新型AOA 工藝脫氮除磷效果研究

張君杰 馮自松 張艷君 徐向陽

（1山西大學環(huán)境與資源學院 山西太原 030006 2杭州聯(lián)強環(huán)境工程技術有限公司 浙江杭州 311202 3浙江省環(huán)境工程評估中心 浙江杭州 310012 4浙江大學 浙江杭州 310058）

1 引言

系統(tǒng)內(nèi)碳源的有效利用是影響污水處理脫氮除磷的重要限制因素，為此，開發(fā)了適用于處理低C/N比、C/P比城鎮(zhèn)污水的反硝化除磷（DNPR）工藝[1]，如A2/O、UCT、BCFS等單泥法工藝和A2N-SBR、DEPHANOX等雙泥法工藝，它們均利用反硝化聚磷菌（DNPAOs）以NOx—N為電子受體分解胞內(nèi)儲存的PHAs(聚羥基鏈烷酸)實現(xiàn)同時吸磷和反硝化脫氮，緩解脫氮和除磷在碳源競爭上的矛盾[2]。但存在混合液回流大、能耗與運行成本高等問題，工程化應用較難[3]。

近年來，后置反硝化工藝（AOA）逐漸成為研究熱點。在傳統(tǒng)AOA工藝中，除磷和反硝化分別在好氧區(qū)和缺氧區(qū)完成，缺氧區(qū)往往存在反硝化所需碳源不足的問題，一般采用分段進水、外加碳源等方式改善系統(tǒng)反硝化性能[4]。本研究從利用系統(tǒng)內(nèi)碳源出發(fā)，將兼氧段混合液分流至缺氧段，利用DNPAOs儲存的內(nèi)碳源PHAs作為缺氧段碳源，開發(fā)出新型后置反硝化除磷AOA工藝，以期低成本、簡便操控下實現(xiàn)反硝化除磷，強化系統(tǒng)脫氮除磷效果。

2 試驗裝置和研究方法

圖1 AOA 工藝裝置圖

2.2 污水水質(zhì)

采用模擬城鎮(zhèn)污水作為進水，啟動階段進水COD為400mg/L，NH4+-N為40mg/L，PO43-P為6mg/L。啟動并穩(wěn)定運行3個月后，為模擬低C/N/P城鎮(zhèn)污水，系統(tǒng)進水COD降低至300 mg/L～250mg/L，氮磷濃度不變。

2.3 試驗方法

試驗分三個階段，試驗時間、污泥回流比（R）、混合液分流比（F），見表1。

表1 試驗條件

2.1 試驗裝置

新型后置反硝化除磷工藝（AOA）的試驗裝置見圖1，其中，生化池體積33L，沉淀池體積10L。生化池用隔板分為大小相同的十個分室，前兩個分室為兼氧段(A段)，中間六個分室為好氧段(O段)，最后兩個分室為缺氧段(D段)，其中好氧段二個分室為一個單元，分為O1、O2、O3三個單元。兼氧段和缺氧段內(nèi)設有機械攪拌機，攪拌機轉(zhuǎn)速300rpm。好氧段內(nèi)設有曝氣頭，O1單元DO控制在2 mg/L～4 mg/L，O2和O3單元DO控制在4 mg/L～6mg/L。兼氧段部分混合液被分流到缺氧段，其流量與進水流量之比簡稱為分流比，用F表示。AOA系統(tǒng)水力停留時間（HRT）8h，啟動階段泥齡（SRT）10d，污泥濃度在4000 mgMLSS/L左右，溫度控制在23℃～26℃。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行工況下，每2天取進水和出水水樣，取系統(tǒng)第2、4、6、8、10分室的樣品，分別代表A、O1、O2、O3、D等5個單元的出水水質(zhì)。

PHB采用高效液相色譜法（HPLC）測定[3]。TOC采用日本島津公司TOC儀測定，型號TOC-VCPH，自動進樣器型號ASI-V。

污泥好氧和缺氧吸磷速率（PUR）。裝置見圖2。實驗步驟為：取1 L缺氧段污泥，沉降10min，棄去上清液。用稀釋水將污泥清洗3遍，稀釋水配方為：MgSO4·7H2O·0.6g/L，CaCI2·2H2O·0.07g/L，NH4CI 0.1g/L，KCI 0.1g/L，微量元素2ml/L，用稀釋水定容至1L，將污泥倒入1L三角瓶中，開始攪拌，通入N2，流量30L/h。在厭氧條件下加入少量NaAc(100 mg COD/L)，反應60min。反應結束后將污泥平均分成2份，轉(zhuǎn)移至2個0.5L三角瓶。其中一個三角瓶通入過量空氣，流量60L/h，使DO飽和，反應120min；另一個三角瓶加入KNO3，使NO3-N初始濃度為20mg/L，反應180min。按一定時間間隔取樣，測定HAc、PO43--P、NO3-N。

圖2 污泥好氧和缺氧吸磷速率（PUR）分批實驗裝置圖

3 試驗結果及討論

3.1 脫氮除磷效果

三個試驗階段氨氮、TN及PO43--P的去除率效果見圖3、圖4、圖5，統(tǒng)計結果見表2。由表可知：

表2 不同階段AOA 工藝運行性能

圖3 AOA 工藝氨氮 去除性能

圖4 AOA 工藝TN去除性能

圖5 AOA 工藝除磷性能

3.1.1 氨氮和TN去除性能。NH4+-N平均去除率為93.0%，平均出水濃度為2.6mg/L；TN平均去除率為70.4%，平均出水濃度為12.1mg/L；PO43--P平均去除率為87.3%，平均出水濃度為0.72mg/L，三項污染物指標均能達到GB18918-2002一級A標。

3.1.2 氨氮、TN去除效果與污泥回流比(R)和分流比(F)關系。隨著從兼氧段分流到缺氧段的混合液增加，F(xiàn)從0增至0.5，出水氨氮從0.19mg/L升高到3.49mg/L。隨著F逐步提高，兼氧段PHAs被帶入缺氧段，缺氧段的反硝化作用增加，可提高TN去除性能。同時，隨著R逐步降低，進入兼氧段的回流污泥減少，兼氧段還原的NO3--N減少，削弱了兼氧段TN去除性能。系統(tǒng)運行66d后TN去除率升高，66d～87d平均TN去除率為74.5%，而26d～65d期間TN去除率為68.43%?？梢?，系統(tǒng)經(jīng)過40d左右連續(xù)運行后TN去除性能提高，顯著高于前兩個階段。其中第Ⅰ階段F為0，與A/O工藝相同，因此AOA工藝TN去除效果優(yōu)于A/O工藝。同時由于R從2.0降低至1.0，F(xiàn)從0升高至0.5，系統(tǒng)運行能耗降低。

3.1.3 PO43--P去除效果與污泥回流比（R）和分流比（F）的關系。在第Ⅰ階段，好氧段HRT由6.4h縮短為4.8h，但除磷效果保持穩(wěn)定，表明好氧段吸磷速率較快，在4.8h內(nèi)即可完成吸磷，新增加的缺氧段對除磷影響不明顯。在第Ⅱ階段，盡管部分兼氧段混合液分流到缺氧段，缺氧段PO43--P負荷隨之增加，但除磷效率保持穩(wěn)定，PO43--P去除率僅在11d～15d降低到96%左右，之后迅速恢復至99%以上，這表明缺氧段的PO43--P很可能通過反硝化除磷得以去除。在第Ⅲ階段，F(xiàn)由0.25升至0.5，盡管除磷效率出現(xiàn)波動，但隨后得到恢復，系統(tǒng)穩(wěn)定后其去除率可達到90%左右。以上結果表明，缺氧段PO43--P負荷增加對系統(tǒng)除磷有較明顯影響，其效率下降；經(jīng)過一段時間適應后污泥DNPAOs得到進一步富集，缺氧段反硝化除磷能力提高。

3.2 脫氮除磷過程特征

為深入研究AOA工藝脫氮除磷的過程特性，試驗在系統(tǒng)運行第9d、19d、77d（分別為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段），分析了兼氧段、好氧段、缺氧段不同單元氮磷去除效果，結果見圖6，由圖可知：

3.2.1 在系統(tǒng)運行第Ⅰ階段，R為2.0、F為0的運行工況下，回流污泥對兼氧段混合液氨氮濃度影響明顯，氨氮濃度由39.5mg/L降至11.1mg/L。其TN基本上為氨氮，表明混合液NO3--N在兼氧段被還原，兼氧段TN去除率達到71.9%。好氧段和缺氧段TN基本保持不變，系統(tǒng)出水TN 為10.6mg/L，去除率73.0%，與兼氧段的去除率接近。因此在第Ⅰ階段，TN主要在兼氧段去除，反硝化細菌利用進水中碳源，去除進水和回流污泥中NO3--N是系統(tǒng)TN去除的主要途徑。在該階段進水PO43--P平均濃度為5.77mg/L，兼氧段混合液PO43--P濃度達到37.70mg/L，為進水濃度的6.53倍，表明兼氧段污泥充分釋磷，釋磷產(chǎn)能較充足，有利于污泥充分吸收碳源。好氧段混合液PO43--P濃度迅速降低，好氧段出水PO43--P濃度僅為0.38mg/L；缺氧段混合液PO43--P濃度降至0.05mg/L，表明缺氧段有一定除磷效果。

3.2.2 在系統(tǒng)運行第Ⅱ階段，污泥回流比(R)降至1.25，分流比(F)調(diào)整為0.25。由于R減小，兼氧段氨氮濃度升高，好氧段NO3--N濃度升高。但是與第Ⅰ階段不同，該階段TN濃度在好氧段從14.7mg/L降至第13.8mg/L，表明部分TN在好氧段得到去除。缺氧段反硝化過程十分明顯，NO3--N濃度由13.6mg/L降至10.9mg/L，TN去除率可達68.3%。在系統(tǒng)除磷性能上，兼氧段污泥釋磷量有所增加，混合液PO43--P濃度達到41.9 mg/L；好氧段快速，吸磷出水PO43--P僅為0.05mg/L；雖然PO43--P隨部分兼氧段混合液進入缺氧段，但缺氧段出水PO43--P濃度僅為0.001mg/L，表明缺氧段有除磷功能，結合缺氧段部分硝NO3--N去除，推測缺氧段可能存在反硝化除磷作用。

圖6 AOA 工藝系統(tǒng)不同單元氮磷轉(zhuǎn)化過程(a：9d；b：19d；c：77d)

3.2.3 在系統(tǒng)運行第Ⅲ階段，在R為1.0、F為0.5條件下，兼氧段TN去除繼續(xù)減少，氨氮和TN濃度為18.36mg/L，兼氧段TN去除率為53.3%。在好氧段TN濃度由18.36mg/L降至13.61mg/L，部分TN得到去除，其中O1單元去除3.11mg/L TN。而系統(tǒng)前兩個階段，好氧段基本沒有TN去除效果，其中第2階段TN濃度在好氧段僅降低了0.91mg/L，O1單元僅去除0.64mg/L TN。第Ⅲ階段缺氧段NO3--N濃度從13.50mg/L降至5.03mg/L，同時氨氮升至3.25mg/L，NO2--N升至0.33mg/L?？梢?，隨著缺氧段碳源增加，反硝化效果明顯改善，雖然氨氮略有升高，但TN去除效果得到明顯改善，去除率可達76.9%。在系統(tǒng)除磷性能上，兼氧段混合液PO43--P濃度為37.62mg/L，好氧段吸磷速率較快；由于F升至1.0，缺氧段污泥PO43--P負荷提高，缺氧段除磷不完全，出水PO43--P為0.72mg/L。

綜上，推測AOA工藝各單元氮磷去除過程如下：在兼氧段NO3--N被還原，PAOs釋放PO43--P，吸收有機物，合成PHAs并儲存在體內(nèi)；在好氧段部分氨氮通過SND去除，大部分氨氮被氧化為NO3--N，PAO以氧為電子受體分解體內(nèi)PHAs，迅速吸磷；缺氧段DNPAOs利用好氧段產(chǎn)生的NO3--N分解PHAs，進行反硝化除磷。

3.3 系統(tǒng)內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化和利用

為了解AOA系統(tǒng)內(nèi)碳源轉(zhuǎn)化和利用情況，試驗分析了系統(tǒng)不同單元PHB濃度，結果見圖7，由圖可知，兼氧段污泥PHB濃度高達3.61m mol-C/gVSS，好氧段污泥PHB濃度逐步降低，在好氧段末端O3單元PHB濃度降至1.00mmol-C/gVSS；缺氧段PHB濃度為1.91mmol-C/gVSS，高于O2單元和O3單元的PHB濃度，可見缺氧段PHB含量較高，是提高除磷效果的關鍵需求。

圖7 AOA 工藝不同單元PHB 和PO43--P 轉(zhuǎn)化過程

3.4 污泥吸磷速率

為了考察污泥反硝化除磷性能，試驗在系統(tǒng)運行44-56d期間，以缺氧段污泥為對象，分析了污泥好氧和缺氧吸磷速率（PUR），結果見圖8，由圖可知，污泥好氧吸磷速率明顯高于污泥缺氧吸磷速率。好氧吸磷平均速率為7.46mgP/gMLVSS/h，缺氧吸磷速率為1.64 mgP/gMLVSS/h，缺氧與好氧吸磷速率之比為0.22。Wachtmeister和Meinhold等研究認為，污泥缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率之比代表了污泥中DNPAOs含量占所有PAOs的比例[5]。本研究污泥缺氧與好氧吸磷速率之比為0.22，據(jù)此表明污泥DNPAOs占PAOs的比例為22%。

圖8 不同時間好氧和缺氧吸磷速率

3.5 氮磷平衡分析

根據(jù)AOA工藝運行結果，可分別計算兼氧段、好氧段、缺氧段氮磷轉(zhuǎn)化和去除總量。缺氧段計算結果見圖9，由圖可知，系統(tǒng)運行不同階段缺氧段氨氮去除量均很少，平均僅為0.20±0.09g/d。但缺氧段PO43--P和NO3--N去除量隨著F提高而增大，在第Ⅲ階段，PO43--P和NO3--N去除量分別達到1.63±0.09 g/d和0.78±0.14g/d，PO43--P/NO3--N之比為2.17±0.42。系統(tǒng)單元去除PO43--P/NO3--N之比，可以表征反硝化除磷過程特性。Kuba曾報道在反硝化除磷過程中PO43--P/NO3--N之比為2.1[6]，本研究結果與此結果基本一致，表明AOA工藝缺氧段具有反硝化除磷功能。此外根據(jù)模型計算，系統(tǒng)好氧段除磷 量 為 6.83±0.36 g/d，因此缺氧段除磷量占系統(tǒng)除磷總量的19.31±0.44%。

圖9 AOA 工藝缺氧段氮磷去除的模型計算值

4 結語

4.1 新型后置反硝化除磷AOA工藝在進水COD為400mg/L、NH4+-N為40mg/L、PO43--P為6mg/L，系統(tǒng)HRT為8h，SRT為10d條件下連續(xù)運行3個月，NH4+-N、TN、PO43--P去除率分別為93.0%,70.4% 和87.3%，出 水NH4+-N、TN、PO43--P可 滿 足GB18918-2002一級A標準。

4.2 開發(fā)了表征AOA氮磷去除量化模型。AOA工藝脫氮除磷過程特性與模型量化應用分析表明缺氧段具有反硝化除磷功能；隨著工藝系統(tǒng)分流比(F)提高，缺氧段去除PO43--P和NO3--N能力提升，PO43--P/NO3--N比為可達到2.17±0.42；缺氧段除磷總量約占系統(tǒng)除磷總量1/5，污泥中DNPAOs占PAOs的22%。

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