體積比對分段進水改良A2／O工藝脫氮除磷性能的影響

王振國，何爭光，彭趙旭，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001）

體積比對分段進水改良A2／O工藝脫氮除磷性能的影響

王振國，何爭光，彭趙旭，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001）

為了探究體積比對脫氮除磷性能的影響，采用分段進水改良厭氧－缺氧－好氧（A2／O）工藝處理高氨氮低碳氮比的生活污水。在污泥回流比為70%，水力停留時間（HRT）為10 h條件下，考察了體積比（V預(yù)缺氧∶V厭氧∶V缺氧∶V好氧）對系統(tǒng)去除有機物、硝化效果、反硝化效果、總氮（TN）和總磷（TP）的影響。試驗結(jié)果表明：不同體積比對系統(tǒng)有機物的去除和硝化效率影響不顯著，出水化學(xué)需氧量（COD）和氨氮濃度分別在50 mg／L、5 mg／L以下；系統(tǒng)TN和TP去除受體積比影響較大，體積比為18∶18∶36∶72時，缺氧體積所占比例較大，反硝化細菌獲得充足反應(yīng)時間，反硝化效果最好，TN去除率平均達83.24%；體積比為12∶24∶24∶84時，厭氧體積的增加，為聚磷菌厭氧釋磷提供有利條件，TP去除效果最佳，平均去除率達93.63%。

體積比；改良A2／O；高氨氮污水；分段進水

0 引言

目前，中國大部分的污水處理廠不能達到一級A排放標準［1］，這是因為傳統(tǒng)活性污泥工藝所固有弊端［2］，如碳源、硝酸鹽、泥齡等矛盾。文獻［3］研究表明：對于低C／N生活污水的處理，碳源是反硝化脫氮和厭氧釋磷的限制性因子，碳源不僅是異養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，還是反硝化脫氮的電子供體，同時也是聚磷菌在厭氧段有效釋磷的必須物質(zhì)，在進水碳源不足的情況下，只有提高碳源的利用率才能保證脫氮除磷的去除效果。分段進水工藝因具備很多優(yōu)點，如節(jié)省內(nèi)回流、原水碳源利用率高等［4－6］，越來越受關(guān)注。文獻［7］利用改良開普敦（UCT）分段進水工藝處理低C／N生活污水，在流量分配比為4∶3∶3和缺氧／好氧體積比為1∶2條件下，原水碳源利用達62%以上，出水優(yōu)于一級A排放標準。文獻［8］利用改良厭氧－缺氧－好氧（A2／O）分段進水工藝處理低濃度、低C／N生活污水，在流量分配比為20%∶35%∶35%∶10%條件下，碳源利用率高達74%。目前，對于高氨氮、低C／N生活污水處理的研究比較少，本試驗采用分段進水改良A2／O工藝處理高氨氮、低C／N生活污水，為將來污水處理廠的升級改造提供經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。本文是在傳統(tǒng)A2／O工藝基礎(chǔ)上，采用分段進水工藝，同時增加前置預(yù)缺氧反硝化段，取消硝化液的內(nèi)回流，好氧段后增加兩級缺氧－好氧（A／O）工藝。裝置采用有機玻璃制成，總?cè)莘e60.5 L，其中有效容積為51.8 L。反應(yīng)器依次為預(yù)缺氧區(qū)A1／厭氧區(qū)A2、好氧區(qū)O1（體積固定）、缺氧區(qū)A3／好氧區(qū)O2和缺氧區(qū)A4／好氧區(qū)O 3；在缺氧區(qū)和厭氧區(qū)采用4臺攪拌器，使泥水混合均勻；好氧區(qū)設(shè)置若干曝氣頭，空壓機來曝氣，流量計調(diào)節(jié)溶解度DO。采用5臺蠕動泵控制進水和污泥回流；二沉池采用中進和周出豎流式，有效容積為18 L。

圖1 分段進水改良A2／O工藝裝置示意圖

1.2 人工配水與接種污泥

使用人工配水模擬生活污水作為試驗對象，其主要水質(zhì)參數(shù)見表1?？扇苄缘矸圩鳛樘荚矗谧詠硭屑尤隢H4Cl、KH2PO4、K2HPO4，并在水中投加NaHCO3作為堿度的緩沖劑，此外還在模擬污水中投加多種無機營養(yǎng)鹽用以提供微生物生長所需的微量元素。接種污泥取自鄭州市五龍口污水處理廠氧化溝的曝氣段，接種前需要預(yù)曝氣24 h，清除殘雜物后，在反應(yīng)器中培養(yǎng)馴化。

表1 進水水質(zhì)參數(shù)

1.3 系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置

相關(guān)水質(zhì)分析方法參照國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），具體的分析項目為：化學(xué)需氧量（COD、總氮（TN）、總磷（TP）、pH、溶解度DO等。

為了充分探究體積比（V預(yù)缺氧∶V厭氧∶V缺氧∶V好氧）對分段進水改良A2／O工藝處理高氨氮低碳氮比污水系統(tǒng)性能的影響，試驗中設(shè)置12∶24∶24∶84、18∶18∶24∶84、18∶18∶36∶72和18∶18∶18∶90這4種不同的體積比，對4種體積比連續(xù)運行40 d來取樣分析，分別考察了COD、－N、TN和TP這4個指標并進行對比分析。試驗期間設(shè)置的運行參數(shù)如下：水力停留時間（HRT）為10 h，進水總流量是124 L／d，各級進水流量分配為1∶2∶2∶1，污泥回流比為70%。利用恒溫加熱器來控制反應(yīng)溫度，維持反應(yīng)器中的平均溫度為（20±1）℃，將好氧區(qū)的DO維持在2.0 mg／L左右，缺氧區(qū)DO維持在0.5 mg／L以下，厭氧區(qū)DO維持在0.2 mg／L以下。

2 結(jié)果與討論

2．1 體積比對COD去除效果的影響分析

分段進水改良A2／O工藝對COD的去除如圖2所示。由圖2可見：體積比對COD的去除率影響不大，4種體積比下COD平均去除率分別為90.76%、92.16%、92.20%和92.25%。這表明通過改變體積比來提高COD去除率這種措施效果不大，主要是因為：在系統(tǒng)HRT不變條件下，體積比的變化只是單一地改變了有機物在各個區(qū)域的停留時間，導(dǎo)致各個缺氧區(qū)、好氧區(qū)和厭氧區(qū)對有機物的去除量發(fā)生了改變，而整個系統(tǒng)對于有機物的去除量相差不大；另外，體積比在12∶24∶24∶84情況下，COD的去除率要比在其他3種情況略低，這可能是因為回流污泥進入預(yù)缺氧段，使得其內(nèi)污泥濃度在反應(yīng)系統(tǒng)最高，微生物量最多。隨著預(yù)缺氧／厭氧比值的加大，預(yù)缺氧段HRT變大，從而對有機物的去除更加充分。

2.2 體積比對氨氮去除效果的影響分析

分段進水改良A2／O工藝對－N的去除如圖3所示。由圖3可見：進－N平均去除率分別為96.25%、96.45%、95.93%和96.91%。雖然進水濃度不同，但是這4個工況下出水氨氮的平均濃度波動較小，且并不隨著體積比的改變而顯著變化。這可能是因為氨氮的去除主要是通過硝化菌在好氧區(qū)內(nèi)的硝化反應(yīng)來完成的，在體積比為18∶18∶36∶72即好氧區(qū)最小時，氨氮出水濃度為2.87 mg／L，說明系統(tǒng)中氨氮已大部分被硝化完全，此時的好氧體積HRT也能滿足硝化菌對進水氨氮負荷的硝化容量，所以再增大好氧體積比雖然在一定程度上提高氨氮去除效果，但作用效果已很不明顯。這與文獻［9］采用改良A2／O分段進水工藝處理低濃度、低碳氮比生活污水結(jié)論是一致的。本試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)具有良好硝化效果，體積比對氨氮去除基本無影響。

圖2 不同體積比下COD的去除情況

圖3 不同體積比下氨氮的去除情況

2．3 體積比對TN去除效果的影響分析

圖4 不同體積比下TN的去除情況

分段進水改良A2／O工藝對TN的去除如圖4所示。由圖4可見：出水平均TN濃度分別為18.07 mg／L、14.84 mg／L、11.89 mg／L和18.75 mg／L，TN平均去除率分別為74.28%、78.46%、83.24%和72.03%。

在體積比為18∶18∶24∶84和18∶18∶36∶72的工況下，TN去除率相對于體積比為12∶24∶24∶84和18∶18∶18∶90大幅提高，TN平均去除率從74.28%分別提升到78.46%和83.09%，又降低到72.03%。這可能是因為：體積比預(yù)缺氧／厭氧由12∶24增加到18∶18，預(yù)缺氧池體積增加，在預(yù)缺氧段內(nèi)，一方面反硝化細菌利用進水中的有機碳源對回流污泥攜帶的硝態(tài)氮進行反硝化脫氮，預(yù)缺氧區(qū)體積的增加導(dǎo)致預(yù)缺氧的HRT隨著變大，使得反硝化細菌有更多的時間進行反硝化脫氮；另一方面在碳源不足的情況下，部分反硝化除磷菌會以硝態(tài)氮作為電子受體，在脫氮的同時完成吸磷反應(yīng)，預(yù)缺氧體積的增加強化了反硝化除磷的作用，兩者綜合作用導(dǎo)致TN去除效果提高。缺氧／好氧體積比由24∶84變?yōu)?6∶72，文獻［10］研究表明：在系統(tǒng)HRT不變的情況下，缺氧段體積變大，使得反硝化細菌獲得更多時間利用進水碳源，進行反硝化脫氮，同時，缺氧段發(fā)生反硝化除磷也會進一步強化，TN去除效果明顯提高。好氧體積增大，缺氧／好氧體積由36∶72變?yōu)?8∶90，缺氧體積減小，TN平均去除率從83.24%降低到72.03%。

2．4 體積比對TP去除效果的影響分析

分段進水改良A2／O工藝對總磷的去除效果如圖5所示。由圖5可見：平均出水TP濃度分別是0.36 mg／L、0.61 mg／L、0.57 mg／L和0.53 mg／L，去除率分別是93.63%、88.73%、88.03%和89.49%。分析發(fā)現(xiàn)：隨著預(yù)缺氧／厭氧比值的增大，系統(tǒng)對于磷的去除率明顯下降。這可能是因為隨著厭氧體積的減小，導(dǎo)致厭氧段HRT變小，在一定范圍內(nèi)，厭氧時間越長，聚磷菌的釋磷量也就越大［11］。HRT的變短導(dǎo)致厭氧釋磷量減少，厭氧釋磷不充分，影響后續(xù)好氧段的吸磷過程，從而影響TP的去除率降低。另外，文獻［10］研究表明：厭氧體積的減少不利于易降解基質(zhì)的產(chǎn)生，限制了聚磷菌體內(nèi)聚烴基烷酸（PHA）的合成量，從而影響后續(xù)吸磷的效果。試驗過程還發(fā)現(xiàn)，隨著缺氧／好氧體積比值的減少，TP的去除率略有提高。文獻［12］研究表明：聚磷菌在好氧段O1內(nèi)完成大部分對TP的去除。由試驗裝置可知：好氧段O1體積是固定的，僅通過A3、O2、A4和O3來實現(xiàn)缺氧／好氧體積比的調(diào)節(jié)，所以缺氧／好氧的減小在一定程度上可以提高TP去除效果，但不是很顯著。綜上可知：對于TP的去除，厭氧體積是關(guān)鍵因素之一。

3 結(jié)論

（1）對于分段進水改良A2／O工藝，體積比對有機物和NH＋4－N的去除效果影響不大，4種工況下系統(tǒng)對COD和NH＋4－N都有很高的去除率，分別都在85%和90%以上，且COD平均出水濃度均在50 mg／L以下，NH＋4－N平均出水濃度均在5 mg／L以下，說明系統(tǒng)對有機物的去除和氨氮的硝化具有良好的效果。TN和TP去除效果受體積比影響較大：體積比為18∶18∶36∶72時，TN平均去除率達到83.24%，平均出水濃度11.89 mg／L；體積比為12∶24∶24∶84時，TP平均去除率達到93.63%，出水濃度小于0.5 mg／L；隨著預(yù)缺氧／厭氧體積比的增大，預(yù)缺氧池內(nèi)反硝化獲得足夠的反應(yīng)時間，TN去除效果提升，但厭氧體積的減小，導(dǎo)致聚磷菌釋磷量的降低，TP去除效果明顯降低。

（2）缺氧／好氧體積比的增加，一方面為反硝化提供充足反應(yīng)時間，使得反硝化更加充分；另一方面使得有機物在好氧段停留時間減少，避免了有機物被異養(yǎng)好氧菌大量消耗，提高了原水碳源利用率；但好氧段體積的減小會削弱聚磷菌在好氧段的吸磷作用，從而影響TP的去除效果。

（3）系統(tǒng)的脫氮方式主要是傳統(tǒng)反硝化脫氮為主，缺氧體積的加大有助于TN去除效果的提高；除磷主要是聚磷菌的厭氧釋磷和好氧吸磷作用，缺氧段的反硝化除磷只占很小一部分，對于磷的去除，厭氧體積是關(guān)鍵因素之一。

［1］ 國家環(huán)境環(huán)?？偩?，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準［S］.北京：中國環(huán)境出版社，2003.

［2］ 曹貴華，黃勇，潘楊.常規(guī)生物脫氮除磷中的問題及對策［J］.水處理技術(shù)，2009，25（3）：102－106.

［3］ 陳杰云，張智，任麗平，等.碳氮比對分段進水多級A／O工藝脫氮效果的影響研究［J］.給水排水，2012，38（5）：125－128.

［4］ Johnson B R，Goodwin S，Daigger G T，et al.A Comparison Between the Theory and Reality of Full-scale Step-feed Nutrient Removal System［J］.Water Sci Technol，2005，52（10／11）：587－596.

［5］ 王偉，王淑瑩，孫亞男，等.分段進水A／O工藝流量分配專家系統(tǒng)的建立與應(yīng)用［J］.化工學(xué)報，2008，59（10）：2608－2615.

［6］ 葛士建，彭永臻.連續(xù)流分段進水工藝生物脫氮除磷技術(shù)分析及優(yōu)化控制［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，29（12）：2465－2470.

［7］ Ge S J，Pneg Y Z，Wang S Y，et al.Enhanced Nutrient Removal in a Modified Step Feed Process Treating Municipal Wastewater with Different Inflow Distribution Ratios and Nutrient Ratios［J］.Bioresource Technology，2010，101：9012－9019.

［8］ Cao G H，Wang S Y，Peng Y Z，et al.Nitrogen and Phosphorus Removal in Modified A／O Stepfeed Process for Urban Sewage with Different Inflow Distribution Ratios［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2012，63（4）：1249－1257.

［9］ 曹貴華，王淑瑩，彭永臻，等.體積比對分段進水工藝處理低濃度廢水性能的影響［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，40（3）：428－435.

［10］ 王偉，彭永臻，劉麗娜，等.厭氧／缺氧／好氧體積比對分段進水A2／O除磷的影響［J］.中國給水排水，2014，30（13）：10－14.

［11］ 陽素攀.同時硝化／反硝化除磷系統(tǒng)處理低碳城市污水控制過程及機理研究［D］.廣州：廣州大學(xué)，2012.

［12］ 曹貴華.改良A2／O分段進水工藝處理低C／N市政廢水的性能與優(yōu)化控制［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

X52

A

1672－6871（2015）05－0100－05