HRT對(duì)A/O工藝生化處理低磷污水的影響

陳正洋，羅 迪

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

磷是自然界生命體維持正常生命的基本元素，磷作為營(yíng)養(yǎng)源，不同生命體對(duì)廢水中磷的攝取量是不相同的，每一菌種對(duì)其攝取的濃度都有最適范圍，超出或低于這一范圍該生物的生長(zhǎng)及生理性能會(huì)受到或多或少的影響或抑制[1]。2000年，丁峰等[2-8]通過(guò)石油化工廢水缺乏氮、磷的試驗(yàn)，首次證明進(jìn)水底物中缺少N、P將會(huì)引起絲狀菌污泥膨脹，同時(shí)通常伴隨著底物去除率的下降。然而在后續(xù)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然在單獨(dú)磷缺乏的狀態(tài)下，活性污泥系統(tǒng)容易發(fā)生非絲狀菌膨脹，但是在多數(shù)情況下此類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏引起的污泥膨脹可通過(guò)添加足夠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)恢復(fù)和控制，適當(dāng)提高有機(jī)負(fù)荷有助于控制N、P缺乏引起的污泥膨脹。王建芳等[3]發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高BOD5/P比，同時(shí)增加曝氣量的方式，可以改善污泥的沉降性能。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，微生物正常生命活動(dòng)最佳營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例為C/N/P為100 : 5 : 1，在實(shí)際污水中，磷富余的情況比較常見(jiàn)，眾多學(xué)者對(duì)C/P小于100 : 1的情況研究的比較多。2011年，Xiao等[7]報(bào)道了在恒定的C/N比條件下，TN去除效率會(huì)隨著進(jìn)水中磷濃度的降低而降低。低磷濃度對(duì)NH4+-N和總氮的去除效率有著明顯的負(fù)面影響，甚至導(dǎo)致污泥膨脹。

在現(xiàn)有的研究中，已經(jīng)探究過(guò)的最低的C/P為1000 : 1[1-2,4,7]，沒(méi)有嘗試對(duì)更低磷濃度的探究。因此嘗試通過(guò)試驗(yàn)在極低的BOD5/P條件下，探究水利停留時(shí)間對(duì)缺氧-好氧工藝的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR），采用缺氧-好氧運(yùn)行方式。反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，高1m，內(nèi)徑0.14m，側(cè)壁垂直方向每隔0.1m設(shè)定排水口。裝置底部為圓弧形并裝有閥門(mén)，便于定期排泥。同時(shí)，底部裝有微孔曝氣盤(pán)，采用空氣泵對(duì)系統(tǒng)提供曝氣氣體來(lái)保證曝氣階段的進(jìn)行，空氣管路上設(shè)有流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量的大小。裝置內(nèi)部設(shè)有攪拌器及加熱裝置，機(jī)械攪拌速率為60r/min以保證缺氧階段活性污泥能夠混合均勻。通過(guò)原水水箱內(nèi)裝有連接時(shí)控開(kāi)關(guān)的潛水泵自動(dòng)給反應(yīng)器進(jìn)水。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)用水采用人工模擬污水。模擬污水水質(zhì)pH值 7.2～8.0，COD 320mg/L左右 ，氨氮20mg/L左右，TP 0.056mg/L輔以微量元素液。用葡萄糖提供碳源，NH4Cl提供氮源，KH2PO4提供P源，MgSO4和CaCl2提供對(duì)鈣、鎂離子的需求，NaHCO3提供水中所需堿度。模擬污水水質(zhì)如表1

表1 模擬污水成分及水質(zhì)參數(shù)

1.3 檢測(cè)分析方法

COD：快速密閉消解法（光度法）；NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；pH值：玻璃電極法；SV：30min靜沉法；MLSS/MLVSS：標(biāo)準(zhǔn)重量法。TP ：過(guò)硫酸鉀氧化-銻抗分光光度法；

1.4 試驗(yàn)方法

缺氧-好氧反應(yīng)器使用時(shí)控開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制完成進(jìn)水、攪拌、曝氣及排水過(guò)程，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器自動(dòng)運(yùn)行。反應(yīng)器每天運(yùn)行三個(gè)周期，每周期運(yùn)行8h。每周期包括10min進(jìn)水，2h缺氧攪拌，4h好氧曝氣，1h沉淀，10min排水及閑置1h，六個(gè)階段。每周期進(jìn)水及排水均為3L，水力停留時(shí)間（HRT）為32h。污泥濃度穩(wěn)定在4000mg/L左右。溫度20～25℃，溶解氧5mg/L左右。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)COD的去除效果

圖1為反應(yīng)器一個(gè)周期內(nèi)COD的濃度變化。COD進(jìn)水濃度為320mg/L左右，經(jīng)過(guò)水泵定時(shí)給反應(yīng)器補(bǔ)充水量。污水進(jìn)入到反應(yīng)器里面跟未排放的水混合，進(jìn)水COD被稀釋，COD從320mg/L降低到126.63mg/L左右。反應(yīng)周期前2h為缺氧階段，在反硝化作用下碳源被快速消耗，1h以后COD降低到了58.17mg/L，缺氧階段結(jié)束以后COD含量已經(jīng)小于50mg/L，降低到34.20mg/L。隨后在好氧階段，COD緩慢的降低，反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)COD含量為16.07mg/L，COD去除率達(dá)到了94.97%。這說(shuō)明在HRT為32 h，P/COD為1：5000的條件下缺氧-好氧運(yùn)行方式對(duì)COD有很好的去除效果，出水COD達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)水磷缺乏狀態(tài)下，活性污泥系統(tǒng)去除COD的能力并未受到明顯的影響，這與于振波等[6]的研究結(jié)果相一致。

圖1 COD周期內(nèi)變化情況

在HRT為32h，P/COD為1：5000的條件下，反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度在290～320mg/L之間，出水COD 濃度雖然有微小的起伏，也是基本穩(wěn)定在18mg/L左右，COD去除率都達(dá)到了92%以上。肖靜等[4]在P/COD分別為1：500、1：250、1：156，HRT 等于 7h的情況下反應(yīng)器COD的出水濃度分別為70.86mg/L，40.47mg/L，14.81mg/L。張靜雅等[5]在HRT為8.5 h，其中缺氧段停留時(shí)間為5h，好氧段停留時(shí)間為3.5 h時(shí)，出水COD基本穩(wěn)定，出水小于30mg/L，去除率達(dá)到86%。相比之下，反應(yīng)器在磷濃度極低，HRT 為32h的條件下COD也能幾乎完全去除。這說(shuō)明反應(yīng)器COD中是比較容易被去除的，消耗COD的途徑比較多是一個(gè)原因，還有反硝化比迅速，一般在2h之內(nèi)就能完成全過(guò)程，所以在缺氧時(shí)間為2h時(shí)，碳源的消耗的比較完全的。

圖2 HRT =32h時(shí)COD進(jìn)水、出水變化情況

圖3 氨氮周期內(nèi)變化情況

在反應(yīng)周期前2h為缺氧階段，反應(yīng)器內(nèi)主要進(jìn)行反硝化反應(yīng)，此時(shí)消耗了碳源，而氮源的消耗很少。2h以后主要發(fā)生硝化反應(yīng)，隨著曝氣時(shí)間的增加，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量增大，氮源的消耗速率也逐漸增加。通常情況下，在C/N比一定的情況下，TN的去除會(huì)隨著磷濃度的下降而降低。通常低碳水平對(duì)氨氮的去除幾乎沒(méi)有影響，低磷濃度對(duì)氨氮和TN的去除效率有明顯的負(fù)面影響，甚至導(dǎo)致污泥膨脹[7]。如圖4所示，反應(yīng)器在HRT為32h的條件下一共運(yùn)行了19d。反應(yīng)器進(jìn)水氨氮濃度大概19～21mg/L之間，出水氨氮濃度一直都保持在5mg/L以下。達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。第2天出水氨氮濃度為0.46mg/L，之后的氨氮濃度都低于0.3mg/L，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮積累量分別有5.86mg/L和0.059mg/L，存在有少量的硝酸鹽積累。而且在運(yùn)行期間并未出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象。此結(jié)果出現(xiàn)的原因有可能是較高的溶解氧含量加速了硝化作用的進(jìn)行，使亞硝化菌和硝化菌在短時(shí)間內(nèi)就能夠把氨態(tài)氮轉(zhuǎn)變成硝酸鹽。還有一個(gè)可能的原因是氮負(fù)荷太低，試驗(yàn)周期內(nèi)氮的容積負(fù)荷（Nv）在15.45(KgN/m3·d)，較低的氮負(fù)荷能夠被活性污泥內(nèi)豐富的菌種快速的消耗殆盡。在磷濃度極低的條件下，反應(yīng)器出水中仍然能夠檢測(cè)到極少的磷，進(jìn)水磷濃度為0.056mg/L，出水磷濃度0.0013mg/L。說(shuō)明仍然有剩余的極少量的磷存在污水中。據(jù)此猜測(cè)活性污泥的必需磷（生命活動(dòng)所必需的的磷）含量是極少的，活性污泥中的磷循環(huán)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，死去的細(xì)菌中分解出來(lái)的磷和重新外加的磷足夠供給活細(xì)菌的生命活動(dòng)，以此使反應(yīng)器中的磷含量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的水平。

圖4 HRT=32時(shí)氨氮進(jìn)水、出水變化

2.3 微生物以及污泥性狀

圖5 污泥濃度、SV和SVI值情況

試驗(yàn)期間一直保持著對(duì)污泥濃度的檢測(cè)，由圖5可以看出污泥濃度一直保持在4000mg/L左右。試驗(yàn)期間活性污泥的沉降性非常好，試驗(yàn)期間并未發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，這與王建芳[3]等的研究成果相似，30min沉降SV值在11mL左右，而且沉降非常迅速。SVI值在25左右，低于正常的SVI范圍。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象可能是由于曝氣量很足，導(dǎo)致污泥比較松散，污泥的粒徑比較小的原因。但是并沒(méi)有影響出水效果，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的馴化，活性污泥內(nèi)存在鐘蟲(chóng)，輪蟲(chóng)等以及甲殼類的小動(dòng)物，說(shuō)明活性污泥對(duì)污水的處理效果良好。

圖6 物種豐度餅圖2D圖

由圖6所示，A/O工藝的活性污泥系統(tǒng)中按family（科）水平物種豐度及占比為：Aeromonadaceae（氣單胞菌科7.5%）、Saprospiraceae（腐螺旋菌科7.07%）Phyllobacteriaceae（葉桿菌科5.01%）、Planctomycetaceae（浮霉?fàn)罹?.18%）Burkholderiales_incertae_sedis（3.37%）、Acetobacteraceae（醋酸菌科3.04%）、Chitinophagaceae（3.07%）等。

其中Aeromonadaceae（氣單胞菌科）為需氧或兼性厭氧菌，能夠發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸。Phyllobacteriaceae（葉桿菌科）好氧微生物化能異養(yǎng)菌，利用各種糖或有機(jī)酸鹽作為碳源。Acetobacteraceae（醋酸菌科）好氧微生物在氧氣充足，糖源充足時(shí)，可以直接將葡萄糖分解成醋酸。

3 結(jié)論

（1）在較高水力停留時(shí)間以及低磷的情況下，反應(yīng)器進(jìn)水COD為320mg/L左右，進(jìn)水NH4

+-N濃度20.65mg/L左右。活性污泥對(duì)COD，氨氮的去除基本不受低磷濃度的影響，出水COD的濃度為18.07mg/L、去除率為92%。反應(yīng)器出水NH4+-N濃度為0.31mg/L，去除率98.47%，污水的處理效果非常好。

（2）在磷濃度極低，較高溶解氧的條件下，活性污泥沉降性非常好，30min沉降值為11左右，SVI值25左右，低于正常水平70～150?；钚晕勰嘣谶\(yùn)行期間不發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，活性污泥內(nèi)存在鐘蟲(chóng)，輪蟲(chóng)等以及甲殼類的小動(dòng)物，說(shuō)明活性污泥對(duì)污水的處理效果良好。

（3）污水中磷的質(zhì)量濃度對(duì)COD的去除基本沒(méi)有影響，在低負(fù)荷的條件下，磷的質(zhì)量濃度對(duì)氨氮的去除影響也不大。