啤酒废水同步脱氮除磷工艺启动研究.pdf

啤酒废水同步脱氮除磷工艺启动研究 * 傅金祥蔡仲秋周东旭张荣新马兴冠唐玉兰 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳 110168 摘要 为了将短程硝化反硝化与 A/O 法除磷同时应用于 SBR 工艺处理啤酒废水， 通过改变序批式反应器 SBR 工艺 运行方式， 使活性污泥依次经历厌氧、 好氧、 缺氧 3 个阶段， 控制 ρ MLSS 4 700 mg/L、 pH 7. 5 ～ 8. 0、 DO 0. 3 ～ 0. 5 mg/L 好氧阶段 。反应器内短程硝化反硝化同步除磷效果明显， 氨氮去除率大于 90 ， 亚硝酸盐积累率大于 85 ， 磷去除率大于 98 。试验结果表明短程硝化反硝化与 A/O 法除磷可同时应用于 SBR 工艺处理啤酒废水。 关键词 SBR; 短程硝化反硝化; 同步脱氮除磷; 啤酒废水 STUDY ON THE TECHNOLOGY OF BREWERY WASTEWATER SIMULTANEOUS NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL Fu JinxiangCai ZhongqiuZhou DongxuZhang RongxinMa XingguanTang Yulan School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168， China AbstractShortrange nitrification-denitrification and phosphorus removal by A/O were used simultaneously in sequencing batch reactor by changing the run mode of SBR and controlling the operating conditions． When the MLSS 4 700 mg/L， pH 7. 5 ～ 8. 0 and DO 0. 3 ～ 0. 5 mg/L aerobic phase ， the removal rate of TP was more than 98 ，the nitrite accumulation rate was over 85 ，and that of NH3-N was over 90 ． The results showed that shortrange nitrification-denitrification and phosphorus removal by A/O could be used simultaneously in sequencing batch reactor to treat brewery wastewater． Keywordssequencing batch reactor;shortrange nitrification-denitrification;simultaneous nitrogen and phosphorus removal; brewery wastewater * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07208 － 002 － 005 。 0引言 啤酒厂生产废水是一种中高浓度可生化性好的 有机废水， 适宜采用生物化学法处理［1］。传统 SBR 工艺处理啤酒废水时， 在有机物去除方面可达到较为 满意的效果， 但当有机物、 氮和磷需要同时去除时， 处 理效果并不理想［2］。 传统 SBR 工艺脱氮过程曝气量大， 导致处理成 本较高。短程硝化反硝化脱氮是将氨氮氧化为亚硝 酸氮， 再将亚硝酸氮反硝化， 使氮素不经过高价态， 从 污水中去除［3］。短程硝化反硝化生物脱氮工艺具有 节省曝气能耗、 缩短反应时间、 节省反硝化碳源、 减少 污泥生成量、 减少反应器有效容积和节约基建费用等 优点［4- 5］。 控制水体中的磷浓度是防止水体发生富营养化的 主要途经［6］。A/O 法除磷是利用聚磷菌在厌氧环境下 将磷以正磷酸盐形式释放; 聚磷菌在好氧环境下过量 摄取磷， 将磷以聚合形态储藏在体内形成高磷污泥， 通 过排放剩余污泥将磷排出系统， 达到除磷的目的［7］。 因此如何将短程硝化反硝化同步脱氮除磷工艺 应用于工程实际成为目前污水生物脱氮领域的研究 热点［8］。以往的研究主要是通过小试研究高温、 低 DO、 较 短 泥 龄 等 因 素 对 同 步 脱 氮 除 磷 效 果 的 影 响［9 － 11］。因此， 对 SBR 工艺运行工况分析后， 提出了 将短程硝化反硝化和 A/O 法除磷同时应用于 SBR 工 艺， 以达到同步脱氮除磷目的。本实验采用 SBR 反 应器处理啤酒综合废水， 通过控制各工艺参数使出水 达 GB 189182002城镇污水处理厂污水排放标准 一级排放 A 标准。 1实验材料与方法 1. 1实验装置 SBR 装置如 图 1 所示。SBR 反应器的内径为 4 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 300 mm， 高度为3 000 mm， 有效容积为 200 L， 每周期 换水量为 100 L， 反应器内设有搅拌器， 其作用是在厌 氧阶段及缺氧阶段通过搅拌使污泥处于悬浮状态。 反应器底部设置有膜片盘式微孔曝气器， 采用 ACO 电磁式空气压缩机供气， 通过转子流量计控制曝气 量。原水由蓄水池经潜水泵进入反应器。进水、 搅 拌、 曝气、 排水等工序的时间根据实验需要设定， 并通 过时间控制器和电磁阀实现自动控制。反应器在室 温下运行， 控制系统 pH 值在 7. 5 ～ 8. 0。 图 1SBR 实验装置 1. 2实验用水水质 人工模拟啤酒生产综合废水， 组成为 C6H12O6、 NH4Cl、 KH2PO4和微量元素， 模拟废水水质见表 1。 表 1模拟废水组分mg/L ρ C6H12O6 ρ NH4Cl ρ KH2PO4 ρ 微量元素 1 300 ～ 1 500 以 COD 计 70 ～ 80 以 NH 4 -N 计 8 ～ 10 以 PO3 － 4 -P 计 0. 1 1. 3实验方法 SBR 采用限制进水， 所有基质在 SBR 开始运行 时一次加入， 采用固定曝气量方式供氧， 由转子流量 计调节曝气量 70 ～ 80 mg/L，使用 NaHCO3调节 pH 值为 7. 5 ～ 8. 0， 启动阶段反应器温度控制范围为 14 ～ 19 ℃ 。 2结果和讨论 实验过程分为污泥培养驯化和调整两个阶段， 在 培养驯化阶段， 利用选择压法培养出具有除碳脱氮能 力的活性污泥; 然后通过调整反应器的运行参数获得 具有短程硝化反硝化同步除磷功能的活性污泥。 2. 1污泥培养驯化 污泥取自沈阳市北部污水处理厂二沉池， 污泥颜 色发黑， 具有 H2S 臭味。首先将污泥进行淘洗， 去除 漂浮物和大块沉积物， 保留颗粒细小的污泥。然后曝 气若干小时， 利用微生物内源呼吸作用， 使异养菌自 身消耗并去掉有毒物质。最后， 将污泥加入 SBR 反 应器中进行培养。由于普通的活性污泥以异养菌为 主， 硝化细菌数量较少， 必须经过培养， 才能满足系统 正常硝化需要。运行方式 限制性进水 15 min， 厌氧 搅拌 180 min， 曝气 300 min， 缺氧搅拌 120 min， 沉淀 30 min， 出水 15 min， 闲置 60 min。 图 2 为污泥培养阶段系统对 COD、 NH 4 -N 的去 除效果。由图 2 可知 污泥培养过程中进水 COD 质 量浓度从 100 mg/L逐渐提高到1 500 mg/L， 氨氮质量 浓度从 10 mg/L逐渐提高到 80 mg/L。污泥经过 35 d 培养后， COD 去除负荷达 7. 1 kg/ m3d 时， 系统对 COD 去 除 率 大 于 80 ;氨 氮 去 除 负 荷 达 0. 4 kg/ m3d 时， 系统对氨氮的去除率为 96 。这表明 经过 35 d 后污泥培养过程结束。此时污泥外观颜色 转为 棕 褐 色， 污 泥 浓 度 为 4 300 mg/L， SVI 为 87 mL/g。 a系统对 COD 去除效果; b系统对 NH 4 -N 去除效果 图 2污泥培养阶段对 COD、 NH 4 -N 的去除率 2. 2调整阶段 虽然污泥培养成功， 但由于受培养阶段 SBR 运 行条件的限制， 此时的污泥并不具备短程硝化同步脱 氮除磷的能力， 还需进一步调整。在 DO 较低条件 下，亚硝酸菌与硝酸菌增殖速率均下降。Hanaki 等 发现［12］， 当 DO ＜ 0. 5 mg/L时，亚硝酸菌增殖速率约 5 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 为正常时的 60 ， 硝酸菌 增 殖速 率 不 超过正 常的 30 ，表明亚硝酸菌对有限溶解氧的亲和力强于硝 酸菌，使亚硝酸菌增殖和氧化的速率高于硝酸菌， 从而可获得持久稳定的 NO － 2 -N 积累。所以需控制反 应器内好氧阶段 DO 在 0. 3 ～ 0. 5 mg/L。综合考虑， 厌氧阶段磷的释放及缺氧阶段碳源要求， 确定厌氧时 间为 3 h; 根据氨氮去除效果及亚硝态氮积累率确定 好氧时间为 4 h; 由出水硝态氮、 亚硝态氮浓度确定缺 氧反硝化时间为 3 h。运行参数为 限制性进水 15 min， 厌氧搅拌 180 min， 曝气 240 min， 缺氧搅拌 180 min， 沉淀 30 min， 出水 15 min， 闲置 60 min。 图 3 为调整阶段第 40 周期系统内氨氮、 硝态氮、 亚硝态氮以及总无机氮的浓度变化。由图 3 可知 出 水亚硝酸积累率大于 85 ， 出水氨氮质量浓度低于 3 mg/L， 总氮去除率为 71. 8 ， 说明系统内亚硝化细菌 已大量富集， 短程硝化反硝化效果明显。图 4 为该周 期内 COD 和磷的浓度变化。由图 4 可以看出 厌氧 段聚磷菌释磷现象明显， 好氧段过量吸磷。反应器出 水磷质量浓度小于 0. 1 mg/L， 去除率接近 100 。这 说明聚磷菌在污泥内大量富集。出水ρ COD＜ 30 mg/L， COD 去除率 ＞ 90 。 图 3SBR 内各含氮物质及亚硝态氮积累率的变化 图 4第 40 周期内 COD、 磷浓度变化 可见， 调整阶段运行了 20 d 40 个周期 后， 系统 短程硝化反硝化效果明显， 已具备同步脱氮除磷功 能， 调整阶段完成。 2. 3短程硝化反硝化同步除磷污泥特性分析 污泥外观颜色为橙黄色， 在显微镜下观察污泥絮 体密实， 菌胶团透明度高， 原生动物较多， 有钟虫出 现。图 5 为系统启动期间 SVI 和 MLSS 的变化情况， 由图 5 可以看出 系统启动成功后， 污泥体积指数 SVI为 85 ～ 90 mL/g， ρ MLSS为 4 400 ～ 4 600 mg/L。本实验中溶解氧控制在 0. 3 ～ 0. 5 mg/L， 按照 Chudoba［13- 14］关于丝状菌的动力学选择准则， 具有较 低氧饱和常数的丝状菌应该在低溶解氧下大量生长， 发生丝状菌膨胀。国内由于溶解氧浓度不足造成的 污泥膨胀现象时有发生［15 － 16］。但本实验没有发生丝 状菌膨胀。分析原因可能为 SBR 工艺具有底物浓度 梯度大， 反应器中底物浓度大， 能够有效的控制丝状 菌的过量繁殖， 防止污泥膨胀产生。 图 5启动期间系统内 SVI、 MLSS 的变化情况 3结论 1 采用人工模拟废水， 接种普通絮状活性污泥， 在 SBR 中通过造成选择压及控制运行条件， 可获得 具有短程硝化反硝化同步除磷功能的活性污泥。 2 污泥外观颜色为橙黄色， 在显微镜下观察污 泥絮体密实， 菌胶团透明度高， 原生动物较多。污泥 体积指数 SVI 为 85 ～ 90 mL/g，ρ MLSS 为4 400 ～ 4 600 mg/L， 抗冲击负荷及自身恢复调节能力较强。 3 培养成功的污泥具有良好的短程硝化反硝化同 步除磷功效， 亚硝酸盐积累率大于 80 ， 对氨氮和磷的 去除率均大于 90 ， 对 COD 去除率在 85 以上。 参考文献 ［1］何淑英， 李继香， 徐亚同， 等． 啤酒废水水解酸化 SBR 处理工 艺中的微生物群落分析［J］． 水处理技术， 2008， 34 3 35- 36． ［2］蒋金辉， 王光辉， 刘红． 改进 SBR 工艺运行方式强化脱氮除磷 的效果［J］． 工业安全与环保，2005， 31 10 28- 29． ［3］杨志生， 崔连成， 关世魁． 组合式厌氧折流板反应器处理城市污 6 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 水的研究［J］． 天津理工大学学报， 2005，21 1 82- 84． ［4］Ruiz G，Jeison D C． Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration［J］． Wat Res， 2003， 37 6 1371- 1377． ［5］宋学起， 王淑莹， 彭永臻， 等． 以氯化钠和时间控制实现亚硝酸 型硝化反硝化［J］． 高技术通讯， 2004 1 95- 99． ［6］Inamori Y， Fujimoto N， Sudo R． Necessity of simultaneous nitrogen and phosphorus removal from total viewpoint of the effects on aquatic ecosystem［J］． Water Waste， 1993， 35 1 19- 26． ［7］Johwan A， Tomotaka D． Transation of phosphorus and relevant intr-acellular compounds by a phosphorus accumulating enrichment culture in the Presence of both electron acceptor and electron acceptor［J］． Biotech Bioeng， 2002， 79 1 83- 92． ［8］王秋阳， 李涛， 王东升， 等． A2/O 污水处理工艺化学强化除磷 研究［J］． 环境工程学报， 2008， 2 11 1502- 1503． ［9］Pollice A， Tandoi V， Lestingi C． Influence of aeration and sludge retention time on ammonium oxidation to nitrite and nitrate［J］． Wat Res， 2002， 36 10 2541- 2546． ［ 10］Kim J H，Guo X J，Park H S． Comparison study of the effects of temperature and free ammonia concentrateon on nitrification and nitrite accumulation［J］． Process Biochemistry， 2008， 43 2 154- 160． ［ 11］Wang J L，Yang N．Partial nitrification under limited dissolved oxygen conditions［J］． Process Biochemistry， 2004， 39 10 1223- 1229． ［ 12］Hanaki K，Wantawin C，Ohgaki S． Nitrification at low level of DO with and without organic loading in a suspended growth reactor［J］． Water Res， 1990，24 3 297- 302． ［ 13］Chudoba J，Ottva V，MaderaV．Controlofactivatedsludge filamentous bulking-Ⅱ selection of microorganisms by means of a selector［J］． Water Res， 1973 7 1389- 1406． ［ 14］Chieas C，Robert L． Growth and control of filamentous microbes inactiveated sludgean integrated hypothesis［J］．Water Res， 1985， 19 4 68- 72． ［ 15］李昌湖， 范举红， 徐子松． 桐乡市城市污水处理厂对丝状菌污泥 膨胀的控制实践［J］． 中国给水排水， 2008， 24 22 95- 97． ［ 16］王嵘， 王华， 万金保． 膜生物反应器污泥培养过程中丝状菌污泥 膨胀的控制［J］． 中国给水排水， 2009， 25 3 46- 49． 作者通信处蔡仲秋110168辽宁省沈阳市沈阳建筑大学高层公 寓 B 座 217 室 E- mailcaizhongqiu hotmail． com 2011 － 07 － 06 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 3 页 定， 处理后出水均优于排放标准。表 3 为 2010 年污 水站运行数据的平均值。 表 3污水站运行情况 工艺段项目 ρ COD/ mgL － 1 ρ 动植物油/ mgL － 1 范围平均值范围平均值 隔油初 沉池 调节池 气浮池 A /O / SBR 池 进水1 539 ～ 4 3603 985152 ～ 310262 出水1 368 ～ 4 1303 02971 ～ 205138 去除率 /23. 947. 3 出水1 368 ～ 4 1303 02971 ～ 205138 进水1 368 ～ 4 1303 02971 ～ 205138 出水1 089 ～ 3 1052 35239 ～ 12359 去除率 /22. 357. 2 进水1 089 ～ 3 1052 35239 ～ 12359 出水75 ～ 4122459 ～ 5521 去除率 /89. 664 排放标准≤ 500≤100 通过以上运行数据可以看出， 生产废水经隔油沉 淀 － 气浮 － A/O/SBR 工艺处理后出水 COD 大幅度 降低， 总去除率为 93. 8 ; 废水中动植物油含量也大 幅减少; 各项出水指标均优于 GB 89781996 中的 3 级排放标准。 7经济技术分析 本工程总投资 516 万元， 其中土建费用 172. 0 万元， 设备费 282. 0 万元， 其他费用 62 万元。占地面积约为 2 100 m2， 装机功率 281 kW 需要容量为 205 kW 。 8结论与建议 冷食加工废水经过隔油沉淀 － 气浮 － A/O/SBR 工艺处理后， 出水可稳定达 GB 89781996 中 3 级排 放标准。组合工艺对污染物的去除率较高， 运行稳 定， 操作管理方便， 工程投资及运行费用相对较低。 同时， 建议在设计类似废水处理工程时， 应预先 去除影响生化处理的浮油、 浮渣等， 同时考虑浮油、 浮 渣的回收利用。 作者通信处李欲如310007杭州市天目山路 109 号 浙江省环境 保护科学设计研究院 电话 0571 88736176 E- maillyrowen 126． com 2011 － 06 － 15 收稿 7 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期