变频控制DO条件下温度对中试SBR脱氮除磷的影响

顾升波,王淑莹,杨 培,李凌云,李 论,杨 庆

(北京工业大学 a.环境与能源工程学院;b.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)

近20年来,SBR法已经得到广泛应用,主要用于间歇排放的工业废水和中小型城镇污水的处理[1-3]。作为污水处理系统的重要运行参数之一,温度在很大程度上影响着污水处理系统的处理效率。实际污水处理过程中,温度是随着季节更替而不断变化的,水温不仅影响着污泥微生物的比增长速率,活性和沉降性能,而且会影响曝气装置供氧的传递效率。因此,冬季运行过程中,SBR污水处理厂可能会出现硝化效果差,曝气时间长等现象[4]。这些现象都不利于SBR污水处理的节能降耗。为了能够最大限度地实现节能降耗,很多污水处理厂开始采用变频技术对鼓风机进行改造,实现鼓风机的变频控制,变频控制能够有效地节省曝气阶段供氧量,避免不必要的能源浪费。杨岸明等[5]研究了变频控制下中试SBR系统在不同恒DO水平下的脱氮性能和节能效果,同时考察了频率作为过程控制参数的可行性。然而,目前为止还没有关于温度对变频控制条件下SBR中试系统脱氮除磷效果影响的研究报道。

试验采用变频技术控制SBR工艺曝气阶段DO恒定,在此条件下分别考察温度对中试SBR系统的硝化速率、反硝化速率、吸磷速率、放磷速率、耗电量的影响,从动力学角度分析温度对SBR脱氮除磷性能的影响机理,并分析了不同温度下变频控制DO浓度对SBR曝气阶段耗电量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验用水及分析方法

试验所用种泥取自北京某城市污水处理厂,试验所用生活污水取自北京工业大学家属区化粪池,该水质C/N比较低,具体水质指标如表1所示。系统每天进水量相同。试验启动阶段为期1个月,待系统具有良好生物脱氮功能后开始跟踪测定。

试验中的分析方法均采用中国规定的标准方法[6]。水样经过过滤后测定,项目包括碱度等水质指标。TN、TC、TOC和 TIC通过TN/TOC分析仪(Multi N/C3000,德国耶拿)测定。采用 WTW测定仪及相应探头在线监测反应器内DO、ORP和p H值。变频装置利用ABB公司ACS350型号变频器对回转式鼓风机进行变频控制,实现DO和频率f两者之间的闭环控制。

表1 试验水质特性

1.2 试验装置及运行方式

中试装置位于北京工业大学校园内,反应器容积为8.8 m3,采用微孔曝气,如图1所示。SBR反应周期分为5个阶段:进水0.25 h,曝气6～10 h,搅拌1～2 h,沉淀2 h,滗水0.5 h,闲置阶段。曝气和搅拌阶段随进水水质和温度等因素变化而变化。闲置阶段可长可短,根据各周期反应阶段长度而相应改变。反应阶段通过实时控制系统进行在线控制。具体运行方式如下:进水完成后,启动鼓风机进行曝气,曝气过程中DO与变频器构成了闭环控制回路,通过DO信号(4～20 mA电流)的大小调节风机电机工作频率,以实现风机鼓风量的自动调节。反应过程中在线检测DO、p H值、ORP及变频器频率 f。控制系统实时识别出pH或频率f曲线上指示硝化结束的变化点,及时停止曝气;风机关闭之后开启搅拌器,同时启动加药泵为系统补充外碳源进行反硝化,搅拌阶段通过识别p H曲线上‘硝酸盐峰'变化点控制搅拌时间。反应全部结束之后按照设定的时间进行沉淀,然后通过滗水器排水,排水完成后进入闲置阶段等待进入下1个周期。

图1 SBR中试装置示意图

SBR系统的平均MLSS控制在2 000 mg/L左右,SRT为15～18 d,变频器的DO浓度设定值控制在2.0 mg/L水平。由于采用中试规模SBR作为研究对象,反应器液相温度无法采取人为控制方式,但反应器液相温度随着环境温度的变化而变化,因此试验中考察的各个温度是通过环境温度变化引起的反应器液相中水温变化而得到的。

2 试验结果与分析

2.1 中试SBR处理生活污水脱氮除磷的性能

图2是中试SBR系统长达200 d的长期运行结果。在水温从26℃到11℃范围内变化时,SBR系统性能仍能维持相对稳定且具有较好的NH 4+-N、PO43--P、COD 去除率,NH 4+-N、PO43--P、COD平均去除率分别达到89.7%,95.4%和81.4%以上。相比之下,NH 4+-N去除率更容易受到温度变化的影响,在第95 d到115 d之间,NH4+-N去除率急剧下降,当温度降到14℃以下时NH4+-N去除率明显降低,特别是水温降到11℃时NH 4+-N去除率降到47.2%左右。之后随着温度逐渐回升,污泥的活性和系统的脱氮性能也逐渐恢复到原来的水平。

图2 中试SBR脱氮除磷性能随时间的变化规律

2.2 温度对硝化过程的影响

研究表明:生物硝化反应在4～45℃的温度范围内进行,温度不仅影响硝化菌的比增长速率,而且影响硝酸菌的活性,硝化过程对温度的变化最为敏感[7]。试验中,温度为20℃时的硝化效率是11℃时的1.8倍,相比之下,Kim D等[8]发现30℃时的硝化效率是10℃的3倍。由此可见:温度对系统脱氮性能影响很大。

图3分别总结了不同温度范围(11～26℃)内比氨氧化速率变化规律,其中各温度下的比氨氧化速率值均为SBR系统运行10个周期以上的平均值。参考Blackburne等[9]提出的温度与硝化菌活性的经验关系式,经过适当修正,得到与试验数据拟合性较好的拟合方程。

其中μT为温度为T℃时,系统的比氨氧化速率,单位kgNH4+-N◦kgMLSS-1◦d-1;T为 反应器液相的水温,单位℃。

从图3中可以看出,SBR系统的比氨氧化速率与温度成指数增长关系,20℃时比氨氧化速率是0.047 kgNH4+-N ◦kgMLSS-1◦d-1,是 11℃时比氨氧化速率的1.8倍。相比之下,Kim等[10]指出30℃的亚硝化速率是10℃时的2.6倍。由此可见,温度每增加10℃,硝化速率大约增加1倍。试验结果显示:温度在11℃～26℃之间范围内,硝化反应受温度的影响很大,特别是低温(11～18℃)运行条件下,硝化速率下降从而导致曝气时间的延长,既增加了曝气阶段的运行费用,又延长SBR系统的周期长度,降低SBR系统的日处理量。

图3 比氨氧化速率随温度的变化规律

2.3 温度对反硝化过程的影响

温度对反硝化速率的影响由以下方程式表示[11]:

式中:qD,T为温度为T℃时反硝化速率;qD,20为20℃时反硝化速率,单位为θ为温度系数,1.03～1.15。根据试验得出的反硝化速率,利用上式可以得出中试系统的活性污泥的温度系数范围为0.94～1.19,平均值为1.09。

研究表明:温度是制约反硝化反应的一个重要因素,温度越高,反硝化菌的活性越好,对污水中硝酸盐的转化就越好。图4总结了不同温度下微生物比反硝化速率的变化规律,其中各个温度下的比反硝化速率值均为SBR系统运行10个周期以上的平均值。由图4可知,在投加碳源充足的前提下SBR系统的比反硝化速率随着温度的增加而呈指数性增长趋势。利用方程式(2)对图4数据进行拟合,取得较好的拟合效果。图4结果显示:20℃的比反硝化速率 0.571 kgNO3--N◦kgMLSS-1◦d-1,是11℃时的比反硝化速率的2.2倍。这与Yang等[12]研究结果几乎一致,不同之处在于试验得出的反硝化速率值在0.025～0.663 kgNO3--N◦kg MLSS-1◦d-1之间波动,是其试验结果的一半。主要原因在于试验采用SBR传统硝化工艺,而Yang等[12]采用短程硝化反硝化工艺。由此可见,与短程硝化新工艺相比,传统硝化工艺对温度变化更敏感。

图4 比反硝化速率随温度的变化规律

2.4 温度对生物除磷过程的影响

温度对释磷速率的影响遵循 Arrhenius方程[13],可用如下方程式表示:

其中:k为反应速率常数;Ea为反应所需的活化能,J/mol;T为热力学温度,K;A为频率因子;R为摩尔气体常数8.31 J/(K◦mol)。

利用试验所得出的释磷速率,进行线性回归分析计算,可以得出活性污泥释磷反应所需要的活化能为39.51k J/mol。一般来说,活化能越大,微生物对温度变化越敏感,即温度波动直接影响微生物生长和代谢过程。

由图5可知,在11℃时,微生物的比放磷速率为0.132 kgPO43--P◦kgMLSS-1◦d-1,比吸磷速率为0.016 kgPO43--P◦kgMLSS-1◦d-1;随着温度的增加,比放磷速率和比吸磷速率逐渐上升,但是温度增加至20℃以后,比放磷速率和比吸磷速率增长缓慢,分别维持在0.25 kgPO43--P◦kgMLSS-1◦d-1和0.05 kgPO43--P◦kgMLSS-1◦d-1水平不变。姜体胜等[14]发现随着温度的增加,释磷和吸磷速率变化较小,认为温度对除磷的影响较小。Bao等[15]和Liu等[16]分别在10℃和12.2℃条件下获得稳定的除磷效果。然而Oehmen A等[17]却认为活性污泥中的群落结构随着温度而变化,聚磷菌能够通过改变其新陈代谢途径在低温(5℃)条件下达到较高的除磷性能以及在系统活性污泥种群中占据相对优势地位,而在常温(20℃)条件下却无法得到类似结果。由此可见,温度对生物除磷过程的影响机理还需要进一步深入研究。

2.5 温度对曝气阶段耗电量的影响

试验过程中,反应器曝气阶段DO浓度通过变

图5 不同温度下的比吸放磷速率变化规律

频器的变频控制始终维持在2.0 mg/L左右。在维持DO浓度始终停留在2.0 mg/L的前提条件下,考察温度对中试SBR系统曝气阶段能耗的影响。根据不同温度下吨水耗电量的变化规律,进行线性回归分析,得到相关性良好的线性回归方程式,如图6所示。在11～26℃温度范围内,温度与SBR系统吨水耗电量呈反相关性。主要原因在于低温抑制活性污泥的活性,导致曝气阶段反应时间大大延长,同时低温下氧传递系数下降,引起氧传质速率降低,从而导致风机供氧量增加。因此,温度是影响变频条件下SBR系统能耗的重要因素之一。在实际的运行过程中,必须考虑温度的影响,来及时调整SBR周期的运行时间。

图6 不同温度下的吨水耗电量的变化规律

3 结论

1)SBR中试系统在为期200 d的运行过程中,水温(11～26℃)范围内,处理时间为5～8 h左右,系统维持良好的营养物去除性能,氨氮、磷酸盐和COD平均去除率分别达到89.7%、95.4%和81.4%以上。

2)与生物除磷和有机物去除过程相比,SBR系统脱氮过程对温度的变化更为敏感。当水温降低到18℃以下时,SBR系统脱氮效率开始下降,同时能耗也开始上升。根据Arrhenius方程拟合的硝化反硝化经验关系式能较好地预测不同温度下硝化反硝化速率。

3)水温在11～26℃范围内变化时,SBR中试系统曝气阶段吨水耗电量随温度增加而逐渐下降,且下降速度减缓。主要原因可能由低温污泥活性下降,引起反应速率下降,从而延长曝气时间,导致曝气费用增加。

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