進(jìn)水碳磷比對(duì)連續(xù)流反硝化除磷工藝脫氮除磷效果的影響

史 靜 呂錫武 朱光燦 朱文韜

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，污水排放量日益增加，大量含有氮、磷的污染物不斷排入水體，富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重.目前，我國(guó)污水處理廠主要采用的傳統(tǒng)生活污水處理工藝由于存在碳源競(jìng)爭(zhēng)和泥齡矛盾［1-2］等瓶頸問題，難以實(shí)現(xiàn)氮磷的高效穩(wěn)定去除.國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)、新型工藝的開發(fā)及關(guān)鍵影響因素優(yōu)化做了大量的研究.m(C)/m(P)(COD與磷酸鹽質(zhì)量比)是生物脫氮除磷關(guān)鍵因素之一，被用于各種工藝處理效果和機(jī)理影響的研究中，如多格室A2/O工藝［3］、UCT工藝、各種周期和階段設(shè)置的 SBR工藝［4-6］、A2NSBR 工藝［7］等.

雙污泥反硝化除磷工藝是一種新型的脫氮除磷工藝.該工藝是用厭氧/缺氧環(huán)境來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的厭氧/好氧環(huán)境，馴化培養(yǎng)出一類以硝酸根為最終電子受體的反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB)，通過其代謝作用同時(shí)完成聚磷和反硝化，達(dá)到脫氮除磷的目的［8］，解決了傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中的根本問題.本試驗(yàn)重點(diǎn)研究連續(xù)流反硝化除磷雙污泥系統(tǒng)中不同進(jìn)水m(C)/m(P)對(duì) COD、氨氮、NO－3-N和TP(total phosphorus)去除的影響，為該工藝的實(shí)際推廣和應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 工藝流程

連續(xù)流雙污泥反硝化除磷工藝流程如圖1所示.裝置采用PVC材料制作，厭氧池、缺氧池的有效容積均為75 L，硝化池有效容積為120 L，后置曝氣池的有效容積為36 L，3個(gè)沉淀池的有效容積均為72 L.試驗(yàn)進(jìn)水量為25 L/h.

圖1 雙污泥反硝化除磷工藝流程圖

1.2 接種污泥和試驗(yàn)用水

反硝化聚磷接種污泥和硝化接種污泥均取自南京市某污水處理廠氧化溝，采用SBR反應(yīng)器進(jìn)行污泥馴化.反硝化聚磷污泥馴化分為2個(gè)階段:第1階段為好氧聚磷污泥的培養(yǎng)階段，運(yùn)行方式為厭氧/好氧/沉淀/進(jìn)出水，每周期為12 h，運(yùn)行約40 d，即80周期；第2階段為反硝化聚磷污泥的培養(yǎng)階段，運(yùn)行方式為厭氧/缺氧/吹脫曝氣/沉淀/進(jìn)出水，每周期為12 h，運(yùn)行約60 d，即120周期.硝化污泥馴化運(yùn)行方式為好氧/沉淀/進(jìn)出水，每周期為12 h，運(yùn)行約100 d，即200個(gè)周期.

系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行期間，污水采用人工配水模擬生活污水，投加乙酸鈉、葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀、氯化銨及營(yíng)養(yǎng)液.營(yíng)養(yǎng)液用于補(bǔ)充污泥生長(zhǎng)所需要的微量元素，投加量為0.2 mL/L，組成如表1所示.進(jìn)水分為4個(gè)階段，每階段進(jìn)水水質(zhì)如表2所示，厭氧池、缺氧池、后置快速曝氣池的MLSS約為4.0 g/L.超越污泥量和污泥回流量均為進(jìn)水流量的20%，即5 L/h.進(jìn)水pH值為7～9，水溫保持在20℃左右，硝化池DO保持在2～4 mg/L.

表1 營(yíng)養(yǎng)液組成

1.3 水質(zhì)指標(biāo)與分析方法

水質(zhì)指標(biāo)采用國(guó)家環(huán)保總局頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行測(cè)定［9］.COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法；氨氮測(cè)定采用水楊酸-次氯酸鹽光度法；TN測(cè)定(total nitrogen)采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；NO3－-N測(cè)定采用紫外分光光度法；TP測(cè)定為過硫酸鉀氧化分光光度法；MLSS測(cè)定為濾紙稱重法.

表2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)COD去除的影響

圖2為不同m(C)/m(P)下工藝對(duì)COD的去除效果.由圖可見，進(jìn)水 COD濃度為224.3～281.6 mg/L，出水COD濃度為17.5～38.6 mg/L，去除率保持在85.6% ～93.1%.不同m(C)/m(P)下，平均去除率分別為88.9%，90.0%，88.9%和89.1%，由此可見，m(C)/m(P)對(duì)COD的去除沒有顯著的影響.

圖2 不同m(C)/m(P)下COD的去除效果

2.2 對(duì)氮去除的影響

氨氮和硝氮的變化曲線如圖3和圖4所示.4個(gè)階段氨氮進(jìn)水平均值分別為44.8，42.4，48.0，44.4 mg/L，出水氨氮平均值分別為 1.4，2.5，1.8，2.8 mg/L，去除率均大于93%.硝化段中始終保持較高的硝化效率，均大于90%，平均硝化效率為95.3%.在雙污泥系統(tǒng)中，好氧池的主要任務(wù)是進(jìn)行硝化作用.與傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝相比，不需要承擔(dān)聚磷的任務(wù)，因此溶解氧可充分用于硝化菌進(jìn)行硝化反應(yīng)；同時(shí)泥齡的控制上不需要兼顧硝化菌和好氧聚磷菌，可以創(chuàng)造硝化菌最佳的泥齡條件，保證了硝化效果.在本試驗(yàn)中由于進(jìn)水m(C)/m(N)基本不變，同時(shí)硝化菌與反硝化除磷菌處于不同系統(tǒng)，因此m(C)/m(P)對(duì)硝化作用基本沒有影響.在厭氧段氨氮較進(jìn)水有所下降，這是由于終沉池回流污泥的稀釋作用；在缺氧段氨氮濃度較硝化池有所上升，這是由于厭氧沉淀池中的超越污泥將氨氮帶入缺氧池.后置曝氣池可去除少量的氨氮，平均去除量為4.7 mg/L，約占氨氮總?cè)コ康?0%.

圖3 不同m(C)/m(P)下氨氮的去除效果

圖4 不同m(C)/m(P)下硝酸鹽的變化

由圖4可知，硝化作用完成后，硝酸鹽絕大部分在缺氧池中通過反硝化除磷作用去除，在不考慮超越污泥的稀釋作用的情況下，反硝化效率為87.6% ～99.9%.在不同的m(C)/m(P)下，缺氧池硝酸鹽濃度均小于5 mg/L，出水硝酸鹽濃度為0.1～8.2 mg/L，出水平均值為 3.6 mg/L.4 個(gè)階段中TN進(jìn)水為42.4～57.6 mg/L，出水為4.9～13.2 mg/L，m(C)/m(P)對(duì)氮的處理效率并沒有顯著的影響.

2.3 對(duì)TP去除的影響

圖5為不同m(C)/m(P)下對(duì)TP的去除效果.4個(gè)階段平均m(C)/m(P)分別為64.1，42.0，33.0，17.8時(shí)，即進(jìn)水 TP濃度為3.9，5.8，8.0，15.4 mg/L的情況下，出水TP濃度分別為0.26，0.47，1.74，5.28 mg/L，TP去除率分別為93.2%，92.0%，78.3%和65.8%.從圖6可知，隨著進(jìn)水m(C)/m(P)的升高，TP去除率有升高的趨勢(shì).此試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)研究者在其他工藝條件下(如 A2O工藝、UCT工藝、SBR工藝)m(C)/m(P)對(duì)磷去除率的研究結(jié)果一致.

圖5 不同m(C)/m(P)下TP的變化

圖6 不同m(C)/m(P)下TP的去除率

表3和圖7分別為不同m(C)/m(P)下TP沿程變化以及污泥釋磷、聚磷特性比較.隨著m(C)/m(P)的減小，反硝化除磷污泥的釋磷量、缺氧聚磷量、好氧聚磷量、總聚磷量(總聚磷量=好氧聚磷量+缺氧聚磷量)、凈聚磷量(凈聚磷量=總聚磷量－釋磷量)均上升.也就是說，在較低的m(C)/m(P)下，系統(tǒng)表現(xiàn)出更強(qiáng)的除磷能力.這是因?yàn)?一方面進(jìn)水中磷濃度升高，可以使反硝化聚磷污泥將更多的磷以聚磷酸鹽的形式貯存在胞內(nèi)［10］，這就表現(xiàn)為低m(C)/m(P)下釋磷量的升高；另一方面低m(C)/m(P)更適于聚磷菌的生長(zhǎng)［11-13］，高m(C)/m(P)下有利于聚糖菌(glycogen-accumulating organisms，GAOs)生長(zhǎng)，GAOs的代謝過程與聚磷菌相似，但并不發(fā)生磷的釋放和吸收.因此，分析認(rèn)為聚磷菌數(shù)量的提高，使得表觀的釋磷量和缺氧聚磷量增加.

表3 不同m(C)/m(P)下TP沿程變化 mg/L

圖7 不同m(C)/m(P)下釋磷量和聚磷量

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著m(C)/m(P)的下降，缺氧聚磷量、好氧聚磷量和總聚磷量均上升.根據(jù)反硝化除磷的基本原理，反硝化聚磷污泥可利用溶解氧或NO－3-N氧化體內(nèi)聚-β-羥基丁酸酯(poly-βhydroxybutyrate，PHB)同時(shí)聚磷，因此分析認(rèn)為:聚磷量的上升表明可被利用于聚磷的PHB或PHB是上升的.而文獻(xiàn)表明:隨著m(C)/m(P)的降低，厭氧階段PHB生成量降低［14］或消耗單位COD所生成的PHB量降低［15］，這說明低m(C)/m(P)條件下，雖然厭氧階段產(chǎn)生的PHB較少，但是較高比例的PHB被用于聚磷，較少部分的PHB消耗過程中并不伴隨發(fā)生磷的吸收.這與前面的分析結(jié)論一致.

表4中總結(jié)了不同m(C)/m(P)條件下聚磷量與釋磷量之比.隨著m(C)/m(P)的減少，總聚磷量與釋磷量比值增加，說明在進(jìn)水高磷濃度下，DPB傾向于將更多的磷以聚磷顆粒的形式貯存在胞內(nèi)；各m(C)/m(P)下，后置曝氣池均出現(xiàn)了明顯的聚磷現(xiàn)象，這說明缺氧條件下作為電子受體的NO－3-N不足，仍有 PHB可供進(jìn)一步利用.隨著m(C)/m(P)的降低，好氧聚磷量占總聚磷量的百分比上升，但總體上仍以缺氧反硝化聚磷為主，缺氧聚磷量占總聚磷量的80%以上.如前所述，由于各m(C)/m(P)下缺氧條件均缺乏NO－3-N，因此m(C)/m(P)對(duì)NO－3-N去除率的影響并不顯著，這與試驗(yàn)結(jié)果一致.各條件下缺氧聚磷量/釋磷量均在1.0左右，因此后置曝氣池的設(shè)置對(duì)超量聚磷顯得尤為重要.

表4 不同m(C)/m(P)下聚磷量與釋磷量之比

在本試驗(yàn)中，隨著進(jìn)水磷濃度的升高，聚磷能力增強(qiáng)，但凈除磷量仍不足以彌補(bǔ)較高的進(jìn)水磷濃度，因此去除效率下降.也就是說，m(C)/m(P)減小有利于提高生物除磷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是除磷效果變差，對(duì)此分析認(rèn)為可以通過適當(dāng)延長(zhǎng)后置曝氣池停留時(shí)間的方法，降低出水磷濃度.

3 結(jié)論

1) 在m(C)/m(P)為64.1，42.0，33.0和17.8的情況下，對(duì)COD和氮的去除沒有顯著的影響.

2) 在m(C)/m(P)為64.1，42.0，33.0和17.8的情況下，TP去除率分別為93.2%，92.0%，78.3%和65.8%，除磷效率明顯降低.在m(C)/m(P)＞42.0的情況下，出水TP濃度低于0.5 mg/L.

3)隨著m(C)/m(P)的降低，反硝化聚磷污泥除磷能力增強(qiáng)，釋磷量、缺氧聚磷量和凈聚磷量增加，m(C)/m(P)減小有利于提高生物除磷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但出水磷濃度會(huì)有所增加，可通過適當(dāng)延長(zhǎng)后置曝氣池時(shí)間的方法降低出水磷濃度.

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