序批式活性污泥法 (SBR) 是一种按照时间顺序改变活性污泥生长环境的污水处理技术。近年来凭借其占用空间小、运行方式灵活、出水水质稳定、净化效果好、耐冲击负荷等诸多优点, 日益受到人们的重视, 广泛的应用于世界各国的市政污水处理系统。随着对船舶、海洋平台等特殊环境下污水排放水质的进一步严格要求, SBR技术代替传统的生化法处理技术, 被逐步引入小型一体化生活污水处理装置的设计中, 通常与M B R、紫外消毒等辅助工艺一起组成产品化的污水处理装置。
近几年, 国内外也有许多关于SBR工艺控制方法的研究进展。针对处理过程出水水质难以在线检测、数学建模困难、不便于实时控制等特点, SBR工艺只能采用开环控制或用中间变量作为控制量。许多研究者将模糊控制应用于污水生物处理过程中, 已有的研究指出, DO、ORP、PH均可作为活性污泥法的实时控制参数。其中, D O以其易于实现在线测定、响应速度快、准确度和可信度高的特点成为众多研究人员关注的对象。
但是, 上述的研究成果至今只在少数高水准的陆地污水处理工程项目中得到应用, 目前在国内外都未见其在小型一体化污水处理装置中得到应用。这主要由于需要在每台装置上配备动辄几万元至十余万元的在线检测系统及复杂的控制单元, 虽然能够提高装置的运行效率, 但同时却大大提高了设备的造价及后期维护成本, 这是决定产品市场接受度的关键因素之一。
由于小型一体化生活污水处理装置的使用环境多为运输船舶、海洋平台、野外基站、独立小型居住区等, 每个使用环境都有不同的生活习惯和冲洗机制 (单次冲水量、是否采用真空收集等) , 产生的生活污水水质也会不同。但在设备投入工作后, 由于其相对封闭、固定的生活环境使得生活污水入水平均水质变化幅度并不会很大。所以, 我们尝试在设备投入使用之前, 针对其即将使用的环境, 预先确定一个适合的的SBR的运行时间参数, 这样在不大幅增加设备成本的情况下, 仅使用开环控制即可优化设备运行的效率。
我们先参考传统SBR工艺参数计算方法, 设计一个可供20人使用的一体化生活污水处理装置模型作为试验装置, 然后向其加入不同浓度的生活污水进水水质, 通过定时测定其出水水质, 观察其处理反应进度。帮助我们确定最佳反应时间。
其中, 生活污水处理装置的排水指标中BOD5与COD主要是依靠SBR工艺来去除, 目前对BOD5的采样分析仍存在不便性及滞后性。相对而言, COD因其测定历时短、测定设备简单易于普及。而根据采用了降解动力学及实测数据和数理统计的方法建立并验证的BOD5与COD的相关模型[1]:在生化反应过程中, 反应器内剩余BOD5和剩余COD量的降解, 存在关系式:BOD5=K.CO D。也曾有人通过对城市生活污水、学校生活污水等处理前后的水样实测, 并对测得数据进行线形回归, 均可得到回归直线方程, 形式符合上式的模式。虽然不同的环境下得出的系数不同 (一般在0.3~0.7之间) , 但BOD5与COD线形相关性非常好[2]。因此我们认为利用COD测定值能够指导BOD5的测定, 为我们试验过程中进行监测, 及时反映处理状况提供了便捷的方法。
在反应过程中我们在线检测DO值, 并根据DO值的变化每20min间隔内取样测定COD, 并在图标中记录其指标值。
试验装置采用如图1所示。
其中SBR柜体积为长:L=1000mm;宽:B=500mm;高H=1500mm的容器。采用气泵鼓风曝气, 空气流量计控制曝气量维持10m3/h。另设置与SBR柜等体积的收集柜, 用于试验污水的配置、搅拌。试验环境温度约28℃。
选用SUNTEX DC5300型在线溶解氧变送器, 搭配WTW TriOmatic 700型溶氧电极, 在反应过程中在线检测DO值。COD的测定采用WTW公司生产的pHotoFlex便携式COD快速测定仪。
根据经验COD小于2000mg/L时好氧法处理效果非常理想, 过高浓度粪便污水 (COD>10000mg/L) 应考虑厌氧法处理[3]。在本试验中, 我们主要针对浓度在2000mg/L左右及以下的生活污水, 寻找其SBR处理过程的最佳参数配比。
试验采用将使用真空收集装置收集到的船员居住单元的原生活污水, 按照一定比例与自来水配制。分别配制原水COD浓度约为2000mg/L, 1200mg/L, 400mg/L。试验事先采用收集到的生活污水原水及从城市污水处理厂引进的菌种培养一周左右, 形成活性污泥池。并维持MLSS值不低于2000mg/L。
反应器进水后依次进行曝气、沉淀、排放水。然后再进污水, 按以上顺序开始下一个循环处理周期。
将配制的原水COD浓度为400mg/L的生活污水进入反应池中, 混合后测量反映初始COD浓度为325mg/L, 记录试验结果。然后分别使用原水COD浓度约为1200mg/L, 2000mg/L的生活污水进入反应池, 通过观察好氧曝气阶段试验结果我们发现:在上述反应的最后阶段, COD达到难降解浓度时, DO会突然迅速大幅度升高。在此之后, COD浓度随时间的增长而能够做的降低很微小, 这种DO的突然迅速大幅度升高, 可以作为曝气结束的信号。
通过采样试验, 我们进一步扩大试验范围, 尝试用函数来描述曝气时间与生活污水浓度之间的关系。
由于定时检测C O D浓度在操作上的不便捷, 我们利用在曝气结束时D O浓度突然迅速大幅度升高这一特性, 通过连续监测每隔5 m i n记录D O浓度, 并寻找[ (DOn-DOn-1) /Δt]突然迅速大幅升高的时间点, 来近似曝气结束时间。
我们继续通过采样试验, 记录不同COD浓度生活污水完成好氧曝气所需要的时间, 统计结果如表1。
用图表分析上述数据我们不难发现分
布近似为指数曲线, 因此我们假设t=f (x) 是指数函数t=kemx, 我们用最小二乘法寻找最佳数据拟合函数, 寻找使最小的k和m。
对t=kemx取常对数:lgt=lgk+m.x.lge=a+bx, 其中a=lgk, b=m.lge,
取极小值时:
将上述8组采样数据代入计算, 其中我们将COD浓度的单位改为g/L以减少在运算过程中的误差。
得到法方程组为:
解得:a=1.6744, b=0.2776;即k=47.25, m=0.64。用函数来描述曝气时间与生活污水浓度之间的关系, 可近似为t=47.25e0.64x (其中t单位min, x单位为g/L) 。
通过采样试验, 我们得出了初始C O D浓度与最佳反应时间之间t的函数关系。这种函数关系可以指导我们在已知某项目生活污水平均浓度的情况下, 快速确定适合该项目的反应程序。
由于我们对生活污水处理装置的选型是依据定员人数来决定的, 这意味着在确定人数的环境下, 所产生的总污染物负荷量是基本类似的。但是, 不同类型的项目环境下, 由于冲洗机制等因素的不同, 相同定员人数有的可能耗水量相对较少, 产生的生活污水浓度相对较高, 而有的耗水量相对较多, 产生的生活污水浓度相对较低。
在采用SBR技术的生活污水处理装置的设计过程中, 我需要考虑水量可能的变化范围, 将SBR反应柜的处理容积设计的较为充分, 随后针对不同的水量和浓度, 确定不同的反应时间, 这成为维持设备正常运行的关键。
同时我们也认识到, 依据指数函数的曲线特征, 高浓度的生活污水所需要的曝气时间将会成倍的增加, 这对于我们的序批式处理是十分不利的。为了将曝气时间控制在一定范围内, 我们必须限制进入系统的生活污水浓度过高。结合设计的实际, 若将设备的曝气时间控制在4h之内 (t<240min) , 通过代入函数计算, 生活污水C O D浓度应<2540mg/L。同时考虑到好氧法处理生活污水的理想范围 (COD<2000mg/L) 。采取重力收集的生活污水浓度一般均在此范围内, 我们只需对采取真空收集的生活污水在集污柜内进行适当的稀释, 即在真空收集生活污水储存柜的转驳过程中加入定量稀释泵, 使其COD浓度控制在2000mg/L以内, 即可大幅度的提高生化反应的效率, 缩短反应时间。
据此, 不仅可以确保设备的出厂设置满足大多数使用环境的需要, 更可以在设备安装运行后进一步根据实际使用环境的污水水质水量状况, 迅速确定、调节SBR柜反应参数, 达到优化整个设备的处理能力, 提高工作效率的目的。
摘要：通过在实验室内对不同浓度的生活污水SBR曝气反应进程进行采样试验及数学曲线拟合, 为应用SBR技术的小型一体化生活污水处理装置投入运行时, 依据使用环境快速确定反应参数提供了参考, 提高装置的工作效率。
关键词：生活污水处理装置,SBR技术,参数优化
[1] 高建群, 郑英铭.BOD与COD相关机理的探讨[J].环境科学, 1989, 10 (1) .
[2] 高玲莉, 乔忠学.城市生活污水中BOD_5与COD_ (cr) 相关性的探讨[J].江苏环境科技, 2001, 4.
[3] 何强, 孙倩, 翟俊, 等.高氮高浓度粪便污水处理技术研究[J].重庆建筑大学学报, 2007, 4 (29) :104-106.
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