SBR污水處理工藝研究

　　1 引言 (Introduction)

　　揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOCs) 是造成霧霾的重要原因, 嚴(yán)重影響人體的生理功能, 對(duì)呼吸道、心血管等都具有很大危害 (Aatamila et al., 2011; Sucker et al., 2009; Witherspoon et al., 2004; 沈培明等, 2005).隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快, 城市人口激增, 污水處理廠周邊居民人口愈加密集, 而其作為VOCs的排放源之一 (Karageorgos et al., 2010; Mliis et al., 1995; 劉晗等, 2009), 嚴(yán)重影響周邊民眾的生活質(zhì)量.因此, 對(duì)污水處理廠產(chǎn)生VOCs的特性進(jìn)行研究、控制和減量, 是VOCs減排的重要課題.污水處理廠產(chǎn)生的惡臭主要存在于粗、細(xì)格柵處理工藝段以及VOCs在夏季逸散濃度顯著高于冬季 (林堅(jiān)等, 2010), 已知城市污水處理廠揮發(fā)性惡臭有機(jī)物 (MVOC) 至少有34種, 其中苯系物、2-丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲硫醚為重要的分子標(biāo)志物 (唐小東等, 2011).利用2級(jí)生物過(guò)濾器處理污水廠VOCs, 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)硫化氫和甲苯在低pH條件下被生物氧化, 而其他親水的成分在高pH條件下去除效果更好 (Liu et al., 2011).靜態(tài)的表面、渠道、堰滴結(jié)構(gòu)、鼓風(fēng)曝氣、表面曝氣和流媒體6個(gè)特征排放源中的一個(gè)或多個(gè)可以描述并預(yù)測(cè)污水處理過(guò)程中VOCs的排放模型 (Gostelow et al., 2001).

　　本文對(duì)SBR污水處理工藝VOCs的逸散進(jìn)行研究, 在保證出水水質(zhì)前提下, 檢測(cè)并計(jì)算進(jìn)水、攪拌、曝氣、靜置、出水5個(gè)階段的VOCs排放量;在此基礎(chǔ)上, 研究曝氣階段的VOCs產(chǎn)生特性, 比較不同曝氣強(qiáng)度以及均勻曝氣、漸減曝氣、漸強(qiáng)曝氣方式的VOCs排放量, 以獲得VOCs最少排放量的曝氣方式.

　　2 材料與方法 (Materials and methods) 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)裝置 (圖 1) 由高1 m, 直徑9 cm的有機(jī)玻璃柱制成, 柱體的有效容積是4 L.污水處理采用傳統(tǒng)的SBR工藝, 從進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)柱, 進(jìn)水量為2 L, 經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的反應(yīng), 由出水口排出.檢測(cè)口用來(lái)檢測(cè)DO和VOCs, 未檢測(cè)時(shí)為關(guān)閉狀態(tài).在測(cè)試進(jìn)水、攪拌、靜置、出水4個(gè)階段VOCs排放量時(shí), 排氣口關(guān)閉, 其余時(shí)間為打開(kāi)狀態(tài).裝置由一個(gè)污水反應(yīng)柱和一個(gè)空白對(duì)照柱組成, 空白對(duì)照柱是檢測(cè)自來(lái)水對(duì)空氣中VOCs吸收效果, 兩柱曝氣階段測(cè)得的VOCs數(shù)值相減, 以此推算出污泥反應(yīng)柱中活性污泥的有效反應(yīng).

　　圖 1(Fig. 1)

　　2.2 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水

　　反應(yīng)器啟動(dòng)污泥取自揚(yáng)州市湯汪污水處理廠生化池.試驗(yàn)用的污水取自揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津宿舍樓化糞池污水和食堂廚余污水.主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1.

　　2.3 分析與計(jì)算方法

　　各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法均參照國(guó)標(biāo)方法.COD采用重鉻酸鉀法分析, NH4+-N采用納氏試劑分光光度法分析, TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度計(jì)法分析, NO3--N采用麝香草酚紫外分光光度法分析, TP采用鉬酸銨分光光度法分析.DO采用多參數(shù)便攜式測(cè)量?jī)x測(cè)量, VOC檢測(cè)采用美國(guó)華瑞公司生產(chǎn)的PGM-7340VOC檢測(cè)儀手持式檢測(cè)儀測(cè)量.

　　曝氣階段VOCs排放量的計(jì)算是由曝氣時(shí)柱體上方空氣柱的瞬時(shí)值減去空白對(duì)照柱上方的VOCs的瞬時(shí)值, 乘以曝氣強(qiáng)度并求和得出, 公式如下：

(1)

　　式中, M為曝氣階段產(chǎn)生的VOCs的量 (mg·m-3·d-1);bi為曝氣開(kāi)始第i分鐘污水反應(yīng)柱上方的VOCs的濃度 (μg·m-3);Bi0為曝氣開(kāi)始第i分鐘空白對(duì)照柱上方的VOCs的濃度 (μg·m-3);P為此時(shí)的曝氣強(qiáng)度 (mL·min-1);n為每日進(jìn)水次數(shù) (d-1);v為每周期進(jìn)水體積 (L);240為曝氣運(yùn)行的分鐘數(shù), 即4 h.

　　其余階段VOCs排放量的計(jì)算方法是, 分別記錄進(jìn)水、攪拌、靜置、出水各階段運(yùn)行前、后, 柱體上方空氣的VOCs濃度值, 記錄完畢, 將柱體上的閥門全部關(guān)閉, 通過(guò)濃度差值、空氣柱體積和運(yùn)行時(shí)間, 計(jì)算出4種不同階段產(chǎn)生的VOCs量, 公式如下：

(2)

　　式中, M為進(jìn)水、攪拌、靜置或出水階段產(chǎn)生的VOCs的量 (mg·m-3·d-1);a1為運(yùn)行階段開(kāi)始前柱內(nèi)的VOCs的濃度 (μg·m-3);a2為運(yùn)行階段結(jié)束時(shí)柱內(nèi)的VOCs的濃度 (μg·m-3);P為此時(shí)的曝氣強(qiáng)度 (mL·min-1);V0為柱體上方空氣的體積 (L);n為每日進(jìn)水次數(shù) (d-1);v為每次進(jìn)水的體積 (L).

　　3 結(jié)果與討論 (Results and discussion) 3.1 實(shí)驗(yàn)的啟動(dòng)及曝氣強(qiáng)度的確定

　　本試驗(yàn)參考污水廠CASS工藝單體SBR的運(yùn)行參數(shù), 通過(guò)定時(shí)開(kāi)關(guān)控制進(jìn)水1.5 h、攪拌3 h、曝氣4 h、靜置2 h、出水1.5 h, 一周期12 h, 1 d 2個(gè)周期.污泥齡25 d, 污泥濃度保持在4000 mg·L-1左右.

　　根據(jù)曝氣階段的DO濃度, 確定實(shí)驗(yàn)的曝氣強(qiáng)度, 結(jié)果如圖 2所示.為了保證硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行, DO濃度一般略高于2 mg·L-1為最佳, 由圖 2可以看出, 曝氣強(qiáng)度在75 mL·min-1和100 mL·min-1時(shí), 整個(gè)曝氣階段的DO濃度均低于最佳反應(yīng)濃度;曝氣強(qiáng)度在125 mL·min-1和150 mL·min-1時(shí), 曝氣階段的后期DO濃度達(dá)到最佳反應(yīng)濃度;曝氣強(qiáng)度在175 mL·min-1時(shí), DO濃度僅在開(kāi)始階段低于最佳反應(yīng)濃度;而曝氣強(qiáng)度在200 mL·min-1時(shí), 幾乎整個(gè)曝氣階段的DO濃度都在最佳濃度以上, 且在曝氣階段后期, DO濃度遠(yuǎn)大于2 mg·L-1.為了保證曝氣強(qiáng)度選取值的覆蓋范圍, 實(shí)驗(yàn)選用的曝氣強(qiáng)度范圍在75~200 mL·min-1, 為方便工程參考, 對(duì)應(yīng)氣水體積比依次為9：1、12：1、15：1、18：1、21：1、24：1.由于曝氣裝置的有效水深約為0.63 m, 而實(shí)際污水處理廠曝氣池的一般有效水深為4.5 m, 根據(jù)溶解氧飽和濃度的平均值公式可知, 裝置中溶解氧濃度與其空氣擴(kuò)散裝置的安裝深度有關(guān), 經(jīng)換算, 上述實(shí)驗(yàn)氣水體積比相當(dāng)于一般污水廠曝氣階段的氣水體積比依次為6.7：1、8.9：1、11.1：1、13.3：1、15.6：1、17.8：1.

　　圖 2(Fig. 2)

　　3.2 SBR工藝各階段VOCs排放量的關(guān)系比較具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　取DO濃度基本保持在最佳反應(yīng)濃度, 曝氣強(qiáng)度為175 mL·min-1時(shí), 檢測(cè)進(jìn)水、攪拌、靜置、出水前后VOCs濃度差值分別為1047、805、439、586 μg·m-3, 計(jì)算得出的各階段VOCs排放量見(jiàn)圖 3.

　　圖 3(Fig. 3)

　　由圖 3可知, 由于曝氣階段的不斷擾動(dòng), 伴隨著曝氣氣泡的逸出, 此階段排放的VOCs總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他階段, 占各階段排放總和的88.34%.因此, 在污水處理VOCs減量化的研究應(yīng)著重放在曝氣階段.另外, 由圖中可以得出, 其他階段的VOCs排放總量為進(jìn)水>攪拌>出水>靜置, 說(shuō)明VOCs排放總量不僅與擾動(dòng)的劇烈程度有關(guān), 還與水體中所含的具有揮發(fā)性質(zhì)的有機(jī)物的濃度有關(guān).

　　3.3 不同曝氣強(qiáng)度VOCs排放特性及水質(zhì)分析

　　試驗(yàn)裝置運(yùn)行數(shù)日, 污泥系統(tǒng)穩(wěn)定后更換曝氣強(qiáng)度.在不同曝氣強(qiáng)度下, 分別記錄柱體上方的VOCs的濃度, 根據(jù)換算得出曝氣階段VOCs排放的沿程變化, 如圖 4所示.

　　圖 4(Fig. 4)

　　由圖 4可以看出, 在曝氣剛開(kāi)始時(shí), VOCs逸散濃度急劇上升, 在4~6 min達(dá)到峰值, 然后呈下降趨勢(shì), 在50~60 min時(shí)趨于穩(wěn)定, 直至曝氣階段結(jié)束.隨著曝氣強(qiáng)度的增加, VOCs的峰值濃度也在逐步遞增.將圖 4的曲線進(jìn)行積分, 得出不同曝氣強(qiáng)度下VOCs的排放總量, 如圖 5所示.

　　圖 5(Fig. 5)

　　由圖 5可以看出, 隨著曝氣強(qiáng)度的增加, VOCs的排放總量也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì), 這跟其沿程變化圖中的峰值趨勢(shì)一致.

　　圖 6為不同曝氣強(qiáng)度下, 進(jìn)出水COD、NH4+-N、TN、TP的去除率變化圖.由圖 6可以看出, 曝氣強(qiáng)度較小時(shí), 氨氮和總氮的去除率都較低, 這與之前的DO濃度低于2 mg·L-1導(dǎo)致硝化反應(yīng)不佳相一致.硝化反應(yīng)不佳, 同時(shí)也導(dǎo)致聚磷菌的吸磷效果受到影響, 故總磷的去除率也較低.隨著曝氣強(qiáng)度的增強(qiáng), 出水各項(xiàng)指標(biāo)的去除率均有明顯提高, 在175 mL·min-1的曝氣強(qiáng)度下, 已達(dá)到了很好的去除效果, 各指標(biāo)去除率均在80%以上.而當(dāng)曝氣強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí), 如圖不難發(fā)現(xiàn), TP的去除率有所回減, 原因是與除磷相比, 脫氮對(duì)于污泥齡的時(shí)間要求較長(zhǎng), 兩者的去除在同一階段的不同條件下進(jìn)行, 當(dāng)實(shí)驗(yàn)更加注重脫氮效果時(shí), 會(huì)對(duì)除磷效果有所影響.因此, 曝氣強(qiáng)度在175 mL·min-1時(shí), 不僅可以保證出水水質(zhì)的去除率, 還能盡可能的減少VOCs的排放.

　　圖 6(Fig. 6)

圖 6 不同曝氣強(qiáng)度下出水COD、NH4+-N、TN、TP的去除率

　　3.4 不同曝氣方式對(duì)VOCs排放關(guān)系變化的分析

　　每1 h時(shí)改變1次曝氣強(qiáng)度, 調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)分別為125、150、175和200 mL·min-1, 使得曝氣階段分別為漸強(qiáng)曝氣和漸減曝氣, 而上述實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)解175 mL·min-1均勻曝氣則是漸強(qiáng)、漸減均為零的特殊情形.試驗(yàn)裝置運(yùn)行數(shù)日, 污泥系統(tǒng)穩(wěn)定后更換曝氣方式.比較分析不同曝氣方式對(duì)水質(zhì)去除率以及VOCs排放關(guān)系的影響, 如圖 7所示.

　　圖 7(Fig. 7)

　　均勻曝氣時(shí)的氣水體積比為21：1, 漸變曝氣的氣水體積比為19：1, 相當(dāng)于一般污水廠曝氣階段的氣水體積比15.6：1、14.4：1, 相比之下, 漸變曝氣方式曝氣量有了明顯地減少.由圖 7a可知, 比較3種曝氣方式, 各指標(biāo)水質(zhì)去除率都在80%以上, 說(shuō)明這3種曝氣方式在水質(zhì)去除上都是符合要求的, 那么接下來(lái)比較這3種曝氣方式的優(yōu)越性可以從其與VOCs不同的排放關(guān)系著手.由圖 7b所示, 漸強(qiáng)、漸減曝氣剛開(kāi)始時(shí), VOCs逸散濃度變化趨勢(shì)與均勻曝氣一致, 當(dāng)每隔1 h變化1次曝氣強(qiáng)度時(shí), VOCs逸散濃度發(fā)生階梯性的變化, 且曝氣強(qiáng)度增強(qiáng)VOCs逸散濃度階梯型增加, 曝氣強(qiáng)度減弱VOCs逸散濃度階梯性減小.由圖 7c可知, 相較于均勻曝氣和漸強(qiáng)曝氣, 漸減曝氣的VOCs排放量分別減少了19.51%和17.38%, 總曝氣量分別減少了7%和0%, 從VOCs的逸散和減少能耗角度論證了漸減曝氣的優(yōu)勢(shì).

　　根據(jù)圖 7c及計(jì)算可知, 實(shí)驗(yàn)室小試SBR工藝處理生活污水時(shí), 均勻曝氣每天每m3產(chǎn)生的VOCs為34.0588 mg, 漸強(qiáng)曝氣每天每m3產(chǎn)生的VOCs為33.1808 mg, 而漸減曝氣每天每m3產(chǎn)生的VOCs為27.4139 mg.推算普通污水處理廠10×104 m3的日處理量, 漸減曝氣比均勻曝氣每天減少664.4900 g的VOCs排放量, 每年減少242.5389 kg的VOCs排放量.因此, 漸減曝氣對(duì)于工程上減少VOCs的排放, 改善環(huán)境質(zhì)量有著重要的意義.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論 (Conclusions)

　　1) SBR處理工藝中, 曝氣階段VOCs的排放量占各階段排放總和的88.34%, 說(shuō)明污水處理VOCs減量化的重點(diǎn)應(yīng)放在曝氣階段.其他階段的VOCs排放總量為進(jìn)水>攪拌>出水>靜置, VOCs排放總量不僅與擾動(dòng)的劇烈程度有關(guān), 還與水體中所含的具有揮發(fā)性質(zhì)的有機(jī)物的濃度有關(guān).

　　2) 在曝氣剛開(kāi)始時(shí), VOCs逸散濃度急劇上升, 在4~6 min達(dá)到峰值, 然后呈下降趨勢(shì), 在50~60 min趨于穩(wěn)定.隨著曝氣強(qiáng)度的增加, VOCs的排放量也在逐步遞增.曝氣強(qiáng)度在175 mL·min-1時(shí), 不僅可以保證出水水質(zhì)的去除率, 還可以盡可能的減少VOCs的排放.

　　3) 在保證污水處理效果的前提下, 每隔1 h改變1次曝氣強(qiáng)度 (200、175、150、125 mL·min-1), 調(diào)換其曝氣的先后順序, 發(fā)現(xiàn)漸減曝氣的VOCs排放量比漸強(qiáng)曝氣減少了17.38%.同時(shí)相較于于上述均勻曝氣得出的最優(yōu)解 (175 mL·min-1), 4階段漸減曝氣的VOCs總排放量減少19.51%, 曝氣量減少7.14%.

　　4) 從實(shí)際工程實(shí)例推算, 不難看出漸減曝氣比均勻曝氣每年減少242.5389 kg的VOCs, 對(duì)于污水處理廠減少VOCs的排放量是相當(dāng)可觀的, 從VOCs的逸散角度為提倡漸減曝氣提供新的依據(jù).