聚合鋁鐵強(qiáng)化A2/O系統(tǒng)脫氮除磷研究

溫沁雪，王官勝，陳志強(qiáng) ，2，呂炳南，施漢昌

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，wqxshelly@263.net;2.城市水資源開發(fā)利用(北方)國家工程研究中心，哈爾濱 150090;3.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084)

聚合鋁鐵強(qiáng)化A2/O系統(tǒng)脫氮除磷研究

溫沁雪1，王官勝1，陳志強(qiáng)1，2，呂炳南1，施漢昌3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，wqxshelly@263.net;2.城市水資源開發(fā)利用(北方)國家工程研究中心，哈爾濱 150090;3.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084)

為了考察聚合鋁鐵強(qiáng)化A2/O除磷系統(tǒng)的處理效果和聚合鋁鐵對A2/O工藝生物系統(tǒng)的影響，實驗?zāi)MA2/O系統(tǒng)，并在其曝氣池前段投加聚合鋁鐵，通過改變聚合鋁鐵的投加量，研究在不同投加量下，聚合鋁鐵強(qiáng)化A2/O除磷系統(tǒng)對TP，TN，COD的去除效果.并采用氣相色譜法，分析檢測反應(yīng)器內(nèi)污泥的PHA含量，研究聚合鋁鐵對聚磷菌的影響.結(jié)果表明:聚合鋁鐵對生物除磷有一定的影響，在該試驗條件下，聚合鋁鐵的投加量為4 mg/L(以Al計)進(jìn)水時，系統(tǒng)對磷去除效果最好;同時聚合鋁鐵的投加也有助于TN和COD的去除.總磷去除率并不是隨著聚合鋁鐵藥劑的投加量增加而增加，而是由化學(xué)除磷和生物除磷共同作用決定.

聚合鋁鐵;生物除磷;A2/O工藝

隨著水環(huán)境污染和水質(zhì)富營養(yǎng)化問題的尖銳及公眾環(huán)境意識的增強(qiáng)，越來越多的國家和地區(qū)制定嚴(yán)格的污水有機(jī)物和氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)［1］.A2/O脫氮除磷工藝，因能同時去除氮、磷及有機(jī)物，且處理成本較低而得到廣泛應(yīng)用，但其存在基質(zhì)競爭、泥齡矛盾、總氮去除率低等弊端［2］.研究表明反硝化菌與聚磷菌競爭易降解有機(jī)物，前者的競爭能力大于后者［3］.因此在優(yōu)先保證脫氮效果的前提下，輔助以化學(xué)除磷［4－6］，可使得出水中的TP和TN含量同時達(dá)到要求.目前我國經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)地區(qū)的大中型污水處理廠，大都采用化學(xué)投藥輔助生物除磷技術(shù)，研究化學(xué)藥劑對活性污泥的影響非常必要.聚合鋁鐵兼有鋁鹽和鐵鹽的雙重特性［7－8］，既能克服鋁鹽絮體生成慢、絮體輕、沉降慢的缺點，又能克服鐵鹽的出水不清、色度高的缺點［ 7，9］，應(yīng)用較廣.

本文以實際污水處理A2/O工藝為參照，通過在曝氣池前段投加不同量聚合鋁鐵，以提高A2/O工藝脫氮除磷效率，并確定最佳投加量以期為該技術(shù)的應(yīng)用提供參考.同時研究聚合鋁鐵在不同投加量下對A2/O系統(tǒng)生物除磷影響.

1 試驗

1.1 試驗裝置及運行條件

A2/O系統(tǒng)試驗裝置如圖1所示，由合建式厭氧－缺氧－好氧反應(yīng)器和二沉池組成，試驗裝置用有機(jī)玻璃制成.合建式反應(yīng)器有效容積為30 L，反應(yīng)器分為5個相通容積的格室，第1格為厭氧區(qū)，第2格為缺氧區(qū)，后3格為好氧區(qū).進(jìn)水、回流污泥、硝化液回流及加藥均采用蠕動泵控制，在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)內(nèi)安裝攪拌器.溫度在15～25℃之間，試驗正常運行條件:進(jìn)水量為72 L/d，HRT為10 h，SRT為10 d，反應(yīng)器中MLSS一般為3200 mg/L左右，但在投藥含量為3 mg/L時，污泥含量為2 300 mg/L.污泥回流比及內(nèi)循環(huán)回流比均為100%，好氧區(qū)DO含量設(shè)定在2～5 mg/L.試驗分為加藥初期和穩(wěn)定運行2個時期，聚合鋁鐵的投加量均以Al計.傳統(tǒng)前置或后置化學(xué)除磷的藥劑投配比為 1.5∶1(物質(zhì)的量比)［10－13］.而根據(jù)前期運行發(fā)現(xiàn)A2/O系統(tǒng)出水TP含量在2 mg/L左右，所以選定在投加聚合鋁鐵初期階段投加含量為3 mg/L;穩(wěn)定運行期聚合鋁鐵投加含量有3、4、5、6 mg/L(以Al計)4個階段.每個階段運行2個污泥齡，即運行20 d.

圖1 A2/O工藝流程及各部分功能

1.2 原水水質(zhì)及測定方法

試驗污水采用一半生活污水，一半人工配水.其中生活污水來源于哈爾濱某家屬區(qū)生活污水.試驗人工配水組成及含量為:蔗糖溶液，0.3～0.4 g/L;NH4Cl溶液，0.1～0.15 g/L;KH2PO4溶液，0.035～0.04 g/L;NaHCO3溶液，0.05～0.15 g/L;MgSO4·7H2O 溶液，0.03 ～0.08 g/L;CaCl2·2H2O溶液，0.01～0.02 g/L.原水水質(zhì)加藥初期及穩(wěn)定運行期參數(shù)見表1.

COD、NH4+－N、NO3－－N、NO2－－N、TN、TP、MLSS、MLVSS采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法分析;pH采用HANNA HI8424型手持pH計;溶解氧(DO)采用YSI DO200型便攜式溶解氧儀;PHA的檢測采用Agilent GC6890N，F(xiàn)ID檢測器，HP－5柱.接種污泥為城市污水廠的剩余污泥，經(jīng)過連續(xù)培養(yǎng)馴化待系統(tǒng)具有良好的脫氮除磷功能后再開始跟蹤測定.

表1 原水水質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 TP去除效果

在投加聚合鋁鐵初期階段和穩(wěn)定運行期各個階段A2/O系統(tǒng)的除磷效果如圖2所示，系統(tǒng)中各段污泥中的PHA含量如圖3所示.其中穩(wěn)定運行期包括聚合鋁鐵投加含量分別為3、4、5、6 mg/L 4個階段.

圖2 A2/O系統(tǒng)各階段時的除磷效果

圖3 A2/O系統(tǒng)各階段污泥中的PHA含量

由圖2可知，在投加聚合鋁鐵初期和聚合鋁鐵投加為3、4、5、6 mg/L時，出水 TP含量分別為1.61、1.09、0.77、1.47、2.54 mg/L，平均去除率分別 為 79.21%、84.84%、89.23%、75.16%、65.81%，說明在生物除磷和化學(xué)除磷的共同作用下，磷的去除率并不是隨著聚合鋁鐵藥劑的投加含量增加而增加，而是在投加含量為5 mg/L時，磷的去除效果最好.

由圖3可知，在加藥初期PHA含量變化平緩，說明聚磷菌利用PHA進(jìn)行吸磷量少.在投加為3 mg/L時，厭氧區(qū)與缺氧區(qū)PHA含量相差最大，說明聚磷菌在投加含量為3 mg/L進(jìn)水時活性最大.但由于此時系統(tǒng)內(nèi)污泥含量較低，大約為2 300 mg/L，影響其處理效果.此后幾個階段厭氧區(qū)與缺氧區(qū)PHA含量變化不是很大.在投加含量(以Al計)為4 mg/L時，出現(xiàn)沉淀池污泥的PHA含量大于好氧池，可能是沉淀池的二次釋磷造成的.結(jié)合圖 2，出水和好氧區(qū)TP含量很接近，有時出現(xiàn)二次釋磷.說明在曝氣池前段投加聚合鋁鐵，不能保證穩(wěn)定的去除效果.不同的聚合鋁鐵投加量條件下厭氧區(qū)平均釋磷分別為17. 58，20. 69，19. 46，12. 43，8.04 mg/L，說明隨著聚合鋁鐵投加含量的增加，釋磷含量逐漸減少.可以認(rèn)為A2/O系統(tǒng)中聚合鋁鐵對聚磷菌的生物除磷作用有一定的影響.這是因為在曝氣池前段投加聚合鋁鐵，聚合鋁鐵中的金屬陽離子與磷酸鹽形成沉淀，水解生成的氫氧化物也可以通過吸附絡(luò)合等作用去除一定的磷，因此聚磷菌吸磷含量將有所減少.隨著聚合鋁鐵投加量的增加，聚磷菌吸磷含量減少，將逐漸影響到聚磷菌的活性，因此在厭氧區(qū)釋磷量也將減少，沉淀池出水TP含量也將提高.另外在投加聚合鋁鐵藥劑初期，釋磷量有所下降，可能是加藥初期對生物系統(tǒng)的影響造成.所以實際工程中為了防止突然投加大量藥劑對微生物脫氮除磷產(chǎn)生較大的影響，可以采取循序漸進(jìn)的投藥方式.

2.2 TN去除效果

在投加聚合鋁鐵初期階段和穩(wěn)定運行期各個階段A2/O系統(tǒng)的脫氮效果如圖4所示.其中穩(wěn)定運行期包括聚合鋁鐵投加量為3、4、5、6 mg/L 4個階段.

圖4 A2/O系統(tǒng)各階段下的除氮效果

在投加聚合鋁鐵初期階段和穩(wěn)定運行期聚合鋁鐵投加含量為3、4、5、6 mg/L 5個階段，出水TN含量分別為 14. 58，18. 06，18. 29，11. 03，12.46 mg/L，平均去除率分別為66.47%，55.14%，54.19%，73.43%，70.58%.出水 TN中氨氮含量分別為5. 29，14. 16，12. 72，4. 80，4.44 mg/L，硝酸鹽氮含量分別為 8. 83，2. 90，3. 4，5. 67，7.46 mg/L.有關(guān)聚合鋁鐵對脫氮菌脫氮功能的影響，目前尚未報道.可能的影響是聚合鋁鐵影響聚磷菌的活性，聚磷菌所消耗的能量減少.在厭氧區(qū)，反硝化菌有更多的能量進(jìn)行反硝化脫氮，反硝化作用加強(qiáng).但受到該系統(tǒng)內(nèi)回流比(R=1)的影響，脫氮效果難以繼續(xù)增加.此外，在投加含量(以Al計)為3 mg/L進(jìn)水和4 mg/L進(jìn)水運行中，出現(xiàn)后生動物較多的現(xiàn)象，因此影響硝化菌的活性使出水氨氮較高.

2.3 對COD的去除

試驗結(jié)果表明，雖然進(jìn)水COD含量波動較大，但是系統(tǒng)對COD的去除率一直很穩(wěn)定.在投加聚合鋁鐵初期(投加量為3 mg/L)和聚合鋁鐵投加為 3， 4， 5，6 mg/L時，出水 COD 含量分別為24.5～61.0 mg/L，22.8 ～57.6 mg/L，8.1 ～49.6 mg/L，8.1 ～40.1 mg/L，11.8 ～47.3 mg/L，平均出水COD含量分別為41. 05，37. 19，25. 96，29. 28，26.07 mg/L，平均 COD去除率分別為87.03%，87.20%，91.27%，89.92%，91.99%.聚合鋁鐵可以通過水解生成的氫氧化物吸附絡(luò)合等作用去除一定的COD，隨著聚合鋁鐵投加量的增加，COD的出去效果增加.但對于A2/O系統(tǒng)經(jīng)過厭氧區(qū)和缺氧區(qū)之后，COD已經(jīng)被大大去除，所以聚合鋁鐵去除COD現(xiàn)象表現(xiàn)不是很明顯.

圖5 A2/O系統(tǒng)各階段下的COD去除效果

3 結(jié)論

1)投加聚合鋁鐵對生物除磷處理系統(tǒng)有一定的沖擊作用.在投加藥劑初期，除磷效果并不理想，平均出水TP含量為1.61 mg/L.

2)在A2/O系統(tǒng)曝氣池前段投加聚合鋁鐵對聚磷菌的生物除磷有一定的影響，而且隨著投加量的增加，影響作用增強(qiáng).在化學(xué)除磷和生物除磷的同時作用下，聚合鋁鐵投加量為4 mg/L時，磷的去除效果最好，平均出水TP含量為0.77 mg/L，平均去除率為89.23%.

3)在曝氣池前段投加聚合鋁鐵，由于其對聚磷菌吸磷的影響，有利于反硝化菌獲得更多的能量進(jìn)行反硝化脫氮，脫氮效果提高.

4)聚合鋁鐵水解生成的氫氧化物通過吸附絡(luò)合等作用可去除一定的COD.但在A2/O系統(tǒng)曝氣池前段投加聚合鋁鐵，由于COD經(jīng)過厭氧區(qū)和缺氧區(qū)之后已經(jīng)被大大去除，所以聚合鋁鐵輔助去除COD效果表現(xiàn)不是很明顯.

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Effect analysis of biological phosphorus removal in polymeric aluminum-iron strengthened A2/O system

WEN Qin－xue1，WANG Guan－sheng1，CHEN Zhi－qiang1，2，Lü Bing－nan1，SHI Han－chang3

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China，wqxshelly@263.net;2.National Engineering Research Center of Urban Water Resources，Harbin 150090，China;3.Department of Environmental Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

An A2/O system was simulated in laboratory to investigate the effect of polymeric aluminum－iron(Al－Fe)on the performance of biological system.Chemical of polymeric Al－Fe was added in the front of the aeration tank and the effect of the dosage on the removal efficiency of TP，TN，and COD was studied.PHA content in the sludge was detected by gas chromatography analysis to estimate the effect of polymeric Al－Fe on the phosphate－accumulating bacteria.The results show that polymeric Al－Fe affects the biological phosphorus removal in A2/O system.Under the experimental conditions，the maximum phosphorus removal is obtained at the dosage of 4 mg Al/L，TN and COD removal efficiencies are improved as well with the addition of polymeric Al－Fe.It is indicated that the total phosphorus removal in the system is determined by the combination of chemical phosphorus removal and biological phosphorus removal.

polymeric aluminum－iron;biological phosphorus removal;A2/O process

X703

A

0367－6234(2010)06－0945－04

2010－03－01.

國家建設(shè)部“十一五”水專項(2008ZX07313－ 003，2008ZX07207－005－03);城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室導(dǎo)向課題(2008DX－05).

溫沁雪(1977—)，女，博士，副教授.

(編輯 魏希柱)