纖維填料型A2/O工藝處理生活污水的碳源補充

熊 峰，郭 意，王魯寧，宋 詠，李永峰

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 哈爾濱 150040)

纖維填料型A2/O工藝處理生活污水的碳源補充

熊 峰，郭 意，王魯寧，宋 詠，李永峰

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 哈爾濱 150040)

纖維式組合填料A2/O工藝體系中當(dāng)采用甲醇、葡萄糖和乙醇作為系統(tǒng)碳源時，得到甲醇作為外加碳源時，系統(tǒng)運行效果最佳，出水TN、NH3—N、TP和COD質(zhì)量濃度分別為14.99、18、1.04、64 mg/L，TN、NH3—N、TP和COD的去除率分別為85.81%、81.43%、86.21%和84.58%.研究三種碳源對反硝化的響應(yīng)時間得到，甲醇的反硝化響應(yīng)速度最快，硝酸鹽氮被完全去除的時間為20 min. 對A2/O工藝的碳源補充分析研究得到，當(dāng)外加碳源(甲醇)投加比例為1∶2∶0，投加量為400 mg/L時，A2/O工藝運行效能最佳，得到TP、TN、NH3—N和COD的去除率分別是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%，出水質(zhì)量濃度分別為0. 46、15.21、7.18、42 mg/L.

A2/O工藝；組合填料；碳源類型；投加方式

隨著我國對出水氮磷質(zhì)量濃度排放要求日益提高，為了控制氮磷的排放，我國制訂了GB 18918-2002排放標(biāo)準[1].我國目前大多數(shù)采用A2/O工藝處理城市生活污水[2-3]，這使加快改進A2/O工藝成為眾多科研工作者的研究方向[4-5].新建城市生活污水廠費用高，所以積極開發(fā)A2/O污水處理工藝的組合工藝以及在原有的A2/O污水處理工藝的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)改造是當(dāng)前國情下最重要的，最經(jīng)濟的[6-7]，也是最切實際的.本課題將醛化纖維放入 A2/O污水處理工藝的各段中形成一套復(fù)合工藝，并通過填料型A2/O污水處理工藝處理生活污水并分析結(jié)果.同時針對A2/O污水處理工藝，研究了不同碳源類型以及碳源的不同投加方式對處理效果的影響[8].研究結(jié)果有利于構(gòu)建低成本、高效率的A2/O污水處理工藝補碳機制.

1 材料與裝置

試驗主要采用合建式A2/O反應(yīng)器，試驗裝置如圖1所示.進水箱、A2/O反應(yīng)器、二次沉淀池構(gòu)成了反應(yīng)器的主體部分.進水箱由有機塑料制成，有效容積為150 L.A2/O反應(yīng)器由有機玻璃制成，有效容積為56.13 L，從長邊中間部位進行隔斷，并有小孔相互連接，然后由材質(zhì)相同的有機玻璃將其平均分成12個格室，前3個格室為厭氧段，中間3個格室為缺氧段，最后6個格室為好氧段，由此組成A2/O工藝厭氧-缺氧-好氧的格局，且厭氧/缺氧/好氧體積比為1∶1∶2，三個區(qū)域內(nèi)均勻布置醛化纖維式組合填料，體積填充率為20%.

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

2 材料與方法

2.1 實驗填料

醛化纖維式組合填料形狀如圖2所示.該填料將傳統(tǒng)的塑料圓片改造成雙環(huán)形式塑料環(huán)，將醛化纖維簇均勻壓接在環(huán)圈上；環(huán)的內(nèi)圈是呈雪花狀的塑料組件，既能掛膜，又能對好氧段氣泡進行有效切割，提高氧的傳遞效率和利用率[9].使有機物與氧氣在生物膜上充分交換，從而對有機污染物進行高效處理[10].其性能參數(shù)如表1所示.

表1 醛化纖維式組合填料性能參數(shù)

材料密度/(g·cm-3)中心片直徑/mm單元直徑/mm比表面積/(m-1)單位質(zhì)量/(kg·m-3)醛化纖維0．93731503002．8

圖2 醛化纖維式組合填料形狀

2.2 實驗用水

實驗用水采用不同碳源類型配置的合成廢水，碳源分別為甲醇，葡萄糖，乙醇.其水質(zhì)特點如表2所示.

表2 合成廢水水質(zhì)參數(shù)

參數(shù)COD/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)PO43-/(mg·L-1)NH4+—N/(mg·L-1)pH均值39073．25．568．36．8

2.3 實驗分析項目

實驗測定指標(biāo)主要包含溫度、DO、COD、pH、ORP、MLSS和MLVSS等常規(guī)指標(biāo)，以及反應(yīng)氮去除情況的NH3—N、TN、NO2-—N、NO3—N，反應(yīng)磷去除情況的TP、PO43-—P.

2.4 實驗方法

以配置廢水為實驗進水，第一階段采用連續(xù)流結(jié)合間歇實驗研究甲醇、葡萄糖和乙醇分別作為系統(tǒng)碳源時，A2/O系統(tǒng)對各污染物的去除情況，從而挑選出A2/O補碳工藝的最佳碳源.第二階段，以甲醇作為A2/O工藝的外加碳源，研究甲醇在A2/O系統(tǒng)沿程反應(yīng)的投加比例.甲醇的投加量為400 mg/L，且外加碳源溶液的體積與進水體積比為1∶20.設(shè)定五個工況，分別為I、II、III、IV和V，各工況所對應(yīng)的外加碳源沿程投加比例(投加到厭氧/缺氧/好氧的體積比)如表3所示.通過以上工況確定最佳甲醇投加比例.

表3 外加碳源在各階段的投加比例

階段IIIIIIIVV投加比例3∶0∶02∶1∶01∶1∶01∶2∶00∶0∶3

3 實驗結(jié)果

3.1 補充碳源類型對體系處理效果的影響

此階段是在反應(yīng)器成功啟動后并穩(wěn)定運行時進行.實驗過程中，三種不同碳源甲醇、葡萄糖和乙醇分別在反應(yīng)器中運行27 d.采用甲醇、葡萄糖和乙醇分別作為系統(tǒng)的碳源，得到A2/O補碳工藝在不同碳源類型下磷的去除情況，如圖3所示.

圖3 施加不同碳源類型工藝流程的磷變化特點

從圖3 (A)可知，三種碳源類型作碳源并達到穩(wěn)定狀態(tài)后，TP的去除率分別為86.21%，78.15%和88.18%.由此可知，當(dāng)乙醇作碳源時，TP的去除率最高；當(dāng)葡萄糖作碳源時，TP的去除率最低；而當(dāng)甲醇作碳源時，TP的去除率僅次于乙醇.從圖3(B)可知，當(dāng)甲醇、葡萄糖、乙醇分別作碳源時，TP在厭氧末端的質(zhì)量濃度達到12.26、6.91、12.41 mg/L.分析研究認為，A2/O系統(tǒng)中不同種群的微生物對碳源類型需求不一樣，PAO在厭氧段對碳源類型的吸收和利用能力不一樣[11]，碳源分子類型越小越容易被吸收利用.如果添加大分子碳源，在厭氧段還需要通過微生物對大分子物質(zhì)進行降解，將其轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)才能夠被厭氧段PAO有效利用.

采用甲醇、葡萄糖和乙醇分別作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源，得到A2/O系統(tǒng)施加不同碳源類型的工藝流程的氮的變化特點，如圖4所示.

圖4 施加不同碳源類型的工藝流程的氮的變化特點

從圖4(A)可知當(dāng)甲醇作碳源時，TN的去除率為85.81%，出水TN質(zhì)量濃度為14.99 mg/L；當(dāng)葡萄糖作碳源時，TN的去除率為76.67%，出水TN質(zhì)量濃度為20.66 mg/L；當(dāng)乙醇作碳源時，TN的去除率為88.23%，出水TN質(zhì)量濃度為13.49 mg/L.從以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)乙醇作碳源時，A2/O系統(tǒng)對TN的去除效果最好；葡萄糖效果最差；甲醇效果介于兩者之間.從圖4(B)可知，當(dāng)三種不同碳源投加后，NH3—N的去除主要集中在好氧段的前段.使用甲醇、葡萄糖、乙醇分別作碳源時，出水NH3—N的質(zhì)量濃度分別為18、25、16 mg/L.三種不同碳源類型下，NH3—N的去除率分別為81.43%、70.32%和84.60%.從以上數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)乙醇作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時，NH3—N的去除效率最好；當(dāng)葡萄糖作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時，NH3—N的去除效率最差；而當(dāng)甲醇作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時，NH3—N的去除率與乙醇相差不大.分析研究認為，碳源分子大小是導(dǎo)致這一結(jié)果的因素之一，碳源分子越小越容易被吸收利用，六碳結(jié)構(gòu)的葡萄糖顯然會比甲醇乙醇更不易吸收.同時填料型A2/O反應(yīng)器氨氮去除率明顯高于傳統(tǒng)A2/O反應(yīng)器，說明向好氧池中投加纖維填料，發(fā)揮了增加池中生物量的作用，有利于生長緩慢的硝化菌的生長和富集，可以顯著提高硝化效率[12-13].

在三種不同的碳源類型下，對缺氧段的污泥進行了間歇試驗，得到圖5.

從圖5可知，當(dāng)甲醇、葡萄糖、乙醇分別作碳源時，硝酸鹽氮在20、75、25 min被完全去除，而此時的亞硝酸鹽氮被完全去除時間為20、35、20 min.根據(jù)反硝化速率經(jīng)典公式[14-15]計算可得，甲醇作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時，其對反硝化速率的響應(yīng)速度要高于葡萄糖和乙醇碳源作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時的反硝化相應(yīng)速度.因此，在三種不同的碳源類型中，甲醇作為缺氧段的反硝化電子供體最佳.

圖5 施加不同碳源類型時對反硝化的響應(yīng)特點

綜上，當(dāng)甲醇作為A2/O系統(tǒng)碳源時，對缺氧段的反硝化響應(yīng)速度明顯高于乙醇作為A2/O系統(tǒng)碳源時對缺氧段的反硝化響應(yīng)速度.根據(jù)甲醇和乙醇的產(chǎn)能過程，生產(chǎn)同一質(zhì)量的細胞物質(zhì)消耗的乙醇質(zhì)量遠遠大于甲醇的質(zhì)量.乙醇作為系統(tǒng)碳源時，產(chǎn)生的污泥量大于甲醇作為系統(tǒng)碳源時的污泥量，且各污染物的去除效果相差不大.同時依據(jù)實際經(jīng)濟性要求，三種碳源類型中，甲醇價格大概為乙醇的三分之一左右，故選擇甲醇作為系統(tǒng)的外加碳源和應(yīng)急碳源最佳也更具實際意義.

3.2 施加不同甲醇投加比例對體系處理效果的影響

對施加不同甲醇投加比例的工藝流程的磷的變化情況進行研究，得到磷在甲醇不同投加比例下的變化情況，如圖6所示.

圖6 施加不同甲醇投加比例的工藝流程的磷的變化特點

從圖6(A)可知，在不同甲醇投加比例下，TP的去除率分別為85.61%、85.71%、86.81%、86.64%和78.49%.總體來看，TP在五個工況下，去除率呈現(xiàn)出下降的趨勢.前四個工況下TP的去除率變化不大，而在第5個工況下，TP的去除率突然下降，第五個工況下的TP去除率相對于前四個工況下TP的去除率下降了近8%.從圖6(B)可知，在第五個工況下，磷在厭氧段的釋放總量突然減少.PAO釋磷的多少和廢水中可利用的有機物有關(guān)[14].由于五個工況的運行條件都一樣，前四個工況的TP去除效果都較好，排除溫度、pH等因素.幾個工況運行的條件只有外加碳源的投加比例不一樣，第五個工況的外加碳源全部投加到了好氧段.好氧段主要是自養(yǎng)型細菌，充足的有機物質(zhì)和DO會使得絲狀細菌大量繁殖.絲狀菌隨污泥混合液回流到厭氧段與PAO爭奪有機物質(zhì)，使得PAO在厭氧段的釋磷活動受到抑制，導(dǎo)致磷的釋放量下降[16-17].由于在厭氧段釋磷受到抑制，使好氧吸磷也受到抑制，從而導(dǎo)致出水磷質(zhì)量濃度較高.

對施加不同甲醇投加比例的工藝流程的氮的變化情況進行研究，得到氮在甲醇不同投加比例下的變化情況，如圖7所示.

圖7 施加不同甲醇投加比例的工藝流程的氮的變化特點

圖7可知，在甲醇不同投加比例下，TN、NH3—N的去除率分別從第I階段到第IV階段呈現(xiàn)出升高的趨勢，并在第IV階段達到最大的去除率為87.84%和94.87%；而在第V階段TN的去除率呈現(xiàn)出下降的趨勢.總體來說，TN和NH3—N的去除率變化規(guī)律相似，都是隨著投加比例的變化，去除率逐漸增加，到達第IV階段時達到最大值，而后就出現(xiàn)下降的趨勢.經(jīng)分析異養(yǎng)菌的大量甚至超量繁殖導(dǎo)致好氧段的硝化細菌菌落的生存資源受到限制是硝化反應(yīng)在好氧段受抑制的原因.故第V階段，碳源補充量過多導(dǎo)致好氧段中硝化反應(yīng)效果受抑制.

試驗期間，對不同投加比例下COD、污泥質(zhì)量濃度的變化趨勢和沿程變化特點了進行研究，如圖8所示.

圖8 施加不同甲醇投加比例時的COD、污泥質(zhì)量濃度的變化特點

由圖8可知，不同投加比例下，前三個階段的氮去除效率低是因為缺氧段的反硝化反應(yīng)缺少電子供體.而在第IV階段時，碳源投加完全能夠滿足缺氧段反硝化作用，使缺氧段的反硝化細菌發(fā)揮出了最大的降解作用.根據(jù)COD和MLSS等指標(biāo)的變化情況可知，選擇第IV階段的投加比例可以得到較好的處理效果.因此，結(jié)合對氮磷的處理分析，選擇外加碳源的投加比例為1∶2∶0時，TP、TN、NH3—N和COD的去除率分別是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%.

4 結(jié) 論

本文對添加了醛化纖維載體的填料型A2/O污水工藝處理生活污水的補碳機制進行研究得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)采用甲醇、葡萄糖和乙醇作為A2/O系統(tǒng)唯一碳源時，得到甲醇作為外加碳源時，系統(tǒng)運行效果最佳，出水TN、NH3—N、TP和COD質(zhì)量濃度為14.99、18、1.04、64 mg/L，TN、NH3—N、TP和COD的去除率為85.81%、81.43%、86.21%和84.58%.研究三種碳源對反硝化的響應(yīng)時間得到，甲醇的反硝化響應(yīng)速度最快，硝酸鹽氮被完全去除的時間為20 min，三種碳源中，甲醇作為A2/O系統(tǒng)反硝化應(yīng)急碳源最佳.

2)對A2/O碳工藝的補碳研究得到，當(dāng)外加碳源(甲醇)投加比例為1∶2∶0，投加量為400 mg/L時，A2/O碳工藝運行效能最佳，得到TP、TN、NH3—N和COD的去除率分別是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%，出水質(zhì)量濃度分別為0.46、15.21、7.18和42 mg/L.

3)對A2/O碳工藝的補碳效能進行研究得到，外加碳源不應(yīng)該投加到好氧段.當(dāng)碳源極度不充足，影響到厭氧釋磷和缺氧反硝化時，應(yīng)該將碳源盡量投加到厭氧段；當(dāng)碳源量影響到缺氧反硝化而未影響到厭氧釋磷時，應(yīng)該將碳源盡量投加到缺氧段.同時，在投加碳源時，應(yīng)多點投加，使缺少碳源的階段能迅速得到碳源的補充.

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Study on carbon source supplement of A2/O process for treating domestic sewage

XIONG Feng, GUO Yi, WANG Lu-ning, SONG Yong, LI Yong-feng

(School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

To solve the carbon source problem of fiber carrier media A2/O process for urban sewage, the methanol was the best one on nutrients removal when methanol, glucose and alcohol were used as carbon sources. The results showed that the effluent concentration of TN, NH3—N, TP and COD were 14.99, 18, 1.04, and 64 mg/L. The removal rate of TN, NH3—N, TP and COD were 85.81%, 81.43%, 86.21% and 84.58%. The response time of the three kinds of carbon sources for denitrification was studied. The results showed the methanol have fastest response. The NH3—N was removed completely for 20 minutes. The analysis of the carbon sources for the A2/O process showed that when dosing method of methanol was 1∶2∶0, addition concentration was 400 mg/L, the A2/ O system run well. The removal rate of TN, NH3—N , TP and COD were 86.64, 87.84%, 94.87% and 89.18%, and the effluent concentration of TN, NH3—N, TP and COD were 0.46, 15.21, 7.18 and 42 mg/L.

A2/O process; fiber carrier media; type of carbon source; adding method

2016-06-15.

黑龍江省自然基金(2013E54).

熊 峰(1991-)，男，碩士，研究方向：廢水處理技術(shù)與應(yīng)用.

李永峰(1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：微生物及污水處理.

X703

A

1672-0946(2017)01-0041-07