預(yù)缺氧池對(duì)A+A2/O工藝增強(qiáng)系統(tǒng)的脫氮除磷的作用影響

戴 雅，程潔紅

(江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

太湖流域是國(guó)家重點(diǎn)控制的污染區(qū)域，2007年太湖藍(lán)藻事件，對(duì)污水廠除磷脫氮工藝提出了更嚴(yán)格要求。江蘇省太湖流域城鎮(zhèn)污水廠多采用脫氮除磷工藝，尾水必須達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918－2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。但污水廠普遍存在碳氮比偏低、TN濃度變化幅度大、冬季水溫偏低、微生物活差、出水中NH+4－N和TN難以達(dá)標(biāo)等問題。為達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，自2010年以來，根據(jù)國(guó)家和江蘇省太湖流域水污染防治工作的總體部署，太湖流域城鎮(zhèn)污水廠除磷脫氮提標(biāo)改造技術(shù)和工程項(xiàng)目有組織的展開。江蘇某城鎮(zhèn)污水廠在原有構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造并確定了前置預(yù)缺氧池的A+A2/O運(yùn)行工藝。即在傳統(tǒng)A2/O工藝的厭氧池前設(shè)置預(yù)缺氧池，將二沉池回流污泥和部分原水進(jìn)入預(yù)缺氧池進(jìn)行厭氧氨氧化生物脫氮，以強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮能力。而且，預(yù)缺氧池中的厭氧氨氧化作用可有效去除回流污泥中的硝酸鹽，保證厭氧池進(jìn)水中低濃度的硝酸鹽，提高厭氧池的釋磷效率，增強(qiáng)系統(tǒng)除磷效果，還能同時(shí)去除有機(jī)物。現(xiàn)已有多家污水處理廠采用A+A2/O工藝進(jìn)行生活污水的處理[1－4]。

本文主要以改造后A+A2/O工藝為研究對(duì)象，對(duì)各段生物反應(yīng)池中氮、磷含量變化進(jìn)行分析，通過分析A+A2/O工藝對(duì)氮、磷的去除效果，探討A+A2/O工藝中脫氮除磷作用機(jī)理，為今后污水廠的生產(chǎn)運(yùn)行提供理論依據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 污水廠工藝概況

江蘇某城鎮(zhèn)污水廠是一座以處理生活污水為主的中小型城鎮(zhèn)污水廠，占地2公頃，服務(wù)面積15平方公里，服務(wù)人口15萬(wàn)人，處理規(guī)模1.5×104m3/d。該廠原來采用倒置A2/O工藝，工藝流程圖見圖1，但存在氮磷難以同步穩(wěn)定達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的問題。

圖1 倒置A2/O工藝流程圖

隨后該廠在不擴(kuò)大占地的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的A2/O工藝進(jìn)行改造，工藝流程圖見圖2。與原有工藝相比，A+A2/O工藝取消了初沉池，改造為預(yù)缺氧池，根據(jù)工藝運(yùn)行情況，進(jìn)水選擇性的進(jìn)入預(yù)缺氧池、厭氧池和缺氧池;新增污泥回流系統(tǒng)，二沉池污泥回流至預(yù)缺氧池;新增轉(zhuǎn)盤濾布過濾器，進(jìn)一步去除SS、BOD、COD、TP;新增紫外消毒設(shè)備，確保出水糞大腸群數(shù)達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 A+A2/O工藝流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

取改造后A+A2/O工藝的進(jìn)水、出水和各段生化反應(yīng)池中水樣，分析其中氮、磷含量。進(jìn)、出水樣分別在污水廠的進(jìn)水口和出水口取樣，A+A2/O工藝中各段生化反應(yīng)池水樣分別從各段生化反應(yīng)池中部取樣，取樣點(diǎn)見圖3。

圖3 各段生化反應(yīng)池取樣分析點(diǎn)示意圖

1.3 水質(zhì)分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀分光光度法;NH+4－N采用滴定法;NO－3－N采用酚二磺酸光度法;NO－2－N采用N－(1－萘基)－乙二胺光度法;TP采用鉬銻抗分光光度法[5]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 改造后A+A2/O工藝處理效果

A+A2/O工藝處理生活污水效果如表1所示。綜合冬季和夏季的進(jìn)出水水質(zhì)分析，CODCr、BOD5、TN、NH4+－N 和 TP的去除率平均分別為86.99%、98.52%、64.75%、98.56%和92.57%。改造后的A+A2/O工藝無(wú)論是冬季還是夏季，處理后的水質(zhì)均能穩(wěn)定達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放。即使在冬季，進(jìn)水BOD5/TN=1.88，TN=32.6mg/L，碳源不足的情況下，去除有機(jī)物的同時(shí)，NH4+－N去除率 ＞98%，TN去除率＞60%，TP去除率＞91%。由此可見，A+A2/O工藝解決了小型污水廠進(jìn)水碳源不足以及冬季進(jìn)水水溫低時(shí)氮磷出水不達(dá)標(biāo)的難題。

表1 A+A2/O工藝下進(jìn)、出水水質(zhì)情況

2.2 改造后A+A2/O工藝的脫氮效果分析

各段生物池中TN、NH4+－N、NO3－－N和NO2－－N含量的沿程含量變化見圖4。進(jìn)水中TN和NH4+－N含量分別為37 mg/L和35.34mg/L;出水中TN和NH4+－N含量分別為11.40mg/L和0.84mg/L。A+A2/O工藝對(duì)TN和NH4+－N的去除率分別為69.19%和97.62%，出水中TN和NH4+－N含量均低于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量沿程變化趨勢(shì)圖

由圖4可知，A+A2/O工藝中，TN在預(yù)缺氧池中含量最低，為5.53 mg/L，NH4+－N含量為2.24mg/L，NO3－－N含量為0.42mg/L，預(yù)缺氧池出水中氮的含量可達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。二沉池的回流污泥和好氧池回流混合液混合后進(jìn)入預(yù)缺氧池，預(yù)缺氧池進(jìn)、出水中氮含量變化見表2。從表2可看出，預(yù)缺氧池對(duì)TN的去除率達(dá)62.63%，占系統(tǒng)TN去除率69.19%的90.52%，這表明A+A2/O工藝對(duì)氮的去除主要集中在預(yù)缺氧池。對(duì)預(yù)缺氧池中氮元素進(jìn)行物料平衡計(jì)算，預(yù)缺氧池中TN去除量9.27mg/L，NH+4－N和NO－3－N去除總量9.07mg/L，TN的去除量和NH+4－N和NO－3－N去除總量相差不大，TN的去除量可近似認(rèn)為等于NH+4－N和NO－3－N去除總量。結(jié)果表明，在厭氧或缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以污水中NH+4為電子供體，以好氧池回流混合液中NO－3和NO－2電子受體，將氨最終轉(zhuǎn)化為N2逸出，加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的生物脫氮。因此，A+A2/O工藝預(yù)缺氧池中發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng)。據(jù)孫孝龍等人[6－7]研究表明，預(yù)缺氧池內(nèi)會(huì)發(fā)生厭氧氨氧化脫氮，預(yù)缺氧池中TN進(jìn)水21.17mg/L，出水17.57mg/L，TN去除率17.01%，比本文中的TN去除率要低。

表2 預(yù)缺氧池進(jìn)、出水中氮含量變化

另外，該廠進(jìn)水碳源不足(BOD5/TN=1.88＜3)，在不外加碳源的前提下，預(yù)缺氧池對(duì)TN的去除率也達(dá)62.63%。這是因?yàn)?，厭氧氨氧化作用與反硝化作用相比，對(duì)碳源要求不高，厭氧氨氧化作用以NH4+為電子供體，而不是有機(jī)物。厭氧氨氧化菌和反硝化菌雖會(huì)爭(zhēng)奪NO3－，但在進(jìn)水碳源不足的情況下，厭氧氨氧化脫氮效率會(huì)比反硝化脫氮效率更高[8]。因此，采用A+A2/O工藝可有效解決小型污水處理廠進(jìn)水碳源不足時(shí)氮磷難以同步穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的難題。

圖4中，厭氧池、缺氧池2、好氧池5中 TN 含量分別為20.45mg/L，14.58 mg/L和13.74 mg/L;NH4+－N含量分別為19.32mg/L、8.12mg/L和0.28mg/L，TN和NH4+－N含量得到進(jìn)一步去除。這是因?yàn)閰捬醭氐陌被饔脤⑽鬯胁糠钟袡C(jī)氮轉(zhuǎn)為NH4+－N，此時(shí)污水TN以NH4+－N為主[9]。厭氧池出水和好氧池的回流混合液混合進(jìn)入缺氧池，缺氧池中反硝化菌利用污水中有機(jī)物為碳源，NO3－和NO2－為電子受體，使NO3－和NO2－還原成N2逸出，進(jìn)行反硝化脫氮，一方面大大降低了TN的量，另一方面也降低了污水負(fù)荷，利于后續(xù)好氧區(qū)的硝化反應(yīng)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的脫氮效果[10－11]。好氧區(qū)的混合液內(nèi)回流(回流比195%)至缺氧區(qū)，補(bǔ)充缺氧區(qū)反硝化所需硝酸鹽，提高反硝化速率，缺氧池2中NO3－－N和NO2－－N均比缺氧池1中的略有下降，進(jìn)一步證明了反硝化的順利進(jìn)行。因此，缺氧池中的反硝化作用使TN和NH4+－N得到了進(jìn)一步的去除。缺氧池的出水進(jìn)入好氧池進(jìn)行進(jìn)一步的硝化反應(yīng)，隨著污水在好氧池中停留時(shí)間的延長(zhǎng)，NH4+－N、TN含量逐漸降低，NO3－－N含量逐漸增加，硝化反應(yīng)順利進(jìn)行。

2.3 改造后A+A2/O工藝除磷效果分析

圖5比較了進(jìn)出水以及各生化反應(yīng)池中TP的濃度變化，進(jìn)出水中TP的濃度分別為2.91mg/L和0.12mg/L，TP 去除率95.66%。

由圖5可知，預(yù)缺氧池和缺氧池2中TP濃度分別為1.05mg/L和0.70mg/L，TP的去除率分別為63.85%和76.01%。圖4顯示，雖然好氧池混合液回流至預(yù)缺氧池和缺氧池，但預(yù)缺氧池和缺氧池中NO3－－N、NO2－－N含量均比好氧池的低。這表明，回流至預(yù)缺氧池的活性污泥中可能含有反硝化聚磷菌，在缺氧條件下，可利用污水中的NO3－－N或NO2－－N作為最終電子受體進(jìn)行反硝化吸磷反應(yīng)[12]，反硝化除磷過程不需要曝氣，并且可利用有限碳源進(jìn)行反硝化和生物除磷，節(jié)省了碳源和能量[13－14]。二沉池的污泥回流預(yù)缺氧池，好氧池含NO3－－N或NO2－－N的混合液回流至預(yù)缺氧池和缺氧池，這些都為本實(shí)驗(yàn)中反硝化吸磷提供了條件，而預(yù)缺氧池和缺氧池中NO3－－N、NO2－－N含量的減少也表明存在反硝化吸磷。因此，在預(yù)缺氧池和缺氧池中TP的去除主要是反硝化吸磷作用，這與周康群等人研究一致[15－17]。本實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng) TP 去除率達(dá) 95.66%，缺氧池 TP 去除率76.0%，Zeng W[18]通過前置預(yù)缺氧池，TP的去除率98%，缺氧池反硝化吸磷使TP去除66% ～91%，和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 總磷含量沿程變化趨勢(shì)圖

厭氧池釋磷率達(dá)137.75%，釋磷效果好。二沉池的的回流污泥中NO－3－N含量較高，一般在6.5～10.5 mg/L，直接回流至厭氧池會(huì)破壞厭氧池的厭氧環(huán)境[19]，影響氨化作用，有機(jī)物降解率變低;厭氧池中的反硝化菌和聚磷菌爭(zhēng)奪碳源，進(jìn)行反硝化，影響聚磷菌厭氧釋磷[20]。前置預(yù)缺氧池，污泥回流至預(yù)缺氧池，一方面，在預(yù)缺氧池進(jìn)行厭氧氨氧化作用，去除部分NO－3－N，降低厭氧池進(jìn)水中NO－3－N的濃度，為厭氧池提供更優(yōu)的厭氧釋磷環(huán)境，提高除磷效率。另一方面，可利用NO－3－N進(jìn)行反硝化吸磷。

圖5中，好氧池出水TP濃度0.29mg/L，低于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。聚磷菌在缺氧或好氧條件下過量吸收水中的磷酸鹽，并將其轉(zhuǎn)移到污泥中，使缺氧池和好氧池TP濃度逐漸下降。因此，A+A2/O工藝通過預(yù)缺氧池和缺氧池的反硝化吸磷以及好氧池的好氧吸磷，系統(tǒng)TP去除率達(dá)95.66%。在二沉池前后設(shè)投加藥劑點(diǎn)，以化學(xué)法同步除磷，進(jìn)一步增加系統(tǒng)TP的去除。

3 結(jié)論

(1)A+A2/O工藝預(yù)缺氧池中可發(fā)生厭氧氨氧化作用，厭氧氨氧化作用對(duì)TN去除率和NH+4－N去除率分別為62.63%和37.05%，其對(duì)TN的去除率占整個(gè)系統(tǒng)去除率的90.52%，使A+A2/O工藝對(duì)氮的去除主要集中在預(yù)缺氧池，增強(qiáng)系統(tǒng)脫氮效果。

(2)一方面，預(yù)缺氧池去除部分NO－3－N，降低厭氧池進(jìn)水中NO－3－N的濃度，為厭氧池提供更優(yōu)的厭氧釋磷環(huán)境。另一方面，預(yù)缺氧池和缺氧池的反硝化吸磷以及好氧池的好氧吸磷，大大降低了污水中磷的含量，系統(tǒng)TP去除率達(dá)95.66%，確保A+A2/O工藝下磷能穩(wěn)定達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放。

(3)A+A2/O 工藝運(yùn)行一年，CODCr、BOD5、TN、NH+4－N和 TP的年平均去除率為87.77%、98.61%、66.67%、98.68% 和 92.66%，出水濃度分別為20.3mg/L、＜ 2mg/L、10.5mg/L、0.35mg/L 和0.2mg/L，出水水質(zhì)達(dá)國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。A+A2/O工藝可有效解決城鎮(zhèn)污水處理廠冬季進(jìn)水水溫低，進(jìn)水碳源不足等難題，保證氮磷同時(shí)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

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