基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的A2/O工藝脫氮效果診斷及響應(yīng)面法參數(shù)優(yōu)化

包文婷，董文明，王維紅，肖飛，張維

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

A2/O工藝作為同步脫氮除磷工藝，具有厭氧、缺氧、好氧三功能區(qū)分區(qū)設(shè)置、交替運(yùn)行的特點(diǎn)，可人為控制三段的水力停留時(shí)間及運(yùn)行參數(shù)[1]，滿足不同微生物菌群的生存、反應(yīng)條件，達(dá)到較好的脫氮除磷效果[2]。本研究基于新疆某污水處理廠的提標(biāo)改造A2/O工藝，生活污水與工業(yè)廢水的占比分別是70%和30%，因進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)較大，使實(shí)際處理負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)工況，TN去除率偏低且不穩(wěn)定，影響出水水質(zhì)[3]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)污水廠進(jìn)出水水質(zhì)、微生物活性、污泥齡、溶解氧大小、回流比等控制因素的相關(guān)性分析，再利用響應(yīng)面法給出優(yōu)化調(diào)控策略，以期挖掘A2/O工藝脫氮除磷潛質(zhì)。

1 污水處理廠概況

1.1 工程概況

該污水處理廠一期工程采用水解酸化+改進(jìn)SBR工藝，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。根據(jù)環(huán)保要求，對(duì)一期工程進(jìn)行了提標(biāo)改造，提標(biāo)采用工藝為“預(yù)處理+A2/O池+二沉池+反硝化生物濾池+高密沉淀池+接觸消毒池”，出水水質(zhì)要求達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工藝流程

提標(biāo)工藝設(shè)計(jì)主要是在原先水解酸化+改進(jìn)SBR池基礎(chǔ)上，改造擴(kuò)建為厭氧-缺氧-好氧池，其中厭氧池、缺氧池設(shè)有機(jī)械攪拌裝置，好氧池底部設(shè)有曝氣盤(pán)曝氣。在二沉池后新增設(shè)了反硝化深度濾床，填充石英砂濾料，投入乙酸鈉為碳源。高效沉淀池中投入混凝劑聚合氯化鋁(PAC)及絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)。提標(biāo)改造后工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment plant

1.3 進(jìn)、出水水質(zhì)

該廠設(shè)計(jì)與實(shí)際進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)與實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)Table 1 Design of inlet and outlet water quality and actual operation indexes of sewage treatment plant

1.4 分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)水C/N對(duì)TN去除效果影響

由圖2可知，進(jìn)水碳氮比(C/N)在2月變化較大，于2～10之間波動(dòng)，分布比例為：2～4之間占28%，4～7占59%，7～10占13%，平均為5；3月C/N相對(duì)穩(wěn)定，2～4之間占61%，4～7占26%，7～8占13%，平均為4。處于改造項(xiàng)目試運(yùn)行階段，進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定。在2月7日及13日2 d，去除率僅為42.46%，44.26%，出水TN濃度33.12 mg/L，21.34 mg/L。但由圖2可知，當(dāng)進(jìn)水C/N增大或者減小時(shí)，TN的去除率并未呈現(xiàn)出很大的關(guān)聯(lián)性，與大多數(shù)研究結(jié)果不同：TN的去除率會(huì)隨著進(jìn)水C/N的值升高而升高[6]。且2、3月C/N平均值接近，均大于4。分析認(rèn)為，該污水處理廠進(jìn)水碳源較為充足，已滿足大多時(shí)段脫氮所需要求，進(jìn)水C/N不是該廠脫氮的主要影響因素。

圖2 C/N與TN去除率Fig.2 C/N and TN removal rate

2.2 微生物活性對(duì)TN去除效果影響

活性污泥微生物是活性污泥法處理系統(tǒng)的“中央處理器”。對(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō)，在混合液內(nèi)保持一定數(shù)量的活性污泥微生物是維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要因素。而工業(yè)廢水作為污水廠沖擊負(fù)荷的重要來(lái)源，具有污染物成分復(fù)雜，且難降解物質(zhì)及有毒物質(zhì)多的特性，會(huì)對(duì)活性污泥微生物的活性產(chǎn)生一定的抑制影響。使得活性污泥失活，對(duì)污染物的去除效率降低，影響出水水質(zhì)。

2.2.1 混合液懸浮固體濃度(MLSS)對(duì)TN去除效果影響 該廠2、3月的混合液懸浮固體濃度(MLSS)范圍分別在1 700～4 500 mg/L、3 480～5 700 mg/L。分布比例分別為：1 700～3 500 mg/L之間占59%，10%；3 500～4 500 mg/L占41%，25%；4 500～5 700 mg/L占0，65%，平均為2 842 ，4 781 mg/L。

由圖3可知，MLSS與出水TN濃度有著鮮明的反相關(guān)關(guān)系。即隨著MLSS的增大，出水TN濃度逐漸減小。2月低MLSS條件下，系統(tǒng)出水TN濃度范圍在8.90～44.63 mg/L，平均23.85 mg/L，出水TN濃度大于15 mg/L占83%；3月高M(jìn)LSS條件下，出水TN濃度在1.13～17.38 mg/L，平均6.59 mg/L，出水TN達(dá)標(biāo)率高達(dá)94%。分析認(rèn)為，缺氧階段可有效利用的總碳源量(包括外碳源和部分儲(chǔ)存在微生物體內(nèi)在厭氧區(qū)被轉(zhuǎn)化為聚-β-羥基鏈烷酸酯(PHAs)的內(nèi)源碳)及缺氧區(qū)的硝態(tài)氮量會(huì)制約A2/O工藝脫氮。理論上，提高M(jìn)LSS可降低污泥負(fù)荷，緩沖工業(yè)廢水占比較大造成的污泥失活現(xiàn)象，同時(shí)增加了利用內(nèi)源碳進(jìn)行反硝化脫氮的細(xì)菌數(shù)量。隨著泥齡的延長(zhǎng)，這部分細(xì)菌逐漸生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)菌種，使得出水TN濃度穩(wěn)定維持在達(dá)標(biāo)范圍。

圖3 MLSS、出水TP與出水TN關(guān)系Fig.3 Relationship between MLSS，effluent TP and effluent TN

SVI值能夠反映活性污泥的絮凝、沉降性能。經(jīng)計(jì)算，2月SVI值介于67.3～83.3 mL/g之間，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，污泥細(xì)碎，顏色發(fā)黑，顯示活性不好；而3月SVI值介于80～97.7 mL/g之間，污泥呈絮狀、褐色，活性良好。這說(shuō)明2月曝氣池中混合液濃度低，污泥處于不成熟期，沉淀性能差、微生物不活躍，未能培育出大量的自養(yǎng)硝化菌，從而造成出水TN不達(dá)標(biāo)。3月出水TN濃度低，脫氮效果好，原因在于3月污泥濃度高，污泥TN負(fù)荷率0.018 kg TN/(kg MLSS·d)低于2月0.028 kg TN/(kg MLSS·d)。表明A2/O工藝在提高M(jìn)LSS并穩(wěn)定運(yùn)行后，可達(dá)到高效脫氮。

2.2.2 混合液懸浮固體濃度(MLSS)對(duì)TP去除效果影響 一般認(rèn)為，生物除磷的過(guò)程是聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下吸收磷，最終將水中的磷轉(zhuǎn)入污泥體中，通過(guò)排放剩余污泥將磷從水中去除的。

由圖3可知，2月生物除磷總體效果優(yōu)于3月：2月在進(jìn)水TP濃度(均值6.68 mg/L)略高于3月(均值5.88 mg/L)的情形下，反而出水TP濃度更低，去除率更高(2、3月TP去除率均值分別為97.96%，95.22%；達(dá)標(biāo)率100%，87%)。由于2月較低MLSS條件下，細(xì)菌世代周期短(污泥齡(SRT)均值8.3 d)，系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥量多，使得除磷效果較3月(污泥齡(SRT)均值10.7 d)輕微提升，但后者整體上仍能滿足設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樵谌毖醵畏聪趸愷B(yǎng)菌和反硝化聚磷菌都會(huì)以硝酸鹽為電子受體，爭(zhēng)奪碳源，完成各自的脫氮或除磷任務(wù)。2月污泥齡較短，致使硝化菌來(lái)不及生長(zhǎng)，流失率大于增殖率。與此同時(shí)，世代周期短的聚磷菌(PAOs)占了上風(fēng)，得以高效完成除磷過(guò)程。這也提示，調(diào)節(jié)混合液回流中的硝酸鹽含量可以平衡這兩種細(xì)菌的分工合作，強(qiáng)化脫氮除磷。

綜上分析，2月MLSS較低，需要采取延長(zhǎng)污泥齡、提高污泥回流比等措施加以提高。

2.2.2.1 延長(zhǎng)污泥齡(SRT)

(1)

2月曝氣池每日平均進(jìn)水量14 906 m3，污泥混合液濃度X=2 842 mg/L，剩余污泥濃度Xw=15 845 mg/L，每天排放剩余污泥量Qw=324 m3/d，得出Vc=8.3 d。剩余污泥濃度及排放的剩余污泥量較高，導(dǎo)致SRT較短，小于10 d。而硝化菌作為自養(yǎng)性好氧細(xì)菌，繁殖速度慢，一般SRT需要10～20 d，此種情況下，好氧池中的硝化菌不能富集成為優(yōu)勢(shì)菌種，硝化反應(yīng)不徹底。

工藝調(diào)控應(yīng)減少剩余污泥排放量，延長(zhǎng)SRT，使硝化菌在曝氣池中大量繁衍成為優(yōu)勢(shì)種屬?？刂芐RT不小于10 d，則剩余污泥排放量最少需要減至267 m3/d。如此運(yùn)行，將加快活性污泥在曝氣池中的指數(shù)增長(zhǎng)，提高污泥活性及沉降性能。

2.2.2.2 提高污泥回流比(R) 每日從二沉池回流的剩余污泥可增加曝氣池的污泥濃度及活性。污泥回流比(R)過(guò)大，攜帶的溶解氧(DO)會(huì)給缺氧反硝化單元帶來(lái)負(fù)擔(dān)；R太小，二沉池中的活性污泥停留時(shí)間太長(zhǎng)，又容易發(fā)生反硝化導(dǎo)致污泥上浮。合適的R，可增加曝氣池的污泥濃度，利于好氧反應(yīng)進(jìn)行。2、3月R分別為22%，53%。從沉淀、出水，觀察3月未發(fā)現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象，說(shuō)明R較為合適。由此，應(yīng)提高R至50%～60%，逐步增加曝氣池中MLSS，后保持其在3 500～5 500 mg/L，可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.3 好/缺氧區(qū)溶解氧(DO)對(duì)TN去除效果影響

溶解氧(DO)是廢水中有機(jī)物去除以及硝化作用進(jìn)行的重要調(diào)控因素，控制DO在合適的范圍是系統(tǒng)脫氮的關(guān)鍵。DO過(guò)低不利于有機(jī)物的傳質(zhì)，即曝氣池內(nèi)微生物、有機(jī)質(zhì)和DO混合均勻；DO過(guò)高則會(huì)破壞缺氧、厭氧環(huán)境，使反硝化作用受到限制[7]。

2.3.1 好/缺氧區(qū)DO對(duì)TN去除效果影響 由 圖4a可知，2、3月好氧區(qū)DO濃度分別為3.2～5.1 mg/L 和3.1～4.7 mg/L，平均濃度分別達(dá)到4.5 mg/L和4 mg/L。2、3月缺氧區(qū)DO濃度為0～2.5 mg/L，0～0.8 mg/L，平均0.6 mg/L，0.1 mg/L。2月DO濃度普遍較高，但DO最大為5.1 mg/L時(shí)，出水TN濃度為44.54 mg/L，去除率僅69.28%，并不達(dá)標(biāo)。反觀3月較小的DO為3.2 mg/L時(shí)，出水TN濃度為2.94 mg/L，去除率高達(dá)96.92%，達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。好、缺氧區(qū)DO與出水TN濃度有著鮮明的相關(guān)關(guān)系。

(2)

圖4 好/缺氧區(qū)DO與TN及系統(tǒng)其它去除率Fig.4 Removal rate of TN with DO in aerobic and anoxic zone and other removal rates of the systema.TN去除率；b.系統(tǒng)其它去除率

2.3.2 調(diào)控建議 適當(dāng)?shù)亟档秃醚鯀^(qū)DO濃度，可以減少好氧區(qū)異養(yǎng)菌氧化碳源，避免有機(jī)物過(guò)度氧化，同時(shí)為反硝化過(guò)程提供電子供體，降低額外投加碳源的成本，一定程度上提高了TN的去除效果[8]。侯榮榮等在研究不同DO對(duì)脫氮的影響時(shí)也得出相同結(jié)論，發(fā)現(xiàn)DO在3.5～4.0 mg/L比在4.0～4.5 mg/L TN去除性能好[7]。

2.4 除磷系統(tǒng)對(duì)TN去除效果影響

2月進(jìn)水TP均值6.68 mg/L，TP去除率97.96%，出水TN均值23.85 mg/L；3月進(jìn)水TP均值 5.88 mg/L，TP去除率95.22%，出水TN均值 6.59 mg/L。進(jìn)水TP與出水TN變化有一定聯(lián)系。如上所述，在缺氧階段PAOs與硝化菌會(huì)競(jìng)爭(zhēng)碳源，影響反硝化脫氮。另有研究表明，在強(qiáng)化生物除磷(EBPR)系統(tǒng)中存在一種與聚磷菌(PAOs)代謝過(guò)程相近的細(xì)菌-聚糖菌(GAOs)[10]。部分觀點(diǎn)認(rèn)為，此種菌在EBPR系統(tǒng)中大量分布但對(duì)除磷效果不明顯，且GAOs會(huì)同PAOs在厭氧段對(duì)碳源進(jìn)行爭(zhēng)奪，致使除磷效果變差[11]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GAOs分支中存在部分具有反硝化功能的細(xì)菌——反硝化聚糖菌(DGAOs)。該種細(xì)菌可以在厭氧階段攝取碳源，缺氧階段以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體反硝化脫氮。

研究發(fā)現(xiàn)，較高的C/P利于DGAOs的生長(zhǎng)，正常情況下需要C/P≥50。此外，pH對(duì)脫氮除磷有著至關(guān)重要的作用，通過(guò)影響生化反應(yīng)中酶的活性從而影響對(duì)氮、磷的去除。Gang等[12]通過(guò)系列間歇實(shí)驗(yàn)研究pH(6.5～8.5)對(duì)厭氧代謝的影響，發(fā)現(xiàn)較高的pH(7.5～8.5)有利于對(duì)磷的去除。Filipe等[13]通過(guò)建立GAOs在厭氧條件下攝取乙酸的代謝模型，實(shí)驗(yàn)得出pH在6.5～7.0比在7.5～8.5時(shí)更易發(fā)生糖原降解以及乙酸吸收。這說(shuō)明，較低的pH(至少≤7.5)時(shí)，在EBPR系統(tǒng)中DGAOs較PAOs更有利于對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，Whang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，將SRT從3 d增加到5 d時(shí)，GAOs的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)。因此，適當(dāng)提高SRT可以使GAOs較PAOs對(duì)碳源更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該污水處理廠2、3月C/P均值都為50，SRT為8.3，10.7 d。2月進(jìn)水pH為7.42～7.61，均值7.51；3月進(jìn)水pH為6.09～7.62，均值7.23。發(fā)現(xiàn)3月運(yùn)行參數(shù)滿足DGAOs富集條件，推測(cè)3月生化反應(yīng)池中pH及SRT等有利條件使得存在于(EBPR)系統(tǒng)中的DGAOs成為優(yōu)勢(shì)菌種，利于反硝化過(guò)程中脫氮，但這后續(xù)還要進(jìn)一步跟蹤檢測(cè)。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析及響應(yīng)面優(yōu)化出水TN

2.5.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 經(jīng)上分析，出水TN濃度受到微生物活性、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境條件等多因素及其之間的交互影響，現(xiàn)通過(guò)SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析進(jìn)一步檢驗(yàn)確定主要影響因子。經(jīng)K-S檢驗(yàn)，出水TN不服從正態(tài)分布，因此采用Spearman系數(shù)計(jì)算相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 出水TN與其他參數(shù)之間的相關(guān)性(Spearman系數(shù))Table 2 The correlation between outlet TN and other parameters(Spearman coefficient)

表2對(duì)出水TN分析結(jié)果證實(shí)了以上分析找出的2月出水TN異常原因，與MLSS、SVI、SRT、R、進(jìn)出水TP、pH、好/缺氧區(qū)DO、r相關(guān)度高。因此，以上因素分析是可信的。

2.5.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化 結(jié)合上述因素分析，選取出水TN為響應(yīng)值，MLSS、SVI、SRT、R、pH、好/缺氧區(qū)DO、r為影響因素。采用Design Expert 12軟件中Box-Behnken模型進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)并優(yōu)化參數(shù)[15]。模型方差分析見(jiàn)表3。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance results

3 結(jié)論

(1)由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，該污水處理廠2月出水TN不達(dá)標(biāo)原因?yàn)槲⑸锘钚圆粔?、污泥齡短、污泥回流比較小、進(jìn)水pH偏高，好氧區(qū)DO濃度較高，且混合液回流比大，有機(jī)物過(guò)度氧化，硝化液中夾帶過(guò)多溶解氧，回流至缺氧池，使得氧分子代替硝態(tài)氮競(jìng)爭(zhēng)碳源，影響反硝化菌生長(zhǎng)繁殖，抑制反硝化脫氮。

(2)優(yōu)化的脫氮最佳工藝條件為：MLSS 3 266～5 405 mg/L，SVI 69.8～97.7 mL/g，SRT 10.4～19.3 d，R 40%～60%，pH 7～7.5，好氧區(qū)DO 3.2～4.1 mg/L，缺氧區(qū)DO 0～0.6 mg/L，r 175%～200%。在此最優(yōu)條件下，出水TN濃度為1.04～14.98 mg/L。