AA-BAF 連續(xù)流反硝化除磷系統(tǒng)的運(yùn)行性能

張為堂，侯鋒，劉青松，邵彥青，薛曉飛,，彭永臻

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京，100124；2. 北京北華清創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，北京，100124)

生活污水中的碳氮質(zhì)量比(m(C)/m(N))一般都很低，依靠傳統(tǒng)的生物脫氮除磷(BNR)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)很難達(dá)到日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。如何實(shí)現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能高效運(yùn)行，已經(jīng)成為國(guó)家節(jié)能減排管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。很多研究表明，脫氮除磷系統(tǒng)內(nèi)富集大量的反硝化聚磷菌(DPAOs)，不僅能夠減緩反硝化菌與聚磷菌對(duì)可利用碳源的競(jìng)爭(zhēng)，而且能夠降低曝氣費(fèi)用，減少污泥產(chǎn)量[1-3]。因此，在傳統(tǒng)BNR 系統(tǒng)中引入反硝化除磷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)污水處理廠脫氮除磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，且大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用的有效方法之一。反硝化聚磷菌能夠利用硝態(tài)氮(NO3--N)作為電子受體，在同一個(gè)過程中同時(shí)完成脫氮和除磷[4-5]。所以，理論上講，基于DPAOs 的厭氧和缺氧工藝能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定高效的脫氮除磷效果。張耀斌等[6]利用有效容積為2 L 的序批式移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，采用厭氧缺氧模式處理模擬污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)PO43--P 和NO3--N的去除率分別達(dá)到了82%和81%。王振等[7]采用模擬廢水和SBR 反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)該反硝化除磷系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。Kapagiannidis 等[8]利用厭氧缺氧連續(xù)流反硝化除磷工藝處理模擬廢水，取得了良好效果。目前，利用連續(xù)流脫氮除磷工藝處理實(shí)際生活污水時(shí)，關(guān)于厭氧缺氧反硝化除磷技術(shù)能否穩(wěn)定高效運(yùn)行的研究較少。AAO-BAF 是一種運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果好的強(qiáng)化反硝化除磷系統(tǒng)，該組合系統(tǒng)中AAO 單元的好氧反應(yīng)區(qū)僅占AAO 單元總?cè)莘e的2/9[9-10]。Zhang 等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，AAO-BAF 系統(tǒng)的除磷污泥中DPAOs 占總聚磷菌的比例，最大可達(dá)74%。取消AAO-BAF 系統(tǒng)中反硝化除磷單元的好氧反應(yīng)區(qū)，僅依靠氧利用率非常高的曝氣生物濾池完成氨氮的氧化[12]，完全依靠反硝化除磷技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)際生活污水的高效脫氮除磷，將最大限度的節(jié)約曝氣能耗。本文作者以實(shí)際生活污水為處理對(duì)象，通過50 d 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，考察AA-BAF雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)的除污染物效能以及運(yùn)行穩(wěn)定性，以期為該反硝化除磷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能高效穩(wěn)定運(yùn)行提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行

AA-BAF 強(qiáng)化反硝化除磷系統(tǒng)由AA 反硝化除磷反應(yīng)器、沉淀池和硝化型曝氣生物濾池順序連接組成，如圖1 所示，該系統(tǒng)進(jìn)水為實(shí)際生活污水。

厭氧缺氧反硝化除磷反應(yīng)器(AA)包括9 個(gè)依次連接的格室，有效容積為30 L。前2 個(gè)格室為厭氧區(qū)，其他為缺氧區(qū)。在厭氧和缺氧區(qū)內(nèi)安裝機(jī)械攪拌器。BAF 里填充直徑為3～4 mm 的輕質(zhì)陶粒。AA 反應(yīng)器的功能是通過厭氧釋磷和反硝化除磷反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)同步除磷和脫氮，并且完成有機(jī)物的去除；上向流BAF單元的主要功能為硝化，將NH4--N 轉(zhuǎn)化為NO3--N，其出水回流至AA 反應(yīng)器的缺氧區(qū)，為反硝化除磷反應(yīng)提供電子受體。系統(tǒng)的進(jìn)水流量、污泥回流量、硝化液回流量、曝氣生物濾池進(jìn)水流量均由蠕動(dòng)泵控制。

在進(jìn)行試驗(yàn)前，本反硝化除磷組合系統(tǒng)按AAO-BAF 模式已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行100 多d，對(duì)COD，NH4+-N，PO43--P 和TN 具有很好的去除效果，系統(tǒng)內(nèi)的反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例在70%左右[9]。本試驗(yàn)中，AA 反應(yīng)器的總水力停留時(shí)間(HRT)為8 h，污泥停留時(shí)間(SRT)為30 d，BAF 出水回流比和污泥回流比設(shè)為300%和100%。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)中所用生活污水取自北京工業(yè)大學(xué)教師生活區(qū)的1 個(gè)化糞池。該污水屬于典型的低碳氮質(zhì)量比的生活污水，其水質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖1 AA-BAF 反硝化除磷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AA-BAF denitrifying phosphorous removal system

參數(shù) ρ(m(C g O·L D-1))/ρ(NH4+-N)/(mg·L-1)ρ(NO2--N)/(mg·L-1)ρ(NO3--N)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ((PmOg4·3L---1P))/θ/℃m(C)/m(N)范圍285～33152.4～75.90～0.80～0.663.7～84.94.7～6.615.6～16.83.4～4.7平均值31166.70.20.178.55.315.63.9

1.3 分析方法

NH4+-N、NO3--N、NO2--N 由流動(dòng)注射分析儀測(cè)定 (Lachat Quik-Chem8000 ， Lachat Instrument ，Milwaukee，USA)。ρ(COD)，ρ(MLSS)和沉降比SV按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[13]；TN 質(zhì)量濃度采用TN/TOC 分析儀(MultiN/C3100，Analytik Jena,AG)測(cè)定；溫度由WTW pH/Oxi 340i (WTW Company, Germany)測(cè)定儀測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)COD 和氮的去除效果

AA-BAF 系統(tǒng)時(shí)COD 的去除效果如圖2 所示。由圖2 可以看出：當(dāng)進(jìn)水COD 質(zhì)量濃度為285～331 mg/L 時(shí)，該組合系統(tǒng)對(duì)COD 質(zhì)量的去除率在87%左右，平均出水COD 質(zhì)量濃度為39 mg/L，滿足國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的要求(小于50 mg/L)。AA 反應(yīng)器出水COD平均質(zhì)量濃度僅為55 mg/L，說明進(jìn)水中有限的有機(jī)物在AA 反應(yīng)器內(nèi)得到了充分有效利用。這是因?yàn)镈PAOs 能夠在厭氧反應(yīng)區(qū)將可利用有機(jī)物合成為體內(nèi)的PHB，然后在缺氧區(qū)為反硝化除磷反應(yīng)提供電子供體，實(shí)現(xiàn)一碳兩用[4,14]。與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝不同的是，COD 主要是通過反硝化脫氮和好氧降解去除的。需要指出的是，AA 反應(yīng)器出水COD 質(zhì)量濃度出現(xiàn)了略微上升的趨勢(shì)，這對(duì)BAF 的硝化是不利的。

圖2 AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)COD 的去除行為Fig.2 COD removal in AA-BAF system

圖3 所示為AA-BAF 系統(tǒng)在50 d 內(nèi)對(duì)氮的去除情況。試驗(yàn)期間，原水氨氮平均質(zhì)量濃度為66.7 mg/L。BAF 進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為16.2 mg/L，氨氮的平均去除率達(dá)99%，氨氮幾乎完全轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。BAF高效的硝化能力得益于AA 反應(yīng)器出水中較低的可利用有機(jī)物，強(qiáng)化了比增長(zhǎng)速率較低的自養(yǎng)型硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[15]。由圖3 可知：AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)TN 的去除率呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，但是，在試驗(yàn)條件下TN的平均去除率依然達(dá)到了79%。這應(yīng)歸功于AA 反應(yīng)器內(nèi)DPAO 的高豐度和高活性，而DPAO 降低了反硝化和除磷間對(duì)COD 的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)水中的COD 得到充分有效的利用[16]；另外，BAF 反應(yīng)器內(nèi)也應(yīng)該存在一定的同步硝化反硝化現(xiàn)象。AA 反應(yīng)器出水NO3--N 質(zhì)量濃度僅為0.3 mg/L(見圖3)，說明回流至缺氧區(qū)的硝態(tài)氮通過反硝化除磷過程，得到了完全去除。

2.2 組合系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果

圖3 AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)氨氮和TN 的去除效果Fig.3 NH4+-N and TN removal in AA-BAF system

圖4 AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)磷的去除行為Fig.4 PO43--P removal performance in AA-BAF system

AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)磷的去除情況見圖4。從圖4 可以看出：在經(jīng)歷長(zhǎng)期的無好氧環(huán)境后，該雙污泥系統(tǒng)除磷效率逐漸惡化。系統(tǒng)運(yùn)行30 d 后，除磷效率迅速下降。試驗(yàn)期間進(jìn)水磷質(zhì)量濃度比較穩(wěn)定，平均為5.3 mg/L。由圖4(a)可以看出，AA-BAF 系統(tǒng)的除磷性能逐漸變差，對(duì)PO43--P 的去除率由最初的80%降低到了試驗(yàn)?zāi)┑?0%以下。相應(yīng)地，BAF 出水PO43--P質(zhì)量濃度由1.0 mg/L 增加到3.5 mg/L。

在第45 天，BAF 進(jìn)水(沉淀池出水)PO43--P 質(zhì)量濃度大幅度增加至3.9 mg/L(見圖4(b))。對(duì)比AA 反應(yīng)器出水和BAF 進(jìn)水，可以發(fā)現(xiàn)沉淀池出現(xiàn)了釋磷情況，并且釋磷量逐漸變大，使BAF 單元的進(jìn)水PO43--P質(zhì)量濃度由0.4 mg/L 左右增大到3.5 mg/L 左右。由圖4(b)還可以看出：試驗(yàn)期間厭氧區(qū)磷濃度也出現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)。

圖5 第33天AA 反應(yīng)器各反應(yīng)區(qū)COD,NO3--N 和PO43--P質(zhì)量濃度變化Fig.5 Variation profiles of COD,NO3--N and PO43--P along AA reactor on day 33th

為進(jìn)一步分析AA 反應(yīng)器內(nèi)出水PO43--P 質(zhì)量濃度較高(大于0.5 mg/L)的原因，對(duì)AA 反應(yīng)器沿程COD，NO3--N 和PO43--P 的質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知：缺氧反應(yīng)區(qū)磷濃度出現(xiàn)先下降后升高的現(xiàn)象，從缺氧區(qū)1 到缺氧區(qū)3，PO43--P質(zhì)量濃度由5.8 mg/L 降低到0.1 mg/L；但是，從缺氧區(qū)3 到缺氧區(qū)7，PO43--P 質(zhì)量濃度由0.1 mg/L 逐漸增加到了1.9 mg/L。這是缺氧反應(yīng)區(qū)末端缺少電子受體NO3--N，又存在可利用COD 的情況下出現(xiàn)了二次釋磷的緣故[17]。從缺氧區(qū)4 到缺氧區(qū)7，NO3--N 質(zhì)量濃度約為0 mg/L。

將試驗(yàn)期間AA 反應(yīng)器出水NO3--N 和PO43--P質(zhì)量濃度的關(guān)系見圖6。從圖6 可以看出：當(dāng)AA 反應(yīng)器出水中NO3--N 質(zhì)量濃度小于0.3 mg/L 時(shí)，出水PO43--P 質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L，不能達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。這從另一個(gè)側(cè)面說明AA 反應(yīng)器末端保持一定質(zhì)量濃度的NO3--N 能夠有效抑制磷的無效釋放，而AA 反應(yīng)器內(nèi)的二次釋磷使AA 反應(yīng)器出水PO43--P 不能達(dá)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 AA 反應(yīng)器出水NO3--N 和PO43--P 質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.6 Correlation of NO3--N with PO43--P concentration in AA effluent

試驗(yàn)結(jié)果表明：盡管初始運(yùn)行時(shí)在這個(gè)雙污泥系統(tǒng)中含有很高比例的DPAOs，由于電子受體NO3--N的限制以及污泥濃度的降低，AA-BAF 反硝化除磷系統(tǒng)處理實(shí)際生活污水時(shí)，不能保證磷的高效穩(wěn)定去除。需要在反硝化除磷反應(yīng)器的后端設(shè)置一定的好氧曝氣區(qū)，通過效率較高的好氧吸磷保證出水磷的達(dá)標(biāo)排放[18-19]，同時(shí)，吹脫反硝化除磷產(chǎn)生的氮?dú)猓纳莆勰嗟某两敌阅堋?/p>

2.3 AA-BAF 系統(tǒng)污泥的沉降性能

圖7 所示為AA 反應(yīng)器內(nèi)污泥30 min 沉降比SV30，污泥容積指數(shù)(SVI)和MLSS 的變化。伴隨著污泥回流的不暢以及污泥的流失，AA 反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度逐漸降低，由第3 天的約2 300 mg/L 降低到了第50 天的1 600 mg/L 左右。這主要是污泥流動(dòng)性變差，而使回流污泥濃度逐漸降低至0 mg/L 的緣故。相應(yīng)地，試驗(yàn)期間污泥混合液的污泥容積指數(shù)(SVI)由最低100 mL/g 逐漸增加到119 mL/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AAO-BAF 模式運(yùn)行時(shí)的SVI(80 mL/g 左右)[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明，反硝化除磷產(chǎn)生的氮?dú)獗仨毜玫接行Т得?，才能維持較低的SVI，改善污泥的流動(dòng)性，促使沉淀池內(nèi)污泥的更新，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 AA 反應(yīng)器內(nèi)污泥SV30，SVI 和MLSS 的變化Fig.7 Variation of SV30,SVI and MLSS in AA reactor

需要指出的是：由于反硝化除磷過程產(chǎn)生的氮?dú)鈱?duì)污泥絮體的氣浮作用，試驗(yàn)期間記錄的30 min 沉降比SV30中包含100 mL 量筒中的上浮污泥部分，非常松散。以第3 天的SV30為例，沉降30 min 后，下部沉淀污泥沉降比約為14%，而上浮污泥約為10%。

3 結(jié)論

1)AA-BAF 系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和TN 具有比較穩(wěn)定的去除效果，AA 反應(yīng)器出水COD 濃度略微上升，并且大部分COD 和幾乎全部的回流至缺氧區(qū)的NO3--N 在AA 反應(yīng)器內(nèi)得到了有效去除。

2) 連續(xù)運(yùn)行50 d 的過程中，AA-BAF 系統(tǒng)的除磷性能逐漸變差，對(duì)PO43--P 的去除率由最初的80%降低到試驗(yàn)?zāi)┑?0%以下。AA 反應(yīng)器末端保持一定質(zhì)量濃度的NO3--N(大于0.3 mg/L)，能夠有效抑制反硝化除磷區(qū)內(nèi)磷的排放。

3) 反硝化除磷產(chǎn)生的氮?dú)獗仨毜玫接行Т得摬拍芫S持污泥良好的沉降性能和流動(dòng)性能，保證污泥回流的通暢。

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