CN105548474A - 一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法，属于污水处理技术领域。该方法采用SBBR工艺，不少于3组并联反应器同步挂膜，在相同初始进水基质浓度下稳定运行，检测出水COD、氨氮等指标及生物相变化取其均值；按序改变进水基质浓度重复运行检测；然后以进水基质浓度为横坐标，出水COD、氨氮均值为纵坐标，绘制所测载体的进出水浓度变化散点图，得到拟合曲线族；再更换污水类型，重复上述操作得到其他污水类型下的曲线族；将这些曲线族合成到同一坐标系上即构成污水处理微生物载体生化特性图谱。该图谱为污水处理工程中载体选型和容积负荷计算提供了定量依据，为新型载体的开发指明了方向。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体地指一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法。
背景技术
生物载体是生物膜附着的介质，同时作为相对固定相，为气、液、固三相提供接触面；生物载体还是切割水流和气泡的介质，促进气、液、固之间的传质。生物载体的性能关系到生物膜中生物相的分布、微生物的生长状况，因而，生物载体作为生化处理技术的核心，直接影响和制约着处理效果、基建投资、运行周期和运行成本。
目前国内生产的生物载体种类繁多，对于物理特性已制定并发布相关检测方法和标准，其中《水处理用滤料(CJ/T43-2005)》中包括破碎率和磨损率、密度、含泥量、灼烧减量等物理指标的检验方法；《水处理用人工陶粒滤料(CJ/T299-2008)》中包括均匀系数(K60)、不均匀系数(K80)、破碎率与磨损率之和、含泥量、密度、堆积密度、表观密度、空隙率、比表面积等物理指标的检验方法，但标准中均无生化特性测定方法。
生物载体生化特性的研究大都停留在定性描述阶段，没有一种可行的量化评价方法；而且生化特性的研究大多建立在少数几个反应器基础上，没有多组反应器同步运行的可比性，致使不同学者间的相关研究缺乏可比性；进水浓度范围窄，不能全面、系统、直观地体现污水处理微生物载体的生化性能，缺乏参考价值。
目前常见的载体有粒状填料、多孔填料、蜂窝状或波纹板状填料。在实际污水处理工程使用中，选择生物载体时，往往只能根据生物载体的物理特性、不同处理工艺、不同水质水量参照类似工程选取，而每种生物载体对污水的处理效果、适用范围、适用水质等生化性能并不明确，设计选型的盲目性很大，不当使用“传染性”是常见工程通病。
发明内容
本发明的目的在于针对以上不足，提供一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法，在相同工艺条件下能够测绘出一幅多种结构形式和材质的生物载体在不同性质污水和不同浓度下的主要污染物指标降解效果曲线的全景图谱，提供了一种涵盖各种载体生化特性的量化评价曲线族，并根据进水负荷及水质波动程度选择耐受力适合具体工程条件的特征载体，并可为新型生化载体开发或改性指明方向。
载体的结构特征、表面粗糙度影响流场分布、填充率、有效表面积、对原水污染物组成的适应性和生物膜附着力，从而影响传质效率；载体材质影响其耐磨性、亲水性和微生物亲和性，进而影响生物膜的厚度及活性，并最终影响载体对污染物的降解效果。不同水质、不同基质浓度下载体的生化特性差异显著，为了全面表达这种差异性，本发明提出了污水处理微生物载体生化特性图谱的概念，提供了一种全面、系统、直观的载体生化性能表现形式。
本发明所提供技术方案如下：
一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法，包括挂膜启动、曲线族检测、图谱合成三个部分，所述测定方法的具体技术方案如下：
(1)挂膜启动
不少于3组相同检测装置并联组装、填充待测生物载体并调试完毕后同步运行，以保证生化条件的一致性，使测定结果更具可比性；每组反应器中按4000mg/L的浓度投加活性污泥，DO控制在2～4mg/L，进水PH控制在7.8～8.0，反应器内水温控制在待测污水年平均温度下，先闷爆2天，再采用SBBR工艺，每天运行两个周期，每个周期按“进水30min→曝气9.5h→沉淀1.5h→排水20min→待机10min”的程序进行，其中第三天开始换水排泥运行，DO控制在3～5mg/L，换水率为50％，每天排泥一次，排泥量为污泥总体积的1/10，第8～10天后每次换水时均放空反应器，再补充污水进入下一周期的运行，由于白天运行环境条件较好，所以沉淀后取每天白天运行周期对应的晚上出水水样，检测其水质，当COD、NH3-N去除率稳定并﹥60％，镜检中出现较为稳定的生物膜或轮虫、线虫等微型后生动物时挂膜启动完成。
(2)曲线族检测
(a)平均出水浓度检测
取样时间和取样周期不变，挂膜启动完成后继续检测出水COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮指标及其他物理参数、生物相变化情况，去除出水COD和氨氮浓度超出出水均值的±10％范围的数据，以减少偶然误差对测定结果的影响，直至系统稳定运行至有效数据不少于10组，使测得出水浓度更能代表该进水基质浓度下的出水浓度水平，从而得到1个进水基质浓度下的平均出水浓度。
然后再按由低到高或由高到低的顺序调整至下一进水基质浓度并重复步骤(a)，直至进水基质浓度个数不少于7组。其中，采用由低到高或由高到低的调整顺序依次改变进水基质浓度能有效缩短浓度改变之后系统稳定所需时间，节省运行检测成本；进水基质浓度范围依据工程实例及各地污水水质特征综合确定，且进水基质浓度个数不少于7组以保证载体生化特性曲线拟合绘制的精度及进水基质浓度范围的广泛性和代表性，从而得到7个进水基质浓度下对应的各平均出水浓度。
(b)拟合绘制曲线构成曲线族
将步骤(a)所述进水基质浓度下对应出水的至少10组COD、氨氮有效数据的均值作为出水浓度，以减少偶然误差对测定结果的影响，具有统计学意义；标准差代表出水水质稳定水平，以反映出水水质的稳定程度；以进水基质浓度为横坐标，出水浓度为纵坐标，将所得数据点绘制到该坐标系中进行二次多项式拟合；绘制所测载体随进水基质浓度变化出水浓度随之变化的对应关系曲线，即载体生化特性曲线，从而得到同种水质下不同载体的生化特性曲线构成的曲线族。
(c)更换污水类型形成其他种类水质下曲线族
更换污水类型，重复上述步骤(1)～(2)得到其他污水类型下的曲线族；其中为了快速完成挂膜启动过程且使测得图谱具有代表性和普遍意义，挂膜启动所需接种污泥和进水基质浓度范围需根据待测水质特征确定；进水基质浓度的调整顺序和第一种水质下的调整顺序保持一致，使得运行检测过程中不同水质之间的变化情况可相互参照，减小误差。
(3)图谱合成
将步骤(2)测得曲线族绘制到同一坐标系中，合成污水处理微生物载体生化特性图谱。
本发明所述的污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法，也可应用于厌氧处理工艺中微生物载体生化特性图谱的测定。
本发明提出了污水处理微生物载体生化特性曲线、曲线族及生化特性图谱的概念，提供了一种全面、系统、直观的载体生化性能表现形式；所述图谱可通过测定不同载体、不同水质情况下的生化特性曲线而不断丰富、完整。该图谱可体现污水处理微生物载体的有效容积负荷、对波动水质的处理能力，为污水处理工艺中载体的性能评价、设计选型、开发、改性提供支撑，具体如下所述：
性能评价：载体的有效容积负荷即在出水达到一级B排放标准的前提下载体能承受的最大容积负荷，有效容积负荷越大表明载体能承受的容积负荷越大，反之越小；载体生化特性曲线的斜率或斜率增长率代表载体对波动水质的处理能力，斜率或斜率增长率越大表明载体对波动水质的处理能力越差，反之越好，可对载体生化性能进行量化评价。
设计选型：可根据进水负荷及水质波动程度选择耐受力不同的载体，所需负荷高可选择最大容积负荷较大载体，水质波动大可选择生化特性曲线斜率或斜率增长率较小的载体。根据污水处理厂进水水质和出水浓度要求，以进水基质浓度划与y轴平行的直线，以出水浓度要求划与x轴平行的直线，二者相交于一点，这两条直线与x、y轴组成的区域内所有载体均满足使用要求，进一步根据载体对波动水质的处理能力最终确定所需载体，正确选择载体可保证工程的经济型和运行的可靠性。
开发、改性：根据图谱中载体表现出的生化特性结合其所具有的物理特性、结构特征开发出新型或改性载体。
附图说明
图1为本发明测定方法流程图。
图2为本发明实施例所用测定装置示意图。
图3为本发明污水处理微生物载体生化特性图谱(COD)。
图4为本发明污水处理微生物载体生化特性图谱(氨氮)。
图5为本发明实施例1人工配水水质条件下载体生化特性曲线族(COD)。
具体实施方式
下面结合附图，例举实施例对本发明作详细说明，其中实施例1为人工配水水质条件下载体生化特性曲线族测定，实施例2为生活污水水质条件下载体生化特性曲线族测定，实施例3为焦化废水水质条件下载体生化特性曲线族测定，实施例1、2、3测得曲线族绘制到同一坐标系中，合成污水处理微生物载体生化特性图谱。实施例1、2、3均采用图2所示测定装置，装置主体由14组有机玻璃柱反应器并联构成，测定过程中14组反应器同步运行，反应器内径150mm，高2000mm，填充待测生物载体并补充污水后，液位高105cm，其中承托层厚10cm，填料填充高度50cm，填料层以上水深30cm，1为空压机，2为压力容器，3为减压阀，4为电磁阀，5为配水箱，6为水泵，7为气体分配器，8为转子流量计，9为自控系统，10为排气管，11为反应器，12为生物载体，13为曝气器，14为泥样阀，15为溢流管，16为水样阀，17为温控器，18为DO、PH监测仪；反应器内水温通过温控器17控制在待测污水年平均温度下，水中DO和PH通过DO、PH监测仪18在线监测，空压机1和水泵6的自动启闭、曝气控制电磁阀4a、放空反应器电磁阀4b均由自控系统9自动控制；待测载体共14种，包括现有载体和自制新型载体，其种类及主要物理参数如表1所示，测定方法流程如图1所示，包括挂膜启动、曲线族检测、图谱合成三个步骤，具体步骤见实施例。
表1测定载体种类及主要物理参数
实施例1
人工配水水质条件下载体生化特性曲线族测定，具体步骤如下：
(1)挂膜启动
10组相同检测装置并联组装、填充待测生物载体并调试完毕后，取马鞍山市某污水处理厂二沉池活性污泥作为接种污泥挂膜启动，每组反应器中活性污泥浓度按4000mg/L的浓度加入。进水为人工配制模拟生活污水，COD：N：P比值为100:5:1，挂膜启动配水基质浓度为①COD200mg/L，氨氮10mg/L，磷2mg/L，碳源、氮源、磷源分别为由葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾提供，DO通过转子流量计8控制在2～4mg/L，碳酸钠、碳酸氢钠缓冲溶液调节进水PH为7.8～8.0，反应器内水温控制在生活污水年平均温度下。
先闷爆2天，不进水不排水，再采用SBBR工艺，每天运行两个周期，每个周期按“进水30min→曝气9.5h→沉淀1.5h→排水20min→待机10min”的程序进行，其中第三天开始换水排泥运行，DO控制在3～5mg/L，换水率为50％，进水在配水箱5中配制，由水泵6打入反应器11中，同时每天排泥一次，由泥样阀14排出，排泥量为污泥总体积的1/10，第8～10天后每次换水时均放空反应器11，再补充污水进入下一周期的运行，沉淀后通过水样阀16取每天白天运行周期对应的晚上出水水样，然后通过电磁阀4b放空反应器，检测其水质，当COD、NH3-N去除率稳定并﹥60％，镜检中出现较为稳定的生物膜或轮虫、线虫等微型后生动物时挂膜启动完成。
(2)曲线族检测
(a)平均出水浓度检测
取样时间和取样周期不变，挂膜启动完成后继续检测出水COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮指标及其他物理参数、生物相变化情况，去除出水COD和氨氮浓度超出出水均值的±10％范围的数据，直至系统稳定运行至有效数据不少于10组，从而得到1个进水基质浓度下的平均出水浓度。
然后再调整进水基质浓度，本实施例中进水基质浓度的调整按由低到高的顺序，每改变一组进水基质浓度均重复步骤(a)，进水基质浓度个数7组如下所示：
①COD200mg/L，氨氮10mg/L，磷2mg/L
②COD300mg/L，氨氮15mg/L，磷3mg/L
③COD400mg/L，氨氮20mg/L，磷4mg/L
④COD500mg/L，氨氮25mg/L，磷5mg/L
⑤COD600mg/L，氨氮30mg/L，磷6mg/L
⑥COD700mg/L，氨氮35mg/L，磷7mg/L
⑦COD800mg/L，氨氮40mg/L，磷8mg/L
从而得到7个进水基质浓度下对应的各平均出水浓度。
(b)拟合绘制曲线构成曲线族
将步骤(a)所述进水基质浓度下对应出水的至少10组COD、氨氮有效数据的均值作为出水浓度，部分载体进出水浓度如表2所示。
表2人工配水水质条件下载体进出水浓度
以进水基质浓度为横坐标，出水浓度为纵坐标，将所得数据点绘制到该坐标系中进行二次多项式拟合，绘制所测载体随进水基质浓度变化出水浓度随之变化的对应关系曲线，即载体生化特性曲线，从而得到不同载体的生化特性曲线构成的人工配水水质条件下载体生化特性曲线族，由载体生化特性曲线可得载体有效容积负荷及曲线的斜率增长率：
载体有效容积负荷即在出水达到一级B排放标准的前提下载体能承受的最大容积负荷，有效容积负荷越大表明载体能承受的容积负荷越大，反之越小，可对载体生化性能进行量化评价。如图5所示，以出水COD达到《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》中一级B排放标准60mg/L为准，划与x轴平行的直线与各载体生化特性曲线相交，各交点对应横坐标x1＝493.63、x2＝538.25、x3＝621.87、x4＝807.57即为各载体出水COD为60mg/L对应的进水COD浓度，从而计算出各载体COD有效容积负荷；同理以出水氨氮达到《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》中一级B排放标准8mg/L为准计算出各载体氨氮有效容积负荷。
曲线的斜率增长率代表载体对波动水质的处理能力，斜率或斜率增长率越大表明载体对波动水质的处理能力越差，反之越好，可对载体生化性能进行量化评价。将图5中曲线对应的二次多项式对x求二阶导可得各载体生化特性曲线的斜率增长率，人工配水水质条件下部分载体有效容积负荷及曲线斜率增长率如表3所示。
表3人工配水水质条件下载体有效容积负荷及曲线斜率增长率
实施例2
生活污水水质条件下载体生化特性曲线族测定，具体步骤如下：
(1)挂膜启动
取某污水处理厂二沉池活性污泥作为接种污泥挂膜启动，每组反应器中活性污泥浓度按4000mg/L的浓度加入。进水为该污水处理厂沉砂池出水，用葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾调整进水COD、氨氮、磷等基质浓度，沉砂池出水浓度高需稀释后再调整，挂膜启动配水基质浓度为①COD100mg/L，氨氮25mg/L，磷1mg/L，DO、PH的控制同实施例1，反应器内水温控制在生活污水年平均温度下。
闷爆及运行工艺、运行周期、挂膜操作过程等均同实施例1，直至挂膜启动完成。
(2)曲线族检测
(a)平均出水浓度检测
同实施例1，其中生活污水进水基质浓度如下所示：
①COD100mg/L，氨氮25mg/L，磷1mg/L
②COD200mg/L，氨氮30mg/L，磷2mg/L
③COD300mg/L，氨氮35mg/L，磷3mg/L
④COD400mg/L，氨氮40mg/L，磷4mg/L
⑤COD500mg/L，氨氮45mg/L，磷5mg/L
⑥COD600mg/L，氨氮50mg/L，磷6mg/L
⑦COD700mg/L，氨氮55mg/L，磷7mg/L
从而得到7个进水基质浓度下对应的各平均出水浓度。
(b)拟合绘制曲线构成曲线族
同实施例1，可得生活污水水质条件下部分载体进出水浓度如表4所示。
表4生活污水水质条件下载体进出水浓度
同实施例1，绘制所测载体生化特性曲线，从而得到不同载体的生化特性曲线构成的生活污水水质条件下载体生化特性曲线族，计算方法同实施例1可得生活污水水质条件下部分载体有效容积负荷及曲线斜率增长率如表5所示。
表5生活污水水质条件下载体有效容积负荷及曲线斜率增长率
实施例3
焦化废水水质条件下载体生化特性曲线族测定，具体步骤如下：
(1)挂膜启动
取马鞍山市某焦化厂废水处理站生化处理工艺活性污泥作为接种污泥挂膜启动，每组反应器中活性污泥浓度按4000mg/L的浓度加入。进水为该焦化厂废水处理站缺氧池出水，用葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾调整进水COD、氨氮、磷等基质浓度，缺氧池出水浓度高需稀释后再调整，挂膜启动配水基质浓度为①COD1500mg/L，氨氮300mg/L，DO、PH的控制同实施例1，反应器内水温控制在焦化废水年平均温度下。
闷爆及运行工艺、运行周期、挂膜操作过程等均同实施例1，直至挂膜启动完成。
(2)曲线族检测
(a)平均出水浓度检测
同实施例1，其中焦化废水进水基质浓度如下所示：
①COD1500mg/L，氨氮300mg/L
②COD2000mg/L，氨氮350mg/L
③COD2500mg/L，氨氮400mg/L
④COD3000mg/L，氨氮450mg/L
⑤COD3500mg/L，氨氮500mg/L
⑥COD4000mg/L，氨氮550mg/L
⑦COD4500mg/L，氨氮600mg/L
从而得到7个进水基质浓度下对应的各平均出水浓度。
(b)拟合绘制曲线构成曲线族
同实施例1，可得焦化废水水质条件下部分载体进出水浓度如表6所示。
表6焦化废水水质条件下载体进出水浓度
同实施例1，绘制所测载体生化特性曲线，从而得到不同载体的生化特性曲线构成的焦化废水水质条件下载体生化特性曲线族，计算方法同实施例1可得焦化废水水质条件下部分载体有效容积负荷及曲线斜率增长率如表7所示；其中YDT型弹性立体填料、半软性填料、多面空心球B不存在有效容积负荷，说明通过此单级生化处理工艺不能使该焦化废水出水达到一级B排放标准，但经过该工艺处理后的出水可以作为组合工艺中下一处理工艺的进水。
表7焦化废水水质条件下载体有效容积负荷及曲线斜率增长率
将实施例1、2、3测得COD、氨氮曲线族分别绘制到同一坐标系中合成污水处理微生物载体生化特性COD图谱和氨氮图谱，分别如图3、4所示；从图3、4中可以得出不同载体的有效容积负荷大小及对波动水质处理能力的强弱，结果如表3、5、7所示，对载体的生化性能进行了量化。
下面以实施例1为例，结合附图5对图谱应用加以说明，以进水COD浓度分别为580mg/L和760mg/L划与y轴平行的直线与各载体生化特性曲线分别相交于点a、b、c、d和e、f、g、h，只有点a、b、e在直线y＝60以下，可得在进水COD浓度为580mg/L时多面空心球B和短管填料A满足一级B排放标准，在COD浓度为760mg/L时短管填料A满足；从图5可以看出，当进水COD浓度大于x4时，通过此单级生化处理工艺不能使该污水处理后出水达到一级B排放标准，但经过该工艺处理后的出水可以作为组合工艺中下一处理工艺或两段式处理工艺中第二段处理工艺的进水，在经过下一处理工艺处理后，可满足排放标准要求；污水中含悬浮颗粒较大时，可据载体结构特征选择空隙率较大载体，如表1中悬挂填料、悬浮填料，防止填料层堵塞影响污水厂运行。
由x＝580和760可分别计算出交点对应y值，ya＝30.90，yb＝44.35，ye＝53.06，ya＝30.90，yb＝44.35均满足一级B排放标准且相差不大，但a、b点处斜率ka＝0.105﹤kb＝0.344，说明在x＝580附近进水基质浓度范围内短管填料A出水水质波动较小，所以选择短管填料A更能保证出水水质稳定且达到一级B排放标准，保证了污水处理厂运行的可靠性。
YDT型弹性立体填料和半软性填料均为悬挂填料，表3中COD、氨氮有效容积负荷均为YDT型弹性立体填料＞半软性填料，而且斜率增长率均为半软性填料＞YDT型弹性立体填料，可知YDT型弹性立体填料有效容积负荷大且对波动水质的处理能力强于半软性填料，虽然半软性填料的比表面积远大于YDT型弹性立体填料，为微生物提供了更多的附着位点，更有利于污水处理，但由于YDT型弹性立体填料在空间内全方位均匀舒展分布，能够使三相均匀接触并传质，进水进气后，填料会产生颤动形成紊流，提高传质速率，使其在处理污水中表现出了更优的性能，这就为开发新型或改性载体提供了依据，即不能一味追求增大载体的比表面积，还要考虑载体的结构特征对布水布气和传质的影响。
Claims (1)
1.一种污水处理微生物载体生化特性图谱的测定方法，包括挂膜启动、曲线族检测、图谱合成三个步骤，其特征在于，所述测定方法的具体步骤如下：
(1)挂膜启动
不少于3组相同检测装置并联组装、填充待测生物载体并调试完毕后同步运行，生化条件一致，每组反应器中按4000mg/L的浓度投加活性污泥，DO控制在2～4mg/L，进水PH控制在7.8～8.0，反应器内水温控制在待测污水年平均温度下，先闷爆2天，再采用SBBR工艺，每天运行两个周期，每个周期按“进水30min→曝气9.5h→沉淀1.5h→排水20min→待机10min”的程序进行，其中第三天开始换水排泥运行，DO控制在3～5mg/L，换水率为50％，每天排泥一次，排泥量为污泥总体积的1/10，第8～10天后每次换水均放空反应器，再补充污水进入下一周期的运行，沉淀后取每天白天运行周期对应的晚上出水水样，检测其水质，当COD、NH3-N去除率稳定并﹥60％，镜检中出现较为稳定的生物膜或轮虫、线虫等微型后生动物时挂膜启动完成；
(2)曲线族检测
(a)平均出水浓度检测
取样时间和取样周期不变，挂膜启动完成后继续检测出水COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮指标及其他物理参数、生物相变化情况，去除出水COD和氨氮浓度超出出水均值的±10％范围的数据，直至系统稳定运行至有效数据不少于10组；
然后再按由低到高或由高到低的顺序调整至下一进水基质浓度并重复步骤(a)，直至进水基质浓度个数不少于7组；
(b)拟合绘制曲线构成曲线族
将步骤(a)所述进水基质浓度下对应出水的至少10组COD、氨氮有效数据的均值作为出水浓度，以进水基质浓度为横坐标，出水浓度为纵坐标，将所得数据点绘制到该坐标系中，拟合绘制所测载体随进水基质浓度变化出水浓度随之变化的对应关系曲线，即载体生化特性曲线，同种水质下不同载体的生化特性曲线构成曲线族；
(c)更换污水类型形成其他种类水质下曲线族
更换污水类型，重复上述步骤(1)～(2)，其中挂膜启动所需接种污泥和进水基质浓度范围需根据待测水质特征确定，进水基质浓度的调整顺序和第一种水质下的调整顺序保持一致；
(3)图谱合成
将步骤(2)测得曲线族绘制到同一坐标系中，合成污水处理微生物载体生化特性图谱。
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