不同碳氮比下分段進(jìn)水多級(jí)A/O耦合MBR工藝的脫氮除磷性能研究

李 權(quán)，王少坡，王舜和，李博洋，張鵬達(dá)，孫力平

（1.天津城建大學(xué) 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院第一設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

污水中的氮元素與磷元素是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素[1].在各類(lèi)脫氮除磷方法中，活性污泥法的污水處理工藝以其較簡(jiǎn)單的組成和操作，并且在較低的成本下，能夠達(dá)到滿(mǎn)意的脫氮除磷效果而被廣泛采用[2].但是，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，現(xiàn)有的傳統(tǒng)活性污泥法污水處理工藝很難達(dá)到新的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；并且，當(dāng)前污水處理工藝普遍存在能耗高的現(xiàn)象，這無(wú)疑成為污水處理廠良好運(yùn)營(yíng)的負(fù)擔(dān)[3].因此，對(duì)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行改造或者開(kāi)發(fā)新型脫氮除磷技術(shù)勢(shì)在必行[4-6].

隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，連續(xù)流過(guò)濾技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)更加完善[7]，為膜生物反應(yīng)器（MBR）的推廣提供了基礎(chǔ)條件.MBR具有出色的泥水分離能力，可以使剩余污泥排放量減少至傳統(tǒng)活性污泥法的66.7%，有實(shí)例表明[8]：在3個(gè)月甚至2年的運(yùn)行期內(nèi)可以不排泥，減少了污泥處理費(fèi)用.因此，國(guó)內(nèi)已有MBR耦合現(xiàn)有污水處理工藝的研究與應(yīng)用[9-11]，如采用A/O、A2/O等工藝耦合MBR；但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝耦合MBR的組合工藝研究不多.分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝相對(duì)于同體積推流系統(tǒng)，具有較長(zhǎng)污泥停留時(shí)間（SRT）；無(wú)需硝化液回流；缺氧區(qū)反硝化產(chǎn)生的堿度可以補(bǔ)充下一段好氧區(qū)堿度的消耗，降低了污水處理中的成本[12].有研究表明：分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝的好氧區(qū)有利于同步硝化反硝化反應(yīng)的發(fā)生，缺氧區(qū)可以允許反硝化除磷菌的生長(zhǎng)，可以進(jìn)一步提高對(duì)氮、磷的去除率[13].因此，本試驗(yàn)以分段進(jìn)水多級(jí)A/O耦合MBR工藝為對(duì)象，以人工配水為原水，考察不同C/N對(duì)該組合工藝脫氮除磷性能的影響，并分析其原因.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

多級(jí)A/O耦合MBR工藝裝置如圖1所示.

采用分段進(jìn)水四級(jí)A/O（缺氧/好氧），后置MBR（膜生物反應(yīng)池）.裝置長(zhǎng)165 cm，寬55 cm，深50 cm；有效容積300 L，設(shè)計(jì)處理量0.5 m3/d.沿水流方向設(shè)置四級(jí)A/O池，每一級(jí)A段（缺氧區(qū)）與O段（好氧區(qū)）通過(guò)隔板下端孔口聯(lián)通.相鄰兩級(jí)O段與A段通過(guò)擋板上端孔口聯(lián)通，并且這些孔口沿水流方向從首端到膜組件池的相對(duì)高程依次下降，使得污水在處理過(guò)程中自流進(jìn)入下一個(gè)生物池.原水從每級(jí)A段進(jìn)入生物池，經(jīng)過(guò)四級(jí)A/O生物池后，自流入尾端MBR池，經(jīng)膜過(guò)濾后出水.

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

本試驗(yàn)工藝所接種的污泥取自天津市某污水廠二沉池回流井，該污水處理廠采用分段進(jìn)水多級(jí)A/O的污水處理工藝.試驗(yàn)過(guò)程中所用原水采用人工配水，由提升泵抽取原水，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)泵入各缺氧池.試驗(yàn)配水水質(zhì)如表1所示，并根據(jù)需求補(bǔ)充堿度.

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)

1.3 水樣檢測(cè)與方法

1.4 試驗(yàn)運(yùn)行方式

本試驗(yàn)采用四級(jí)A/O且四段進(jìn)水的運(yùn)行方式，4個(gè)缺氧池體積不變，4個(gè)好氧池的體積逐級(jí)遞增；好氧池內(nèi)污泥濃度（MLSS）2 500～4 500 mg/L，沿水流方向污泥濃度逐級(jí)遞減；缺氧段、好氧段的溶解氧（DO）分別控制在 0～0.5，0.5～3.0 mg/L；考慮到膜通量，水力停留時(shí)間（HRT）為15 h；試驗(yàn)采用零排泥的運(yùn)行方式；以葡萄糖為碳源，以碳酸氫銨為氮源，通過(guò)調(diào)整配水，使原水C/N保持在4～7、8～12兩個(gè)工況，待每個(gè)工況穩(wěn)定后，連續(xù)運(yùn)行30 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)水C/N對(duì)氮污染物去除的影響

在C/N=4～7，8～12兩個(gè)階段內(nèi)，該污水處理組合工藝對(duì)氮污染物去除效果如圖2-3所示.

圖2 兩種C/N工況下出水TN對(duì)比

圖3 兩種C/N工況下出水NH 對(duì)比

由圖2可以看出：在C/N為8～12時(shí)，該周期內(nèi)15 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中TN去除率高于90%的為11 d；出水中TN濃度全部低于15 mg/L，滿(mǎn)足GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[14]中一級(jí)A的出水水質(zhì)；當(dāng)C/N下調(diào)到4～7時(shí)，15 d的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)TN去除率大于90%的為2 d，大于80%的為10 d，且此時(shí)出水TN濃度小于8 mg/L的保證率為80%.由此可見(jiàn)，此時(shí)出水TN濃度仍能優(yōu)于國(guó)家一級(jí)A的出水水質(zhì)要求.

由圖3可以看出：相對(duì)于C/N對(duì)該系統(tǒng)去除TN的影響，其對(duì)的去除影響較小，且兩種C/N運(yùn)行工況下的出水濃度小于3 mg/L的保證率分別為73.33%、86.67%.由此表明，C/N在4～12時(shí)該系統(tǒng)可以有效地去除氮污染物.

鄺斌宇等[15]在AO－MBR的組合工藝研究中得出，與TN的去除率分別為99.1%、75.8%；熊凱波[8]在A2O-MBR的工藝組合試驗(yàn)中得出，與TN 的去除率分別為94.7%、78.5%.本試驗(yàn)中，在C/N=8～12，4～7 的條件下的平均去除率分別為95.51%、97.14%，TN的平均去除率分別為89.26%、84.73%.通過(guò)比較可以看出，本試驗(yàn)所采用的組合工藝相對(duì)于前兩者的組合形式而言，對(duì)氨氮的去除效果相似，但是對(duì)TN的去除率有很大的提升.原因在于分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝自身強(qiáng)化脫氮的特性所致[16]；并且多級(jí)A/O系統(tǒng)內(nèi)微生物連續(xù)交替處于“飽食”和“饑餓”兩種狀態(tài)中，在這種非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境中，刺激微生物保持較高的活性，從而能更有效地去除污染物[17]；另外，工藝中所耦合的MBR相較于二沉池對(duì)污泥具有更優(yōu)異的截留效果，這為延長(zhǎng)污泥齡提供了條件，有助于實(shí)現(xiàn)零排泥.因此，隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，硝化菌與反硝化菌在污泥系統(tǒng)內(nèi)所占比例逐漸增加，使得該系統(tǒng)對(duì)氮污染物的去除能力較強(qiáng)[18].不僅如此，已有試驗(yàn)表明，在多級(jí)A/O的好氧區(qū)有利于發(fā)生同步硝化反硝化反應(yīng)，而該反應(yīng)有利于進(jìn)一步提高脫氮效率[19].

2.2 進(jìn)水C/N對(duì)磷污染物去除的影響

在C/N=4～7，8～12兩個(gè)階段內(nèi)，該污水處理組合工藝對(duì)磷污染物去除效果見(jiàn)圖4.由圖4可以看出：在C/N為8～12時(shí)，系統(tǒng)在無(wú)化學(xué)除磷的幫助下仍能達(dá)到較好的除磷效果，出水中TP濃度均在0.5 mg/L以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)[14]中一級(jí)A的水質(zhì)要求；而C/N為4～7時(shí)，在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，出水中TP的濃度逐漸升至2.47 mg/L，此時(shí)TP去除率低至54.82%.

圖4 兩種C/N工況下出水TP對(duì)比

造成這種變化的原因主要在于：在C/N降低情況下，系統(tǒng)脫氮效率下降，使得硝態(tài)氮濃度有所提升，在污泥回流的同時(shí)硝態(tài)氮隨混合液回流入缺氧段，破壞了厭氧環(huán)境，使得聚磷菌釋磷不完全，進(jìn)而使其無(wú)法在好氧區(qū)充分吸磷[20]；另外，微生物除磷還可以通過(guò)反硝化除磷方式去除，有文獻(xiàn)表明[21]：當(dāng)C/N在10～20范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)反硝化除磷具有明顯的促進(jìn)作用，所以此時(shí)較低的C/N是導(dǎo)致磷去除率下降的原因之一；此外，已有對(duì)MBR工藝進(jìn)行升級(jí)改造的研究表明[22]，當(dāng)C/N下降后，需要通過(guò)添加碳源與除磷藥劑來(lái)保證出水TP低于0.3 mg/L.

2.3 進(jìn)水C/N對(duì)有機(jī)污染物去除的影響

兩種C/N工況下出水COD對(duì)比如圖5所示.由圖5可知：在C/N=8～12時(shí)，進(jìn)水COD平均濃度為462.11 mg/L，出水COD平均濃度為17.94 mg/L，平均去除率96.12%，此時(shí)的出水全部滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)[14]中一級(jí)A出水水質(zhì)，且86.67%的出水中低于30 mg/L（Ⅳ類(lèi)水體中的COD水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）；而在C/N=4～7時(shí)，進(jìn)水COD平均濃度為260.30 mg/L，出水COD平均濃度為20.64 mg/L，平均去除率91.30%，雖然此時(shí)出水COD全部滿(mǎn)足文獻(xiàn)[14]中一級(jí)A的出水水質(zhì)，但僅有73.33%的出水中COD低于30 mg/L，比C/N為8～12時(shí)的出水水質(zhì)稍有下降.

圖5 兩種C/N工況下出水COD對(duì)比

兩種C/N工況下，該系統(tǒng)對(duì)COD的去除略有不同的原因?yàn)椋阂灿醒芯勘砻鱗23]，當(dāng)進(jìn)水COD濃度高于350 mg/L時(shí)，混合液內(nèi)脫氮除磷的功能菌活性較高，因此當(dāng)C/N下調(diào)后，系統(tǒng)內(nèi)的脫氮除磷菌活性降低，對(duì)碳源的利用率下降，導(dǎo)致出水COD濃度略微增大.

3 結(jié)論

（1）C/N在4～12時(shí)，分段進(jìn)水多級(jí)A/O耦合MBR組合工藝對(duì)以及COD污染物的去除效果穩(wěn)定，均優(yōu)于GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

（2）該組合工藝的污水處理能力具有達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類(lèi)水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的潛力，通過(guò)進(jìn)一步工況優(yōu)化，能夠滿(mǎn)足下一輪污水處理廠提標(biāo)改造的要求.

（3）當(dāng)原水 C/N由8～12降至4～7后，工藝對(duì)TP的去除效果逐漸惡化，為了保證該組合工藝的除磷效果，可考慮輔以化學(xué)除磷的方式，優(yōu)化出水，以其滿(mǎn)足一級(jí)A出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).