好氧1池V.好氧2池 VI.沉淀池
1.2 試驗設計
活性污泥法去除氮和有機物是多種底物和多種微生物相互耦合反應的結果，其過程變化受多種因素影響，單一參數變化而其他參數不變的情況是不存在的[18]免費。因此，本研究采用正交試驗方法，考察多參數共同作用下處理效果，判斷影響因素的顯著性，確定最優工藝條件。
根據實際運行經驗，將水力停留時間、好氧池溶解氧濃度、污泥回流比和混合液回流比4個可控參數選為考察因素，每個因素選擇3個代表性水平，如表1。
表1 正交試驗設計
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、廣州市白沙河無害化處理廠和大坦沙污水廠沉砂池出水，在調節池按0.2:1.0:400的體積比[16]混合，水質見表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于城市污水，特別是南方地區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
Tab.2 wastewater quality
|
項目 |
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 |
為保證數據的可靠性，每組試驗取數日平行試驗均值作為最后結果。取樣頻率為2次/d，主要水質分析項目有COD、NH3-N、TN、NO3--N和NO2--N等，采用國家標準分析方法測試。DO和pH分別采用HACHsc100 在線溶氧儀和CYBERSCAN510型pH計測定。
2 結果與討論
2.1 正交試驗結果及統計分析
按照L9(34)安排試驗，以NH3-N、TN和COD去除率為水質評價指標，9種試驗方案下對污染物的去除效果及直觀分析如表3所示。試驗期間水溫為27～30℃，泥齡保持20d。
表3 正交試驗結果及直觀分析
Tab.3Orthogonalexperimental results and intuitive analysis
|
項目 |
試驗 編號 |
A |
B |
C |
D |
評價指標 |
||
|
COD 去除率/% |
NH3-N 去除率/% |
TN 去除率/% |
||||||
|
試驗 結果 |
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去除率相對偏低，但據文獻[19]提供的理論公式計算，TN理論去除率為48.8%～74.5%，高于實際值12.7%～13.4%，說明若嚴格控制操作條件環境保護，TN去除率還有較大提升潛力。相對而言，氮的去除受工藝條件影響較大，而COD去除則表現較為穩定。
極差可反映各因素對混合污水處理效能影響的主次順序。比較極差大小可知：對于去除COD，A>B>D>C，即主次順序為水力停留時間>好氧池溶解氧濃度>混合液回流比>污泥回流比;對于去除NH3-N，A>B>C>D，即主次順序為水力停留時間>好氧池溶解氧濃度>污泥回流比>混合液回流比;對于去除TN，D>A>B>C，即主次順序為混合液回流比>水力停留時間>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，對于硝化，FA> F0.01，FB> F0.1，水力停留時間影響顯著，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影響;對于反硝化，FD> F0.05，FA> F0.1， 混合液回流比影響較大，水力停留時間影響較小，好氧池溶解氧濃度和污泥回流比基本無影響;對于去除有機物，FA> F0.05，水力停留時間影響較大，其他因素基本無影響。
由上述分析得到，水力停留時間是唯一對所有指標都有影響的因素，且影響力較大，污泥回流比則基本無影響。結合表3，當延長水力停留時間，例如由7h(7#～9#試驗)延長到11h(1#～3#試驗)時，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%。各項指標去除率均出現不同程度的增幅，以硝化率最為明顯。這是因為HRT短，硝化、反硝化作用進行得不充分，吸附于基質上的大量氨氮未來得及轉化便隨出水流出了系統[21]; HRT長，為硝化反硝化反應提供所需了時間，處理效果可獲得首要保障。從試驗結果看，延長水力停留時間是提高混合污水處理效果，特別是硝化效果的最為簡捷有效手段。
2.2 最佳工況的確定及效果分析
由表3得到各個因素的最優水平組合環境保護，如表5所示。
表5 不同評價指標的最優水平
Tab.5 Evaluation of the optimal level of different
|
項目 |
最優水平 |
|||
|
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，不同指標其他因素的最優水平有所不同。對于DO水平，TN為3mg/L，而NH3-N和COD則為4mg/L。結合表3，當DO由3mg/L升至4mg/L時，NH3-N平均去除率增長了2.97%，而COD平均去除率則提高了0.3%，去除效果相差不大，同時考慮能耗，以及過度曝氣導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。對于污泥回流比，NH3-N和TN為100%，而COD為80%。當污泥回流比由80%增至100%時，COD去除率僅變化了0.03%，因此，污泥回流比統一取100%。同理，混合液回流比取200%。
綜上，確定系統最佳運行參數為：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%。保持該條件，在水溫為28～34℃，泥齡為20d時運行15d，結果如圖2～4所示。
|
圖3 最佳工況下TN去除效果 Fig.3 Removal effect of TN on opitimal operation parameters |
|
圖2 最佳工況下NH3-N去除效果 Fig.2 Removal effect of NH3-N on opitimal operation parameters |
|
圖4 最佳工況下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
|
圖4 最佳工況下COD去除效果 Fig.4 Removal effect of COD on opitimal operation parameters |
在最優工況下，脫氮除碳率相對較高，污染物去除效果良好、穩定。當進水COD為123~195mg/L時，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%;當進水NH3-N為21.9~30.4mg/L時，出水NH3-N為0.5 ～1.3 mg/L，硝化率高達95.0～97.9%，平均為96.5%;當進水TN為25.7~34.7mg/L時，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。各項指標出水濃度均滿足國家一級A排放標準。較表3所列常規工況，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。工藝優化后有效解決了混合處理后面臨的最嚴重問題，
即脫氮率低的問題。
上述結果說明滲濾液、糞便污水與城市污水同時處理也可以實現同時達標。除大量城市污水的緩沖、稀釋作用外，還有一個重要原因分析是高碳糞便污水為城市污水補充了充足的碳源。通過計算可以證明：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碳源(2.86g /gNO3--N)的2.5倍[22]。該計算結果從另一角度說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中，提高生化處理效率。
出水氮的形態主要有氨氮、有機氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮[23]。分析最佳工況下出水氮的形態(表5)可知，其主要形態為硝酸鹽氮，平均濃度為8.52mg/L環境保護，占總濃度的83.37%，亞硝酸鹽氮比例最小，為2.45%。說明氮主要通過全程硝化反硝化途徑[24-26]去除。在后續研究中可考慮通過短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等途徑脫氮，進一步節約能耗[27-29]，實現混合污水處理系統高效經濟運行。
表5 最優工況下出水氮的形態
Tab.5 Theoptimal conditions effluent TN composition analysis
|
項目 |
氨氮 |
有機氮 |
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 結論
(1)在水力停留時間、好氧池溶解氧濃度、污泥回流比和混合液回流比4個影響因素中，水力停留時間起決定性控制作用;延長水力停留時間是提高混合污水處理效果，特別是硝化效果的最為簡捷有效手段。
(2)當垃圾滲濾液、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，正交試驗得到混合污水同步脫氮除碳最佳運行參數是：HRT=11h、DO=3mg/L、R=100%、r=200%，此時COD、NH3-N和TN平均去除率分別為85.0%、96.5%和65.1%，出水濃度均在國家一級A排放標準以內，實現了三種污水同時處理同時達標。較常規工況，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，工藝優化后有效解決了混合處理后面臨的脫氮率低的嚴重問題。
(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中，提高生化處理效率。
據統計，廣州地區月平均氣溫一年中約有8～9個月在20℃以上，約有6～7個月在25℃以上，2009年和2010年廣州地區平均氣溫分別為22.3℃和23.2℃，與試驗期間水溫接近，因此試驗工況和結果具有一定的代表性，利于解決廣州地區城市污水廠混合污水處理系統運營管理中出現的矛盾。在條件適宜時，本研究提出的運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題，節約投資與能耗，改善水生態環境。
參考文獻：
[1]徐崢勇，楊朝暉，曾光明，等.序批式生物膜反應器(SBBR)處理高氨氮滲濾液的脫氮機理研究[J].環境科學學報，2006，26(1)：55-60
[2]魯寧，周健，何強.高濃度糞便污水處理廠泡沫成因及控制措施研究[J].中國給水排水，2007，23(13):45~48
[3]周彥，濮文虹，楊昌柱，等.動態膜-生物反應器對化糞池廢水的處理[J].環境科學與技術，2007，30(5)：75~77
[4]Y.Magara，K.Nishimura,M.Itoh，M.Tanaka.Biological denitrificationsystem with membrane separation for col-lective human excreta treatmentplant.Wat. Sci. Tech.，1992，25(10)：241~251
[5]But.E.P，Morse.G.K，Guy.J.A,Lester.J.N.Co-recyclingof sludge and municipal waste：a cost-benefit analysis. En-viron.Technol.，1998，19：1163~1175
[6]陳瑜.成都地區垃圾滲濾液-城市污水合并處理可行性研究[M].西南交通大學碩士學位，2008:28-30
[7]But.E.P，Morse.G.K，Guy.J.A，Lester.J.N.Co-recycling ofsludge and municipal waste：a cost-benefit analysis. En-viron.Technol，1998，19：1163-1175
[8]石明巖，馮兆繼，余建恒，等.垃圾滲濾液與城市污水同步脫氮影響因素分析[J]. 廣州大學學報(自然科學版)2010，9(3)：56-59
[9]石明巖，莫東華，馮兆繼，等.糞便污水與城市污水混合脫氮試驗[J].蘭州理工大學學報(自然科學版)，2009，35(4)：65-69
[10]余建恒，趙淑賢，夏耿東，等.接入垃圾滲濾液對城市污水廠運行的影響與對策[J]. 中國給水排水，2010，26(4)：95-97
[11]何康生，余建恒，葉恒朋，等.糞便水對大坦沙污水廠生產運行的影響及控制措施[J].中國給水排水.2007，23(24)：92-94
[12]石明巖，馮兆繼，余建恒，等.城市污水混合垃圾滲濾液脫氮試驗研究[J].環境工程，2010，28(5)：39-46
[13]石明巖，馮兆繼，余建恒，等.垃圾滲濾液與城市污水合并處理脫氮[J].節水灌溉，2009，8：10-12
[14]石明巖，莫東華，馮兆繼，等.糞便污水與城市污水合并處理脫氮特性[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2009，32(8)：1178-1182
[15]石明巖，莫東華，馮兆繼，等.糞便污水與城市污水同步脫氮的優化控制[J]. 安徽農業大學學報，2011，38(1)：95-100
[16]石明巖，莫東華，馮兆繼，等.南方地區垃圾滲濾液、糞便污水與城市污水合并處理初步研究[J].給水排水，2010，36(4)：39-43
[17]王偉峰，周少奇，余建恒，等.糞便水、滲濾液與城市污水合并處理的效果分析[J].中國給水排水，2010，26(15)：19-22
[18]藍梅，周雪飛，顧國維.ASM1模型參數的多因素靈敏度分析[J].中國給水排水，2006，22(23)：56-58
[19]馮兆繼，石明巖，莫東華.倒置A2/O工藝氮平衡與脫氮效率的分析[J].化工環保，2008，28(5)：388~390
[20]張忠樸.試驗設計速學活用法[M].廣州:廣東經濟出版社，2005.123-135
[21]黃娟，王世和，雒維國，等.基于遺傳神經網絡的人工濕地脫氮效果影響因素研究[J]. 中國給水排水，2007，23(9)：10-14
[22]GoronszyM. C. Course Noteson intermittently operated activated sludge plants. Australia: Department of Chemi-calEngineering, University of Queensland,1992
[23]鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1998，11
[24]Metcalfand Eddy Inc.Wastewater engineering treatment and reuse[M].4th.Beijing:Tsinghua University Press，2003:284-288
[25]Chen S，Sun D Z，Chung J S.Simultaneousremoval of COD and ammonium from landfill leachate using anaerobic-aerobicmoving-bed biofilm reactor system[J].Waste Management，2008，28(2):339-346
[26]QureshiA，Lo K V，Liao P H，et al.Real-time treatmentof dairy manure:Implication of oxidation reduction potential regimes tonutrient management strategies[J].Bioresource Technology，2008，99(5):1169-1176
[27]BECCARIM，MARANI E，RAMADORIR,et al.Ki-netic of dissin ilatory nitrate and nitrite reduction in sus-pendedgrowth culture[ J]. JWat Pollut Control Fed,1983，55：58-64
[28]TURK O, MAVINIC D S. Benefits ofusing selective in-hibition to removenitrogen from highly nitrogenous wastes[J]. Environ Technol Lett，1987，8:：419-426
[29]ZHAOHW, MAVINIC DS, OLDHAMWK. Controllingfactorsfor si-multaneousnitrification and denitrification in a two-stage intermittent aeration processtreating domestic sewage[J].Water Research，1999，33(4):：971-978
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
