随着人们生活水平的不断提高,屠宰行业得到迅速发展,产生的废水排放量也越来越大,成为有机污染尤其是氮污染的最大工业污染源之一〔1〕。屠宰加工废水中含有大量血污、油脂质、内脏杂物、未消化的食料、粪便等污染物,其有机物浓度高,成分复杂,污染物中所含有的蛋白质、尿素、尿酸、脂肪和碳水化合物会通过厌氧、好氧微生物的氨化作用进一步转化为高浓度的氨氮,高浓度的屠宰加工废水经传统SBR工艺处理后氨氮指标往往难以达到排放标准。经分析认为,关键在于没有根据实际水质对SBR处理工艺采取切实可行的调控措施〔2〕。 传统的SBR工艺分为进水、曝气、沉淀、排水 和闲置等五个阶段,其中曝气阶段通常采用连续曝气的方式。笔者从调整曝气方式着手,通过采用曝气(好氧)/搅拌(缺氧)循环交替的间断曝气方式,探讨对有机物、氨氮和TN的去除效果的影响。通过分析有机物、氨氮和TN等污染指标逐时降解特性和pH变化〔3〕,确定了好氧/缺氧循环SBR工艺运行模式和控制参数,最终获得了一种进一步提高传统SBR工艺脱氮率的方法,以期为传统SBR工艺改造和好氧/缺氧循环SBR工艺的工程应用提供参考。 1 材料与方法
图 1 SBR试验装置 1.2 废水来源 1.3 污泥驯化和试验方案 在好氧/缺氧单循环SBR模式下运行一定周期之后,连续对其中多个周期进行逐时采样,分析污染物逐时变化情况。在获得可靠数据后,将SBR运行模式调整为好氧/缺氧多循环模式,根据COD、氨氮和pH等参数逐时变化曲线确定循环次数及好氧段和缺氧段历时,最后在确定好氧/缺氧阶段历时、循环次数等参数的基础上运行多个周期以验证该工艺的可靠性。 1.4 检测分析项目 2 结果与讨论
图 2 单循环SBR工艺运行方式下的试验结果 如图 2(a)所示,在混合稀释、吸附和氧化降解等作用下〔5〕,COD和氨氮浓度在进水后迅速下降,反应时间2 h时,COD和氨氮分别降至118、42 mg/L,之后随着时间延长,COD和氨氮降解速率趋于平缓。将好氧硝化时间划分三个时段进行讨论,即0~4 h、4~8 h、8~10 h。结合图 2(b)分析,在开始曝气的0~4 h内,硝化反应快速进行,氨氮浓度降低较快,pH则先上升到一定值后才开始下降,这是因为开始曝气0.5 h内微生物代谢所产生的CO2被吹脱,同时废水中的有机酸也得到去除〔2〕,导致pH在初始阶段上升至7.46。曝气2 h以内,由于碱度充足,pH只因硝化反应消耗碱度、产生H+而缓慢下降。随着碱度的消耗,硝化反应促使pH下降加快;曝气4 h时,系统中的碱度已低于100 mg/L,所以在曝气4~8 h期间,碱度不足导致硝化反应进行缓慢,氨氮和pH下降速率逐渐放缓;曝气8~10 h期间,氨氮几乎维持在25 mg/L,高于排放标准值(≤10 mg/L)。此时系统中pH低于6,碱度低于50 mg/L,硝化反应无法继续进行。试验中COD在反应8 h后即达到排放标准,所以可将硝化时间缩短为8 h。在后续进行的2 h缺氧反硝化过程中,由于曝气后的混合液中有机物已基本被降解,反硝化反应所需碳源不足而受到抑制,pH也只是略有回升,最终出水TN为56 mg/L,去除率较低。 按照理论计算,硝化过程中每氧化1 mg/L的氨氮为硝态氮需消耗7.07 mg/L的碱度〔6〕。对照试验废水水质,可以计算出进水氨氮完全被氧化所需碱度的理论值为760 mg/L,而进水实际碱度只有645 mg/L,不能满足硝化过程对碱度的需求。 可见,在原水氨氮浓度较高、碱度相对不足的情况下,想要通过好氧/缺氧单循环SBR工艺后实现氨氮达标排放存在困难。考虑到可以利用硝化和反硝化反应本身特性来平衡碱度需求,对SBR工艺提出交替硝化反硝化运行的改进方式,即循环好氧/缺氧SBR工艺〔7, 8〕。 2.2 好氧/缺氧双循环SBR工艺试验结果分析
图 3 好氧/缺氧双循环SBR工艺的试验结果 从图 3(a)可以看出,与单循环SBR工艺相比,好氧/缺氧双循环SBR工艺的出水水质有了明显提高,氨氮去除率达到86%,较前者提高12%,这主要是由于缺氧1阶段产生的碱度恰好被后续好氧2阶段所利用,弥补了原水碱度不足的弊端。如图 3(b)所示,pH在反应初期同样先上升后下降,好氧1阶段结束时pH的降低幅度为0.61,略大于0.4~0.5。进入缺氧1阶段后,随着反硝化反应的进行,pH开始出现回升并在反应4 h时趋于稳定,同时TN的下降速率也出现放缓,这表明反应4 h时反硝化反应已基本停止,因此可以将缺氧1阶段时间减少为2 h。由于反应器内碱度得到补充、pH升高,反应条件再次利于硝化反应的进行,所以氨氮浓度在好氧2阶段初始迅速降低,但随着碱度被消耗,氨氮降低速率很快下降。经过后续反应,最终出水氨氮质量浓度为15.4 mg/L,仍不能达到排放标准的要求。究其原因为好氧1阶段历时较短,当其结束时反应器内的硝态氮质量浓度为19 mg/L(TN与TKN之差值),可供后续缺氧1阶段反硝化反应的基质含量有限,产生的碱度还不能促进全部氨氮去除。但从单循环SBR工艺试验结果(图 2)可知,增加好氧1阶段曝气时间后,剩余有机物含量又会过低,影响反硝化反应的效果。系统内碳源、碱度的平衡被破坏,更加不利于提高脱氮效率。 综合上述分析,好氧/缺氧双循环SBR对氨氮的去除效果较单循环SBR工艺有了明显提高,但处理后的出水氨氮指标仍不能满足现行排放标准。为实现脱氮过程中碳源和碱度的平衡、进一步提高脱氮效率,决定在缺氧1阶段之后再增加一次好氧/缺氧过程,即好氧/缺氧三循环SBR工艺。 2.3 好氧/缺氧三循环SBR工艺试验结果分析
图 4 好氧/缺氧三循环SBR工艺的试验结果 由图 4(a)可以看出,经过好氧/缺氧三循环SBR工艺处理后出水氨氮质量浓度为5 mg/L,氨氮去除率达到96%,低于排放标准值。缺氧1和缺氧2阶段的反硝化反应在碳源充足的环境下产生了大量碱度,促进后续好氧2和好氧3阶段的硝化过程中氨氮下降速率加快,由图 4(b)可知相应pH也出现2次回升,均促进硝化反应的进行〔10〕,进而使得氨氮被高效去除。在总缺氧时间不变的情况下,三循环SBR对TN去除率达到76%,与双循环SBR工艺相比,TN去除率提高近15%。。 2.4 好氧/缺氧三循环SBR工艺稳定运行的处理效果
图 5 好氧/缺氧三循环SBR工艺的处理结果 3 结论 |