工程說明

1. 項目介紹

該市政污水廠設計目標為處理304萬人口的生活污水，用于去除COD 和BOD5，目前能夠滿足國家環保法規的要求。在以下工藝條件下2010年8月份的統計數據如下：

• 水力停留時間 HRT = 5.5 h
• 負荷Lv = 2.5 kgCOD/m³xd, Lv` = 1.3 kgBOD/m³xd

進水及出水指標見表1。
 

但是考慮到未來的發展及標準的提升污水廠的管理層決定試用一些新的工藝來滿足未來的環保要求 。

1.1  如果采用在歐洲和美國廣泛采用的傳統活性污泥法工藝 好氧池的容積需擴大一倍。

1.2  而一種創新型及在溫度低的條件下發展出的新工藝則是生物膜法和活性污泥法的組合工藝， 污水廠的改建基于將生物菌群固定在有吸附能力的LEVAPOR懸浮填料上。該填料是由德國拜耳公司研發，現在授權給其發明人所創立的公司獨家在全球推廣使用。該懸浮填料最先是1989/90年在芬蘭Espoo由該國環保部負責的一個小型污水處理廠的改建工程中得到應用，然后在赫爾辛基的一個大型污水處理廠得到成功應用。

該生物膜技術是將15%填充率的LEVAPOR懸浮調料投放到好氧池中，在反應池中設置隔網確保懸浮填料不被出水帶出反應池。

因為LEVAPOR懸浮填料很強的吸附能力一些絮凝效果差、生長速度慢的硝化菌種能在LEVAPOR懸浮填料上迅速繁殖并形成活性生物膜，能將硝化能力提高一倍。

圖 1+2 外觀 (20x20x7 mm) LEVAPOR懸浮填料 橫截面

由于LEVAPOR懸浮填料的高孔隙度以及內表面積非常大，溶氧度和氧化還原電位都很低，能在好氧條件下自動發生同步反硝化，從而能降低硝酸根離子的濃度。通過該工藝無需新建反應池就能大幅提高已建設施的處理效能。

2. 實驗室規模的生化測試

為了能在現有條件下檢測LEVAPOR生物膜技術的效果和估算工藝參數，污水廠決定運行一個實驗室規模的在線污水處理設施。 (圖. 3)

圖3: LEVAPOR 懸浮填料在好氧反應池中

生化測試的策略和目標

該實驗的目的是對一些基本問題找到合適 的解決方案并確定以下參數：

• 硝化菌株的篩選和適應
• 確定生物膜的形成
• 確定污染物的去除率
• 污染物的去除速度( 反應速度，最大值和優化值)
• 觀察出現水力高峰后工藝的穩定性
• 確認生物膜的效果，包括穩定性等
• 穩定狀態下的工藝優化
• 估算極限值

在實驗室規模條件下得到的結果和參數足以用于設計新的工藝和估算大致所需的基礎工程規模和造價。

在測試過程中反應器的負荷應該逐步增加用以估計改建工程的最大處理能力。

3. 實驗部分

3.1. 實驗裝置

反應器容積 V = 7 L，帶有曝氣裝置，二沉池容積 V = 3.5 L with overflow. (圖4)。

圖 4: 實驗室規模的曝氧池

實驗在 該污水廠的實驗室內進行，由實驗室人員負責操作和記錄。

3.2. 水樣 – 每天經過初沉池的出水

3.3. 初始生物量 (接種) - 從污水處理廠的好氧池獲取活性污泥。除了附著在LEVAPOR懸浮填料上的生物量外反應器中的懸浮污泥濃度應保持在3.0- 3.5 g/L左右。

3.4. 分析 – 國際通行的分析方法

TKN (凱氏氮 = 氨氮 + 有機氮), 進水的氮含量的指標沒有進行檢測，但是大致估算為 進水氨氮的1.25倍，因為凱氏氮通常比氨氮高25% -30%左右。

3.5. LEVAPOR懸浮填料的投入量 – 規格為 20x20x7 mm 的1.0L LEVAPOR懸浮填料投放到7.0L的反應器中。

3.6. 生化實驗過程

將污水導入到反應器中，通過蠕動泵的作用活性污泥和LEVAPOR懸浮填料得到曝氣，實驗開始。水力停留時間設定為5.5小時。在此條件下實驗從10月15日開始運行，12月15日結束。實驗開始數小時后能夠在LEVAPOR懸浮填料表面明顯觀察到一層生物膜。
 

圖 5: 生物量的調試階段和COD去除率

在開始階段出水COD達到100 mg/L，但是3天以后運行逐漸穩定，COD開始下降到40-50 mg/L ，隨著反應過程的逐步穩定處理效果也明顯增強 (圖 5)。水溫到了12月份也慢慢從 27-28°C 降低到20-21°C，但是去除效率依然保持在很穩定 的水平。

3.7. 結果和討論

第一階段的結果列于 ( HRT = 5.5 h， Lv ~ 2.5 g COD/Lx d) 表2和圖5-9中。

3.7.1. COD和BOD5去除率研究

在圖5和6中所顯示經過很短的適應期后COD和BOD5的 去除趨于穩定去除率并逐步提高，出水效果比污水處理廠的更佳。

在圖6中的第21和第28天進水COD負荷增加了60%，在圖7中的第22和第36天BOD5的負荷增加了100%，該處理仍舊保持很高的穩定性，從而證明了LEVAPOR生物膜的卓越性能。

圖 6: 測試階段COD的進水和出水值 (2010年10月 25日至12月15日)

盡管在這幾天出現了水力高峰，出水的COD 和BOD5 保持不變。這充分說明了LEVAPOR生物膜技術的緩沖能力明顯增強，穩定性也非常高，也就意味著單位負荷相比傳統的活性污泥法可以增加很多。

根據圖6中的最后25天的數據，在水力停留時間5.5 h 和COD負荷Lv = 2.48 gCOD/Lxd的條件下，進水的平均COD為527mg/L, 經過LEVAPOR生物膜技術處理后出水的COD均值為28.2mg/L,平均去除率為94.7%。相應的進水BOD5為198mg/L，出水BOD5的均值為10.9 mg/L，平均去除率為94.5%。

圖7: 測試階段BOD5 的進水和出水值

圖 8: 溫度對反應速度的影響

溫度在20-28°C 之間波動時去除率與溫度無相關性 (圖8)，盡管有理論認為當溫度下降10°C時反應速度應該減半。從這個角度也證實了LEVAPOR生物膜技術的穩定非常高！

3.7.2. 氮的去除效果研究

新的環保要求中很重要的一個方面是含氮化合物的去除，因為這類物質一方面對水生動物的毒性較大，另一方面耗氧非常多，每氧化1克氮需要氧氣4.6克。將含氮化合物去除是以TKN(凱氏氮)為指標，這類物質首先水解為氨氮，然后被氧化為硝基(NO3- )，其后在缺氧的環境中通過反硝化（DO最大值約為0.3mg/L）變為氮氣。但是通過此前的研究證實反硝化反應在好氧環境中也能在LEVAPOR懸浮填料的內部進行，DO 為1-3mg/L（圖9）。反硝化的能力也取決于氮的負荷。

圖 9： 測試階段氮的變化

4. 結論和展望

從第一階段的實驗結果我們能得出以下結論：

• 通過采用LEVAPOR生物膜工藝，在很短的時間就能適應當地的環境，處理效果和穩定性都能得到大幅度的提高。
• 在水力停留時間為5.5 h以及負荷為 Lv = 2.48 gCOD/Lxd的條件下進水 COD為527 mg/L ，出水COD 為 28.2 mg/L , 去除率為94.7%。
• 在同樣的條件下凱氏氮濃度能從41.1mg/L下降到7mg/L(1.1 mg/L NH₄N 和 5.9 mg/L NO₃N）
• 在溫度介于20-28°C時去除率和溫度沒有關聯，從而證實了系統的穩定性非常好。
• 此外采用LEVAPOR生物膜技術還能顯著增加反應器的污染物負荷，通過與現運行的污水處理廠的反應池污染物負荷相比較證實了以上判斷。

展望

為了確認污水廠的處理極限建議逐步將水力停留時間從5.5小時減少到4小時

工程圖片