改良型厌氧滤池的水力停留时间优化策略

2020-03-30陈展丰陈长秋王子峰李娟红

山东化工 2020年4期

孙杰，陈展丰，陈长秋，张伟，王子峰，李娟红

(常州工程职业技术学院检验检测认证学院，江苏常州 213164)

随着乡村振兴战略的提出，农村地区对村庄的水环境生态容量进行调查，并立足于村民居住的微排屋分散、污水设施不足、污水无序排放的实际情况，以污水减量化、污水资源化导向鼓励开发适宜的就地污水处理设施[1-2]。其中厌氧系统具有能耗低、占地面积小、维护管理便捷、能源化的特点而备受关注[3-5]。

厌氧滤池(Anaerobic Filter,AF)作为厌氧反应器典型代表，其结构简单，抗冲击负荷能力强。不同于上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed,UASB)，膨胀颗粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)和内循环厌氧反应器(Internal Circulation,IC)反应器设置复杂的三相分离器，AF以填料为微生物生长繁殖的载体，增强微生物与污水的接触将污水中的大分子有机物转化为能源性沼气[6]。从工艺设计参数考虑，为保证AF对污染物去除的效能，在优选系统填料基础上，确定最佳水力停留时间(Hydraulic Retention Time,HRT)是工艺优化运行控制的关键。

本研究在传统的AF基础上改良，以核桃壳作为生物膜载体构建改良型厌氧滤池(Modified Anaerobic Filter,MAF)厌氧反应器，以实际生活污水为研究对象，考察HRT对系统运行效能的影响，并确定优化HRT以期为工程设计运行控制提供必要的支撑。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行设置

改良型厌氧滤池MAF采用厚度为5mm PVC自行加工制成(见图1)，内径100mm，高1.0m，其中填料为核桃壳(填充率40%)MAF的有效容积4L。MAF反应器采用保温材料加热维持温度35±2℃下运行，进水桶中的生活污水由蠕动泵打入MAF系统底部，经过系统的填料区污水与厌氧微生物强化接触，在经由沉淀区的出水口排出，后续可接好氧生态处理系统。MAF反应器在HRT 24h下完成启动，逐步调整为18h，12h和6h，考察每个HRT下系统对COD，SS、TN和TP的去除效能并确定最优HRT。

图1 MAF装置示意图Fig.1 Schematic diagram the MAF system

1.2 实验用水及接种污泥

实验用水为常州工程职业技术学院食堂和化粪池混合生活污水，具体水质指标如表1。本研究接种的污泥取自常州武南污水处理厂回流污泥和江边污水处理厂的消化污泥按照1∶2混合，污泥的TSS和VSS分别为12.5g/L和7.2g/L。

表1 MAF系统进水水质Tab.1 The characteristics of the influent of MFA

1.3 分析方法

COD，TN，TP，SS，VSS和TSS采用国家标准方法分析测定[7]，pH和温度采用便携式pH计测定。

2 结果与讨论

2.1 启动阶段COD的变化

在启动初期阶段(图2)当进水COD为261～399mg/L波动,MAF在七天之内的COD去除率在57.5%～73.7%之间变化。MAF系统在启动初期对COD的去除主要通过核桃壳填料污泥的吸附作用。随着MAF系统运行，核桃壳载体上的微生物适应周边环境并具备调节能力，MAF系统在运行的第25天开始出水COD浓度维持在70mg/L以下，COD的去除率稳定在80%以上。MAF系统通过31天的运行完成启动，填料载体上的生物膜具备良好的COD降解能力。

图2 启动阶段MAF系统对COD去除效能Fig 2 COD removal efficiency of MAF during startup stage

2.2 HRT对系统COD去除效能影响

图3 不同HRT对COD去除效能影响Fig.3 Variations of COD removal with different HRT

如图3所示，MAF系统完成启动之后，HRT分别调控在18，12，6h下运行。当进水COD浓度在253～472mg/L范围内波动，随着HRT由18h缩短到12h，MAF系统的进水COD容积负荷由0.46kg/(m3·d)提高到0.70 kg/(m3·d)，出水COD平均浓度由49mg/L上升到68 mg/L，COD平均去除率由85.2%降低到80.5%。继续缩短HRT为6h，MAF系统出水COD平均浓度为 103mg/L，COD的平均去除率下降为70.2%。可见适当的缩短HRT提高容积负荷，MAF系统对COD的平均去除率仍然稳定在80%以上。过短的HRT容易对生物膜造成冲击，缩短污染物与微生物的有效接触时间，降低系统的处理效能[8]。

2.3 HRT对系统SS的去除效能影响

HRT对MAF系统SS的去除效能如图4所示，进水SS浓度在82～172mg/L之间波动， HRT调控在18h，MAF对SS平均去除率在90.3%，当HRT缩短到12h，MAF对 SS的去除效果仍然稳定，SS平均去除率90.9%。这可能由于HRT调控在12～18h内MAF系统中生物膜与污水强化接触，核桃壳载体上的生物膜和核桃壳交叉拦截吸附过滤，强化系统的运行效能。当MAF系统进一步的调控HRT缩短到6h，SS平均去除率下降到83.3%，出水SS平均浓度19.4mg/L。过短的HRT容易冲刷生物膜系统，破坏生物膜和核桃壳载体之间构建的网架不利于MAF系统对SS的吸附拦截。

图4 不同HRT对SS去除效能影响Fig.4 Variations of SS removal with different HRT

2.4 HRT对系统TN和TP的去除效能影响

MAF系统在不同HRT下对TN的去除效能如图5所示，HRT由18h调控到12h，TN的平均去除率由14.8%下降到11.9%，随着HRT继续调整缩短至6h，TN的平均去除率下降至8.59%。由此可知MAF系统对TN的去除效能较低，TN的去除率随着HRT的缩短而呈下降趋势。污水处理系统对TN去除途径一般包括氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化[9-10]。MAF系统对TN的去除效能低，可能在于MAF系统主要通过核桃壳载体上微生物同化作用途径对氮素转化合成自身所需物质。

图5 不同HRT对TN去除效能影响Fig.5 Variations of TN removal with different HRT

如图6所示不同HRT下MAF系统对TP的去除效能，当HRT由18h调控到12h，TP的平均去除率由18.2%下降到11.6%，随着HRT继续调整缩短至6h，TP的平均去除率下降至10.3%。结果表明TP的去除率随着HRT的缩短呈现下降趋势，MAF系统中TP去除效能变化趋势和TN一致。MAF对TP的去除可能通过核桃壳载体上的微生物吸附和同化两方面的作用。