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水 污 染 治 理 不同曝气能耗对水蚯蚓原位消解污泥的影响 * 黄伟飞 1 舒英钢 1 蔡璐 2 斯昇亮 1 金建华 1 黄铁锋 1 1. 诸暨市菲达宏宇环境发展有限公司，浙江 诸暨 311800;2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101 摘要 水蚯蚓原位消解污泥过程中， 曝气参数的设定十分重要。为评价曝气能耗对水蚯蚓消解污泥的影响并设定适宜的 曝气量， 研究污水处理系统耦合水蚯蚓后不同曝气梯度下的运行情况， 并对耦合水蚯蚓前后的系统进行比较。结果表 明 溶解氧最适范围为 2 ～3 mg/L， 曝气能耗约为 0. 19 kW h/t; 溶解氧高于 3 mg/L 时系统能效并无提高， 且能耗增大。 关键词 水蚯蚓; 原位消解污泥; 曝气能耗; 溶解氧; 污水处理 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 001 THE EFFECT OF DIFFERENT ENERGY CONSUMPTION OF AERATION ON IN- SITU SLUDGE REDUCTION BY AQUATIC WORMS Huang Weifei1Shu Yinggang1Cai Lu2Si Shengliang1Jin Jianhua1Huang Tiefeng1 1. Zhuji Feida Hongyu Environmental Protection Equipments Co． ，Ltd，Zhuji 311800，China; 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China AbstractDuring the process of in-situ sludge reduction by aquatic worms，aeration parameter is crucial． To assess the effect of energy consumption of aeration on the sludge reduction and determine an optimal aeration parameter，it was investigated the operations of aquatic worm reactor in different aerations as well as compared the treatment results of conventional reactor and aquatic worm reactor．Results revealed that the optimal concentration of dissolved oxygen was 2 ～ 3 mg/L and the corresponding power of aeration was around 0. 19 kWh/t． When the concentration of dissolved oxygen was above 3 mg/L，the aeration efficiency was not improved with only power consumption increased． Keywordsaquatic worms;in-situ sludge reduction;power consumption of aeration;dissolved oxygen;wastewater treatment * 国家高技术研究发展计划 863 项目 2009AA064301 。 0引言 水蚯蚓原位消解污泥技术是利用水蚯蚓摄食污 泥的生物学原理， 在污水处理过程中进行原位污泥减 量 ［1- 2］， 可结合水质条件通过调控水蚯蚓的生长达到 良好的污泥减量效果 ［3］， 该技术已在污水处理工程 中展现出较好的应用前景 ［4］。水蚯蚓原位消解污泥 的过程中， 适宜的环境条件 ［5］、 污泥减量前后的性质 变化 ［6］以及重金属等污染物的迁移转化［7］等方面已 进行了较全面的研究， 证实了这一技术的可应用性。 与此同时， 工程应用中的能耗已成为倍受人们关注的 问题。 污水处理系统中， 曝气能耗占系统总能耗的比重 最大 ［8- 9］。对于好氧生物处理工艺而言， 氧由气相转 移至液相的过程以及氧被生物消耗利用的过程十分 重要 ［10］。在大量工艺中， 氧转移率对于污水中的生 物生长有决定性作用， 从而影响污水处理进展 ［11- 12］。 由此可见， 当污水处理系统的能耗不变时， 溶解氧的 利用成为节省能耗的关键。研究表明， 曝气量相同 时， 添加水蚯蚓不仅不会产生额外电耗， 还可充分利 用系统中的溶解氧， 提高氧利用率 ［5］。Hendrickx 的 研究表明， 水蚯蚓对缺氧环境有一定耐受能力， 但低 溶解氧会抑制其生命活动 ［13］。因此， 最佳溶解氧浓 度应是既可保证系统较高的污泥减量 水蚯蚓正常 生长 ， 又不浪费曝气能耗。 本文研究了污水处理系统耦合水蚯蚓后不同曝 气梯度下的运行情况， 并对耦合水蚯蚓前后的污水处 理系统进行比较分析， 以此了解不同曝气能耗下， 水 蚯蚓原位消解污泥技术的污泥减质比例与水质变化， 也为甄别两种污水处理工艺 传统活性污泥法与水 蚯蚓原位消解污泥技术 的能耗提供理论参考。 1 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 1试验部分 1. 1试验材料 试验所采用生活污水的主要理化性质为 初始 ρ COD 为 250. 5 1. 01 mg/L，ρ NH3-N 为 20. 16 0. 22mg/L， pH 为 6. 97， ρ TP 为 1. 98 0. 03mg/L。试验所需水蚯蚓取自于诸暨市污水处 理厂， 水蚯蚓品种主要为霍夫水丝蚓 L． hoffmeisteri ， 将其在清水中培养 48 h 净化肠道， 然后混合均匀。 1. 2试验装置 试验装 置 为 自 制 玻 璃 反 应 器， 反 应 器 尺 寸 为 0. 50 m 0. 40 m 0. 35 m。将用于试验的污水加入 反应器， 系统有效体积为 50 L， 其中， 进水 25 L， 泥为 25 L。试验分两部分， 第一部分为 在反应器中添加 活性污泥、 污水以及 60 g 水蚯蚓 以下简称为“水蚯 蚓反应器” ， 设定不同曝气梯度进行试验。第二部 分为 试验设两组， 一组为空白组， 只添加活性污泥和 污水， 另一组为水蚯蚓组， 除活性污泥和污水外， 另添 加水蚯蚓 60 g， 同时监测空白组和水蚯蚓组。 反应器均为静态装置 试验开始时加水， 期间不 再连续进水 ， 每组设 3 个重复。试验期间， 反应器内 进行间歇曝气， 曝气量由浮子流量计调节控制。保持 各组恒温为 20 ℃ ， 试验周期为 32 d。 1. 3分析项目与方法 试验 期 间， 使 用 溶 解 氧 在 线 监 测 仪 HACH LDO 监测各组溶解氧 DO ， 每天定时测定进出水 的 COD、 NH3-N、 pH 和 TP， 每 5 d 测定 1 次 MLSS。 为定量描述水蚯蚓反应器在试验开始与结束时 的污泥减量效果， 以及水蚯蚓组相对于空白组的污泥 减量效果， 本文以“污泥自减率” 表示水蚯蚓反应器 在试验开始与结束时的污泥质量削减率， 计算公式如 式 1 所示。 R MLSS0－ MLSSt MLSS0 100 1 式中R 污泥自减率， ; MLSS0 试验开始时的 MLSS 初始值， mg/L; MLSSt 试验第 t 天的 MLSS 值， mg/L。 另以“相对减质比例” 表示经等时间处理后的水 蚯蚓组比空白组的污泥质量削减比例， 计算公式如式 2 所示。 P MLSSc－ MLSSw MLSSc 100 2 式中P 相对减质比例， ; MLSSc 空白组的 MLSS 值， mg/L; MLSSw 水蚯蚓组的 MLSS 值， mg/L。 预实验结果表明， 污泥自减率和 COD 去除率随 DO 的上升而增大， 其因变量趋势适宜采用以下指数 方程进行拟合 y yi AeR0 x 3 式中y 污泥自减率或 COD 去除率， ; x DO 值， mg/L; yi、 A 和 R0均为拟合系数。 在细胞反应过程动力学中， 基于以下基本假设 均衡型生长、 单限制底物和菌体得率为常数时， 混合 液中的 多 种 生 物 和 底 物 间 一 一 相 对 应 地 存 在 着 Monod 关系。在水蚯蚓反应器中， 由于细胞生长速度 较缓慢、 细胞浓度较低， 可将氧气的消耗作为限制性 基质的消耗， 采用 Monod 方程计算生物比增长速率。 因此在水蚯蚓反应器中， 水蚯蚓的比增长速率可采用 Monod 方程进行拟合 μ μmax ρ Ks ρ 4 式中μ 生物的比增长速率， d － 1; μmax 最大比增长速率， d － 1; ρ 限制性基质浓度， mg/L; Ks 半饱和常数。 本研究采用 Matlab 7. 0 和 Origin 8. 0 进行公式 拟合， 采用 SPSS 17. 0 进行显著性分析。 2结果与讨论 2. 1不同曝气能耗时的污泥减质比例 使用 DO 可更直观地反映反应器内的充氧状况， 因此本文以 DO 值衡量不同的曝气梯度。本试验初 始 ρ MLSS 为 6195. 8 13. 2mg/L， 通过调节流量 计设定不同曝气梯度， 使水蚯蚓反应器内 ρ DO 分 别为 1. 09 0. 22 mg/L、 1. 51 0. 19 mg/L、 2. 03 0. 22mg/L、 2. 45 0. 15mg/L、 3. 02 0. 20mg/L、 4. 01 0. 20mg/L 和 4. 98 0. 25mg/ L， 在不同曝气梯度下， 分别计算水蚯蚓反应器的污泥 自减率， 如图 1 所示。由图 1 可见 ρ DO 由 1. 09 0. 22mg/L 增至 2. 03 0. 22mg/L 的过程中， 污 泥自 减 率 上 升 最 快，由 12. 92 0. 31 升 至 17. 69 0. 36 。当 ρ DO 高于 2 mg/L 后， 污泥自 减率的增幅逐渐变小; ρ DO＞ 3 mg/L 时， 污泥自减 率基本不变， 约为 18. 5 。污泥自减率随 DO 的变化 规律可用式 5 拟合如下 2 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 1不同 DO 下， 水蚯蚓反应器内的污泥自减率 y 18. 5 － 67. 5 e －2. 27x R2 0. 998 5 由拟合结果可知， 随着 DO 上升， 水蚯蚓反应器 的污泥自减率先迅速增长， 而后增幅减缓， 最后自减 率稳定在 18. 5 左右。 当 ρ DO 为 2 ～ 3 mg/L 时， 污泥自减率已高达 17. 7 ～ 18. 5 ， 接近于稳定后的比例， 而 ρ DO＞ 3 mg/L 时污泥自减率基本不变。从曝气节能角度考 虑， ρ DO 保持在 2 ～ 3 mg/L 为最适范围， 不仅能耗 较低， 而且污泥减量明显。 2. 2不同曝气能耗时的 COD 去除率 试验还比较了不同曝气能耗时的 COD 去除率， 如图 2 所 示 ρ DO由 1. 09 0. 22mg/L 增 至 2. 03 0. 22mg/L 的过程中， COD 去除率上升最 快， 由 62. 84 1. 68 升至 77. 75 0. 54 。当 ρ DO＞ 2 mg/L 时， COD 去除率维持在 78 左右。 因此， 在水蚯蚓反应器中， 应使 ρ DO＞ 2 mg/L 以达 到较高的 COD 去除率。COD 去除率随 DO 的变化规 律可用式 6 拟合 y 78. 8 － 309. 4 e －2. 68x R2 0. 971 6 图 2不同 DO 下， 水蚯蚓反应器内的 COD 去除率 由拟合结果可知， 随着 DO 上升， COD 去除率先 迅速增长， 然后稳定于 78. 8 左右。 2. 3DO 对水蚯蚓长势的影响 水蚯蚓反应器中， 曝气能耗为控制量， 因此将 DO 作 为限制性因素。在不同 DO 条件下， 计算水蚯蚓的比生 长速率， 并通过回归分析计算出 Monod 方程见式 7 μ 0. 0316 ρ DO 1. 077 ρ DO R2 0. 969 7 系统曝气能耗不同时， 水蚯蚓的比增长速率也不 同， 结果如图 3 所示。随着 DO 升高， 比增长速率由 0. 015/d 增至 0. 025/d， 在实际工程应用中， 过低或过 高的比生长速率都不利于系统稳定运行， 比生长速率 略大于 0. 02/d 即可 ［14］。由图 3 可知 当 ρ DO＞ 2 mg/L时， 水蚯蚓的比生长速率大于 0. 02/d， 因此， 反 应器内 ρ DO＞2 mg/L 即可保证水蚯蚓的正常生长。 图 3不同 DO 下， 反应器内水蚯蚓的比增长速率 2. 4最适曝气量的污泥减量效果 综合分析不同曝气梯度时的污泥减质比例和 COD 去除率， 结果如图 4 所示。由图 4 可见 ρ DO 为 2 ～ 3 mg/L 时， 水蚯蚓反应器的污泥减量达到高峰 期， 污泥自减率为 17. 7 ～ 18. 5 ， 水蚯蚓长势适 宜， 且 COD 去除率也高达 78 ， 可保证系统的正常 稳定运行， 此时曝气能耗为 0. 16 ～ 0. 20kWh/t。 当 ρ DO＞ 3 mg/L 时， 污泥自减率、 COD 去除率基 本不变， 且 能 耗 增 大 至 0. 40 kWh/t 以 上。 因 此， ρ DO 取 2 ～ 3 mg/L 为宜。 2. 5水蚯蚓对污泥减量及水质的影响 基于上述讨论分析， 将空白组和水蚯蚓组的曝气 梯度设至最适范围， 使 ρ DO 为 2 ～ 3 mg/L， 每天的 曝气总时间为 7. 5 h， 比较两组的污泥减量效果和水 质变 化 图 5 。 反 应 器 内 的 初 始 ρ MLSS为 6 196. 2 24. 5mg/L。由图 5 可见 1 个月后， 水 蚯蚓组的 MLSS 降至 5 049. 3 17. 7mg/L， 而空白 组的 MLSS 仍高达 6 126. 3 13. 6mg/L， 与空白组 相比， 水蚯蚓组的污泥相对减质比例达 17. 6 /月。 3 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 4水蚯蚓反应器内的污泥自减率和 COD 去除率随 DO 的变化 图 5空白组与水蚯蚓组的 MLSS 随时间的变化 水质测定结果表明 空白组和水蚯蚓组的水质均 达到 一 级 B 标 准 ［15］。 水 蚯 蚓 组ρ COD 为 52. 6 mg/L， COD 去 除 率 为 79. 0 ，ρ NH3-N为 2. 33 mg/L， ρ TP 为 0. 56 mg/L， pH 为 6. 01。空白 组 ρ COD 为 50. 9 mg/L， COD 去除率为 79. 7 ， ρ NH3-N 为1. 17 mg/L， ρ TP 为 0. 63 mg/L， pH 为 6. 13。经检验， 上述指标均无显著性差异 P ＞ 0. 05 。 空白组和水蚯蚓组的曝气能耗分别为 0. 195， 0. 191 kW h/t， 差异不显著 P ＞ 0. 05 。因此， 两组出水水质均 达标， 且添加水蚯蚓后未增加曝气能耗。 本研究中水蚯蚓反应器的污泥相对减质比例达 17. 6 /月， 曝气能耗约为 0. 19 kWh/t， 工程应用中 为 0. 15 ～ 0. 25 kWh/t， 均 与 该 技 术 工 程 应 用 一 致 ［4， 13］。因此， 水蚯蚓反应器的污泥减量效果明显， 水质达标， 且未增加系统曝气能耗。 3结论 采用水蚯蚓原位消解污泥技术， 从曝气节能角度 考虑， ρ DO 最适范围为 2 ～ 3 mg/L， 曝气能耗约为 0. 19 kWh/t， 此时污泥减量达到峰值， COD 去除率 约为 78 ， 水蚯蚓比生长速率大于 0. 02 /d， 不仅节省 能耗， 且污泥减量明显。ρ DO＞ 3 mg/L 时污泥减 量效果和 COD 去除率基本不变， 系统能效未提高而 能耗增大。 参考文献 ［1］Elissen H J H，Hendrickx T L G，Temmink H，et al．A new reactor concept for sludge reduction using aquatic worms［J］． Water Research，2006，40 20 3713- 3718. ［2］黄伟飞，舒英钢， 斯昇亮，等． 水蚯蚓原位消解技术用于污泥 减量的研究［J］． 中国给水排水，2010，26 17 1- 4. ［3］Wei Y，Van Houten R T，Borger A R，et al．Minimization of excess sludge production for biological waste water［J］．Water Research，2003，374453- 4467. ［4］黄伟飞，舒英钢， 斯昇亮，等． 水蚯蚓原位消解污泥技术及其适 用性的研究与探讨［J］． 中国给水排水，2011，27 17 105- 108. ［5］Huang W F，Shu Y G，Cai L，et al． Utilization of energy and growth of aquatic worms during the process of sludge reduction by aquatic worms［ J］ ． Advanced Materials Research， 2012， 573 1073- 1078. ［6］Wei Y，Zhu H，Wang Y，et al． Nutrients release and phosphorus distribution during oligochaetes predation on activated sludge［J］． Biochemical Engineering Journal，2009，43 3 239- 245. ［7］Huang W F，Shu Y G，Cai L，et al． Transation and migration of heavy metals by aquatic worms in wastewater treatment［J］． Advanced Materials Research，2012，573526- 533. ［8］盛义平，张晓春． 鼓风曝气系统氧利用率和动力效率的研究 ［J］． 环境工程，2001，19 4 14- 16. ［9］杨凌波，曾思育，鞠宇平，等． 我国城市污水处理厂能耗规律的统 计分析与定量识别［ J］ ． 给水排水， 2008， 34 10 42- 45. ［ 10］Garcia-Ochoa F，Gomez E，Santos V E，et al． Oxygen uptake rate in microbial processesan overview［J］． Biochemical Engineering Journal，2010，49289- 307. ［ 11］alik P，Yilgr P，Ayhan P，et al．Oxygen transfer effects on recombinantbenzaldehydelyaseproduction ［J］．Chemical Engineering Science，2004，595075- 5083. ［ 12］Liu Y S，Wu J Y，Ho K P． Characterization of oxygen transfer conditions and their effects on Phaffia rhodozyma growth and carotenoid production in shake-flask cultures［J］．Biochemical Engineering Journal，2006，27331- 335. ［ 13］Hendrickx T L G，Temmink H，Elissen H J H，et al． The effect of operating conditions on aquatic worms eating waste sludge［J］． Water Research，2009，43 4 943- 950. ［ 14］Hendrickx T L G，Elissen H J H，Temmink H，et al． Operation of an aquatic worm reactor suitable for sludge reduction at large scale ［J］． Water Research，2011，45 16 4923- 4929. ［ 15］GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准［S］ . 作者通信处蔡璐100101北京市大屯路甲 11 号 3719 室 E- mailcail． 08s igsnrr． ac． cn 2012 － 09 － 09 收稿 4 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期