一種改良A2/O-MBR脫氮除磷性能的試驗(yàn)研究

伍健伯，馮 寧

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

A2/O作為最簡單的同步脫氮除磷工藝，有著HRT段，污泥不易膨脹，運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)[1]。但受限于反硝化菌和聚磷菌存在碳源競爭，其脫氮除磷效果很難進(jìn)一步提高[2]，使得出水品質(zhì)難以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)。A2/O-MBR組合工藝的出現(xiàn)為A2/O工藝的發(fā)展提供了新的方向，用膜組件替代傳統(tǒng)工藝的二沉池實(shí)現(xiàn)固液分離[3]，可以將游離細(xì)菌和有機(jī)大分子物質(zhì)截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，提高懸浮污染物的去除率。但膜污染問題導(dǎo)致組合工藝無法普及[4]。試驗(yàn)針對以上問題，筆者通過前人研究，對A2/O-MBR組合工藝進(jìn)行改造，分析新系統(tǒng)對模擬污水的脫氮除磷性能，為工藝的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

反應(yīng)器與傳統(tǒng)A2/O工藝不同，首先將缺氧池與厭氧池互置，組成倒置A2/O。同時污泥回流系統(tǒng)改成缺氧池與厭氧池分別回流，進(jìn)水方式也變成缺氧池、厭氧池同時進(jìn)水。反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，有效容積20L。裝置的進(jìn)水、出水和回流都采用蠕動泵進(jìn)行控制。改造的A2/O與膜生物反應(yīng)器采用一體化設(shè)置，通過膜片抽吸出水，膜裝置運(yùn)行8min，停歇2min，好氧池底部污泥回流到缺氧池，完成污泥循環(huán)；好氧池內(nèi)上清液回流到缺氧池，完成硝化液循環(huán)；定期對好氧池內(nèi)的污泥進(jìn)行排泥操作，達(dá)到磷的去除。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中用到的接種污泥取自沈陽滿堂河污水處理廠二沉池的回流污泥。反應(yīng)器進(jìn)水采用人工模擬配水，以葡萄糖為唯一碳源，氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，使進(jìn)水COD維持在400 mg/L左右，進(jìn)水氨氮濃度在45 mg/L左右，進(jìn)水總磷濃度在4.2 mg/L左右。并按照0.3 mL/L的比例添加微量元素，為菌種生存、增殖提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素，營養(yǎng)液組成見表1。

表1 倒置A2/O-MBR組合反應(yīng)器微量元素營養(yǎng)液組成

1.3 分析方法

COD采用快速密閉催化消解法測定；NH+-N采用納氏試劑分光光度法測定；4-N采用紫外分光光度法測定；-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定；TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；pH值由便攜式pH儀測定。

1.4 試驗(yàn)方法

控制污水進(jìn)水流量為1.5 L/h，pH值為7.2～8.0，水力停留時間為12h，好氧池溶解氧濃度為2mg/L左右，污泥回流比為50%，硝化液回流比為200%，污泥齡控制在15d，溫度控制在20～30℃條件下，對改進(jìn)倒置A2/O-MBR反應(yīng)器的啟動及對生活污水的去除效果分析，每天測定進(jìn)出水的COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP濃度，當(dāng)出水中各項(xiàng)指標(biāo)基本保持不變并且達(dá)到較高去除率時，說明反應(yīng)器內(nèi)各種微生物基本培養(yǎng)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果及分析

試驗(yàn)裝置內(nèi)污泥馴化周期為25d，污泥馴化結(jié)束之后裝置又連續(xù)運(yùn)行10d，整個裝置對有機(jī)物的去除效果如圖2所示。

圖2 COD的去除效果

從圖2可以看出，在污泥馴化周期內(nèi)，出水中COD濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定運(yùn)行周期內(nèi)，改進(jìn)組合系統(tǒng)對COD一直保持一個較好的去除效果。具體分析來看，在35d的運(yùn)行天數(shù)內(nèi)，進(jìn)水COD濃度在400 mg·L-1范圍內(nèi)小幅浮動，最高進(jìn)水COD濃度為418 mg·L-1，最低進(jìn)水COD濃度為378 mg·L-1，出水COD濃度在第16天以后一直維持在50 mg·L-1以下，去除率基本維持在90%以上。在反應(yīng)進(jìn)行的前16d，出水COD濃度一直在下降，去除率也逐漸升高，這是由于在反應(yīng)初期，反應(yīng)器內(nèi)各種微生物逐漸生成，對有機(jī)物的消耗較少，導(dǎo)致最初出水COD濃度較高；在第16天以后，雖然進(jìn)水COD濃度有所波動，在400 mg·L-1左右，但是出水COD濃度基本穩(wěn)定，并維持在50 mg·L-1以下，反應(yīng)器內(nèi)微生物對有機(jī)物的利用逐漸增加，反應(yīng)器內(nèi)微生物逐漸成熟并達(dá)到一定的數(shù)量，同時體現(xiàn)反應(yīng)器具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力[5]。

另外在圖2中發(fā)現(xiàn)，出水COD濃度在后10d穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)內(nèi)波動范圍不是很大基本保持穩(wěn)定，由此可以看出該工藝對有機(jī)物的去除效果較好，出水COD濃度低于傳統(tǒng)的污水處理工藝，這是由于膜生物反應(yīng)器內(nèi)可以使HRT與污泥齡分開控制成為可能，而且在抗有機(jī)物負(fù)荷沖擊方面膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥法相比也具有根本性的優(yōu)勢。反應(yīng)器內(nèi)的大顆粒物質(zhì)被膜截流在反應(yīng)器內(nèi)之后，相比于傳統(tǒng)活性污泥法膜生物反應(yīng)器可以獲得更多的與微生物接觸的時間，增加了污染物被吸收的機(jī)率，提高了有機(jī)物的去除率[6]。

2.2 脫氮效果及分析

亞硝酸菌和硝酸菌是化能自養(yǎng)菌，革蘭氏染色陰性，無芽孢短桿狀細(xì)菌，為嚴(yán)格好氧的專性化能自養(yǎng)菌。二者的不同之處在于亞硝酸菌能利用氨作為能源，而硝酸菌只能利用亞硝酸鹽作為能源[7]。硝化細(xì)菌世代時間長，生長速度遠(yuǎn)低于異養(yǎng)菌，因此硝化反應(yīng)的啟動馴化時間長，需要足夠的泥齡。在試驗(yàn)中，由于膜的截流作用使得世代時間較長的硝化細(xì)菌得以大量繁殖，保證了硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行。試驗(yàn)對氨氮的去除效果見圖3所示。

圖3 . 反應(yīng)器脫氮效果圖

從圖3可以看出，在前25d的污泥馴化周期內(nèi)，試驗(yàn)裝置的運(yùn)行效果雖然在開始的時候波動幅度有點(diǎn)大，但是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行效果逐漸變好并趨于穩(wěn)定。進(jìn)水氨氮濃度在運(yùn)行天數(shù)內(nèi)變化幅度不是很大，基本保持在45 mg·L-1左右，最高進(jìn)水氨氮濃度46.05 mg·L-1，最低進(jìn)水氨氮濃度43.10 mg·L-1；氨氮出水濃度在污泥馴化初期波動較大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，出水中氨氮濃度降低并趨于穩(wěn)定，在前6天的運(yùn)行時間內(nèi)，最高氨氮出水濃度在17.48～30.14 mg·L-1范圍內(nèi)變化，平均出水濃度為24.05 mg·L-1，氨氮平均去除率僅為46.53%；在第6d以后出水中氨氮濃度迅速降低并趨于穩(wěn)定，氨氮出水濃度在0.90～5.17 mg·L-1內(nèi)變化，氨氮平均出水濃度2.03 mg·L-1，氨氮平均去除率為95.43%。在后10d的穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)內(nèi)，改進(jìn)組合系統(tǒng)一直保持對氨氮的較好處理效果，氨氮出水平均濃度為1.35 mg·L-1，平均去除率為97.00%。

進(jìn)水中不含有硝態(tài)氮，出水中的硝態(tài)氮是經(jīng)過亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化而來的，硝態(tài)氮在出水中含量變化曲線與氨氮變化曲線走勢不一樣，硝態(tài)氮變化曲線先上升再下降。在污泥馴化初期，系統(tǒng)內(nèi)微生物屬于一個生長的過程，硝化反應(yīng)不完全，前7天，出水硝態(tài)氮濃度逐漸增加，在第7天硝態(tài)氮濃度驟升，達(dá)到25.69 mg·L-1，說明系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌已經(jīng)成熟，對氨氮有一個較高的轉(zhuǎn)化；在第12天以后出水中硝態(tài)氮含量開始下降，說明系統(tǒng)內(nèi)反硝化細(xì)菌逐漸成熟，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?。在?0d穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)內(nèi)，出水硝態(tài)氮平均濃度8.35mg·L-1。

在馴化周期內(nèi)出水中TN濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，整體上TN濃度是下降的狀態(tài)，TN去除率也是逐漸上升并趨于穩(wěn)定，TN出水濃度在9.93～36.37 mg·L-1范圍內(nèi)變化，TN平均出水濃度為19.21mg·L-1，TN最高去除率為77.87%，TN最低去除率為20.09%。在后10d穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)內(nèi)TN平均出水濃度為9.70 mg·L-1，平均去除率為78.38%。

從以上的數(shù)據(jù)分析可以看出盡管進(jìn)水氨氮濃度在反應(yīng)天數(shù)內(nèi)有所波動，但是在穩(wěn)定運(yùn)行期間改進(jìn)倒置A2/O-MBR系統(tǒng)對氨氮和總氮的去除效果仍然較好，穩(wěn)定運(yùn)行期間氨氮和總氮最低出水濃度分別為1.08mg·L-1和9.15mg·L-1，氨氮和總氮平均出水濃度分別為1.35 mg·L-1和9.70 mg·L-1，氨氮和總氮最高去除率分別為97.58%和80.36%，氨氮和總氮平均去除率分別為97.00%和78.38%。反應(yīng)初期，反應(yīng)裝置的整體處理效果很差，這是由于裝置內(nèi)細(xì)菌的未適應(yīng)環(huán)境，氮的轉(zhuǎn)化過程受阻，出水效果不好[8]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，菌群結(jié)構(gòu)逐漸完整，菌群數(shù)量增加，對氮的去除效果也是逐漸上升并趨于穩(wěn)定，這說明裝置內(nèi)細(xì)菌培養(yǎng)完成并且裝置運(yùn)行穩(wěn)定，而且反應(yīng)器氨氮和總氮的出水濃度都達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 除磷效果及分析

采用改進(jìn)倒置A2/O-MBR組合系統(tǒng)進(jìn)行脫氮除磷，污水首先進(jìn)入缺氧區(qū)，在厭氧區(qū)進(jìn)行磷的釋放，釋放磷之后的聚磷菌直接進(jìn)入好氧區(qū)進(jìn)行磷的吸收，最后隨剩余污泥排出。該工藝的特點(diǎn)是倒置A2/O這種缺氧池-厭氧池-好氧池的這種布置，不僅可以降低回流硝化液對聚磷菌釋磷的影響，還可以使聚磷菌經(jīng)過缺氧段直接進(jìn)入好氧段，提高生化反應(yīng)效率[9]，聚磷菌在厭氧環(huán)境下釋磷得到的動力可以更充分的發(fā)揮，進(jìn)一步提高系統(tǒng)除磷能力。但是聚磷菌回流需要經(jīng)過缺氧池，對聚磷菌活性具有一定的抑制作用，影響整體裝置對磷的處理效果，所以試驗(yàn)中增設(shè)污泥回流，提高聚磷菌活性，提高除鱗效果。下面就反應(yīng)器運(yùn)行培養(yǎng)馴化階段對磷的去除效果進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 反應(yīng)器除磷效果圖

由圖4可以看出，改進(jìn)倒置A2/O-MBR組合系統(tǒng)對磷的處理效果在污泥馴化培養(yǎng)后期還是比較好的，出水中磷的濃度在0.5 mg·L-1左右，磷的去除率在85%左右，可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級B標(biāo)準(zhǔn)，部分運(yùn)行時間內(nèi)可以達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。從圖4可以看出，進(jìn)水總磷濃度在運(yùn)行天數(shù)內(nèi)波動頻繁，最高進(jìn)水總磷濃度在4.56mg·L-1，最低進(jìn)水總磷濃度在3.78mg·L-1，平均進(jìn)水總磷濃度為4.24mg·L-1；在污泥馴化培養(yǎng)初期，聚磷菌數(shù)量較少，對磷的去除效果很差，出水總磷最高濃度在1.88～2.78mg·L-1范圍內(nèi)變化，出水總磷平均濃度為2.20mg·L-1，出水總磷平均去除率為47.22%；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，聚磷菌逐漸生成，數(shù)量增加，對磷的去除效果逐漸變好，出水總磷平均濃度為0.66mg·L-1，出水總磷平均去除率為84.47%；在后10d穩(wěn)定運(yùn)行天數(shù)內(nèi)，反應(yīng)器出水總磷濃度升高，出水總磷最高濃度為1.12mg·L-1，出水總磷最低濃度為0.86mg·L-1，出水總磷平均濃度為0.94mg·L-1，出水總磷最高去除率為80.51%，出水總磷最低去除率為74.83%，出水總磷平均去除率為78.02%。

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，在污泥馴化后期，反應(yīng)器對磷的去除效果還是比較好的，最低出水濃度達(dá)到0.43mg·L-1，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，系統(tǒng)在整個運(yùn)行周期內(nèi)并沒有進(jìn)行排泥措施，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)磷的積累，因?yàn)樯锓ǔ字饕€是靠聚磷菌對磷的吸收，通過排泥達(dá)到對磷的去除，不排泥就會造成磷的積累，在后10d運(yùn)行期間，出水中總磷含量上升也是不排泥的原因造成的，采取排泥措施后，出水中總磷含量恢復(fù)正常水平，基本達(dá)到出水一級A的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）以A2O反應(yīng)池回流污泥作為接種污泥，歷經(jīng)15d成功啟動反應(yīng)器。改進(jìn)倒置A2/O-MBR穩(wěn)定運(yùn)行期間對各種污染物的出水濃度情況如下：COD、NH4+-N、TN和TP平均出水濃度分別為21.01 mg·L-1、1.35 mg·L-1、9.70 mg·L-1和 0.66 mg·L-1；平均去除率分別為94.76%、97.00%、78.38%和78.02%。

（2）膜組件放置于好氧池內(nèi)形成一體式膜生物反應(yīng)器，對整個反應(yīng)器的運(yùn)行起到較好的處理效果，膜組件自身也能夠?qū)ξ鬯械母黝愇廴疚镞_(dá)到一定的去除效果，同時膜組件的孔徑不允許大分子有機(jī)物質(zhì)通過，將污泥截留在好氧池內(nèi)，提高好氧池的污泥濃度，為世代時間較長的微生物生長提供空間。

（3）從試驗(yàn)啟動到裝置穩(wěn)定運(yùn)行，期間經(jīng)過初期反應(yīng)的波動之后，試驗(yàn)出水各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定，并滿足于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求。