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德态LEVAPOR生物膜法处理市政污水研究报告

详细信息
项目名称 德态LEVAPOR生物膜法处理市政污水研究报告
建设地点 建设起始时间 建设结束时间
建设性质 新建 工程投资 废水性质
处理规模 进水水质 出水水质
处理工艺 运行费用 承包范围
工程说明


1. 项目介绍

该市政污水厂设计目标为处理304万人口的生活污水,用于去除COD 和BOD5,目前能够满足国家环保法规的要求。在以下工艺条件下2010年8月份的统计数据如下:

  • 水力停留时间 HRT = 5.5 h
  • 负荷Lv = 2.5 kgCOD/m3xd, Lv` = 1.3 kgBOD/m3xd

进水及出水指标见表1。
 

指标 单位 进水 出水
COD mg/L 527 30
BOD mg/L 198 21
TKN  mg/L 41.1 18
(NH4N*1,25) 估计值 (NH4N+NO3N)
表1:污水处理厂采用原工艺进出水指标

但是考虑到未来的发展及标准的提升污水厂的管理层决定试用一些新的工艺来满足未来的环保要求 。

1.1  如果采用在欧洲和美国广泛采用的传统活性污泥法工艺 好氧池的容积需扩大一倍。

1.2  而一种创新型及在温度低的条件下发展出的新工艺则是生物膜法和活性污泥法的组合工艺, 污水厂的改建基于将生物菌群固定在有吸附能力的LEVAPOR悬浮填料上。该填料是由德国拜耳公司研发,现在授权给其发明人所创立的公司独家在全球推广使用。该悬浮填料最先是1989/90年在芬兰Espoo由该国环保部负责的一个小型污水处理厂的改建工程中得到应用,然后在赫尔辛基的一个大型污水处理厂得到成功应用。

该生物膜技术是将15%填充率的LEVAPOR悬浮调料投放到好氧池中,在反应池中设置隔网确保悬浮填料不被出水带出反应池。

因为LEVAPOR悬浮填料很强的吸附能力一些絮凝效果差、生长速度慢的硝化菌种能在LEVAPOR悬浮填料上迅速繁殖并形成活性生物膜,能将硝化能力提高一倍。

图 1+2 外观 (20x20x7 mm) LEVAPOR悬浮填料 横截面

由于LEVAPOR悬浮填料的高孔隙度以及内表面积非常大,溶氧度和氧化还原电位都很低,能在好氧条件下自动发生同步反硝化,从而能降低硝酸根离子的浓度。通过该工艺无需新建反应池就能大幅提高已建设施的处理效能。

2. 实验室规模的生化测试

为了能在现有条件下检测LEVAPOR生物膜技术的效果和估算工艺参数,污水厂决定运行一个实验室规模的在线污水处理设施。 (图. 3)

图3: LEVAPOR 悬浮填料在好氧反应池中

生化测试的策略和目标

该实验的目的是对一些基本问题找到合适 的解决方案并确定以下参数:

  • 硝化菌株的筛选和适应
  • 确定生物膜的形成
  • 确定污染物的去除率
  • 污染物的去除速度( 反应速度,最大值和优化值)
  • 观察出现水力高峰后工艺的稳定性
  • 确认生物膜的效果,包括稳定性等
  • 稳定状态下的工艺优化
  • 估算极限值

在实验室规模条件下得到的结果和参数足以用于设计新的工艺和估算大致所需的基础工程规模和造价。

在测试过程中反应器的负荷应该逐步增加用以估计改建工程的最大处理能力。

3. 实验部分

3.1. 实验装置

反应器容积 V = 7 L,带有曝气装置,二沉池容积 V = 3.5 L with overflow. (图4)。

图 4: 实验室规模的曝氧池

实验在 该污水厂的实验室内进行,由实验室人员负责操作和记录。

3.2. 水样 – 每天经过初沉池的出水

3.3. 初始生物量 (接种) - 从污水处理厂的好氧池获取活性污泥。除了附着在LEVAPOR悬浮填料上的生物量外反应器中的悬浮污泥浓度应保持在3.0- 3.5 g/L左右。

3.4. 分析 – 国际通行的分析方法

TKN (凯氏氮 = 氨氮 + 有机氮), 进水的氮含量的指标没有进行检测,但是大致估算为 进水氨氮的1.25倍,因为凯氏氮通常比氨氮高25% -30%左右。

3.5. LEVAPOR悬浮填料的投入量 – 规格为 20x20x7 mm 的1.0L LEVAPOR悬浮填料投放到7.0L的反应器中。

3.6. 生化实验过程

将污水导入到反应器中,通过蠕动泵的作用活性污泥和LEVAPOR悬浮填料得到曝气,实验开始。水力停留时间设定为5.5小时。在此条件下实验从10月15日开始运行,12月15日结束。实验开始数小时后能够在LEVAPOR悬浮填料表面明显观察到一层生物膜。
 

图 5: 生物量的调试阶段和COD去除率

在开始阶段出水COD达到100 mg/L,但是3天以后运行逐渐稳定,COD开始下降到40-50 mg/L ,随着反应过程的逐步稳定处理效果也明显增强 (图 5)。水温到了12月份也慢慢从 27-28°C 降低到20-21°C,但是去除效率依然保持在很稳定 的水平。

3.7. 结果和讨论

第一阶段的结果列于 ( HRT = 5.5 h, Lv ~ 2.5 g COD/Lx d) 表2和图5-9中。

指标 单位 进水 出水
COD mg/L 527 28.2
BOD mg/L 198 10.9
TKN  mg/L 41.1 7
(NH4N*1,25) (NH4N+NO3N)
表2:实验室测试进出水指标

3.7.1. COD和BOD5去除率研究

在图5和6中所显示经过很短的适应期后COD和BOD5的 去除趋于稳定去除率并逐步提高,出水效果比污水处理厂的更佳。

在图6中的第21和第28天进水COD负荷增加了60%,在图7中的第22和第36天BOD5的负荷增加了100%,该处理仍旧保持很高的稳定性,从而证明了LEVAPOR生物膜的卓越性能。

图 6: 测试阶段COD的进水和出水值 (2010年10月 25日至12月15日)

尽管在这几天出现了水力高峰,出水的COD 和BOD5 保持不变。这充分说明了LEVAPOR生物膜技术的缓冲能力明显增强,稳定性也非常高,也就意味着单位负荷相比传统的活性污泥法可以增加很多。

根据图6中的最后25天的数据,在水力停留时间5.5 h 和COD负荷Lv = 2.48 gCOD/Lxd的条件下,进水的平均COD为527mg/L, 经过LEVAPOR生物膜技术处理后出水的COD均值为28.2mg/L,平均去除率为94.7%。相应的进水BOD5为198mg/L,出水BOD5的均值为10.9 mg/L,平均去除率为94.5%。

图7: 测试阶段BOD5 的进水和出水值
图 8: 温度对反应速度的影响

温度在20-28°C 之间波动时去除率与温度无相关性 (图8),尽管有理论认为当温度下降10°C时反应速度应该减半。从这个角度也证实了LEVAPOR生物膜技术的稳定非常高!

3.7.2. 氮的去除效果研究

新的环保要求中很重要的一个方面是含氮化合物的去除,因为这类物质一方面对水生动物的毒性较大,另一方面耗氧非常多,每氧化1克氮需要氧气4.6克。将含氮化合物去除是以TKN(凯氏氮)为指标,这类物质首先水解为氨氮,然后被氧化为硝基(NO3- ),其后在缺氧的环境中通过反硝化(DO最大值约为0.3mg/L)变为氮气。但是通过此前的研究证实反硝化反应在好氧环境中也能在LEVAPOR悬浮填料的内部进行,DO 为1-3mg/L(图9)。反硝化的能力也取决于氮的负荷。

图 9: 测试阶段氮的变化

4. 结论和展望

从第一阶段的实验结果我们能得出以下结论:

  • 通过采用LEVAPOR生物膜工艺,在很短的时间就能适应当地的环境,处理效果和稳定性都能得到大幅度的提高。
  • 在水力停留时间为5.5 h以及负荷为 Lv = 2.48 gCOD/Lxd的条件下进水 COD为527 mg/L ,出水COD 为 28.2 mg/L , 去除率为94.7%。
  • 在同样的条件下凯氏氮浓度能从41.1mg/L下降到7mg/L(1.1 mg/L NH4N 和 5.9 mg/L NO3N)
  • 在温度介于20-28°C时去除率和温度没有关联,从而证实了系统的稳定性非常好。
  • 此外采用LEVAPOR生物膜技术还能显著增加反应器的污染物负荷,通过与现运行的污水处理厂的反应池污染物负荷相比较证实了以上判断。

展望

为了确认污水厂的处理极限建议逐步将水力停留时间从5.5小时减少到4小时


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