倒置A2/O 工藝參數(shù)及沿程污染物解析

宋永蓮SONG Yong-lian

（安徽中環(huán)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆戏?30000）

0 引言

在國家環(huán)境保護總局頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）》中對污水的排放要求控制更加嚴格，將一級A標準中的TN 和TP 達標排放分別提標至15mg/L 和0.5mg/L，對于城市低C/N 污水，脫氮除磷難度將進一步加大，合理選擇脫氮除磷工藝，提高脫氮除磷效率是當前研究熱點。A2/O 工藝是一種應(yīng)用較廣泛的傳統(tǒng)同步脫氮除磷工藝[1]，在實際工程實踐中會出現(xiàn)一些比較矛盾問題[2，3]，如二沉池回流污泥中的硝酸鹽對厭氧池磷的釋放有不利影響，反硝化菌與聚磷菌之間的碳源競爭，低C/N 污水難以達到同時高效脫氮除磷的目標。1999 年張波[4，5]等人以上海市某污水處理廠沉砂池出水作為處理對象，對比研究A2/O 工藝和倒置A2/O 工藝的氮磷脫除效率，結(jié)果表明倒置A2/O 工藝的氮磷脫除效率均優(yōu)于A2/O 工藝。本研究采用倒置A2/O 工藝裝置，以高氨氮、低C/N 污水為進水開展試驗研究，優(yōu)化運行參數(shù)，分析各單元沿程物質(zhì)流情況，為低C/N 進水的污水處理廠日常參數(shù)調(diào)控和優(yōu)化提供實驗室依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 接種污泥和進水水質(zhì)

污泥取自合肥經(jīng)開區(qū)污水廠好氧池，初始MLSS 為3100mg/L。試驗前期采用高氨氮、低C/N 人工配水，配水以乙酸鈉作為碳源、氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，輔以微量元素，控制進水pH。配水水質(zhì)：COD 為200mg/L，氨氮為 70mg/L，磷酸鹽濃度為 3.0mg/L，pH 值 7.5～8.0。人工配水COD/氨氮為2.86，屬于低C/N 水[6]。反應(yīng)器啟動后的目標性試驗取自合肥經(jīng)開區(qū)污水廠旋流沉砂池出水。

1.2 實驗裝置與運行

由有機玻璃定制而成的倒置A2/O 裝置見圖1，主體結(jié)構(gòu)由缺氧池、厭氧池、好氧池和二沉池組成，缺、厭、好氧池的容積比為1∶1∶3。缺氧池和厭氧池采用攪拌器進行攪拌，好氧池底部設(shè)有納米管曝氣裝置，裝置中所有流體流動均采用蠕動泵控制。從反應(yīng)器中取出的定時水樣經(jīng)離心機離心后取上清液進行檢測分析。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 水質(zhì)檢測和主要儀器設(shè)備

指標檢測均按國家標準方法進行[7]。

除倒置A2/O 小試裝置外，主要儀器及設(shè)備：紫外-可見分光光度計、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、精密天平、離心機、便攜式溶解氧儀、便攜式pH 計等。

1.4 工藝參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用正交試驗進行工藝參數(shù)優(yōu)化[8]，以COD、TP、TN、氨氮的平均去除率作為考察指標，選取HRT、回流比、SRT為主要運行參數(shù)設(shè)計正交試驗，每個因素選取3 個水平，試驗設(shè)計見表1。

表1 正交試驗因素水平

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

本研究運用 Origin 8.0 進行數(shù)據(jù)的非線性擬合、SPSS Version 22.0 進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 倒置A2/O 反應(yīng)器啟動

將取回的接種污泥適當稀釋至1200～1500mg/L 后引入好氧池內(nèi)，悶曝、靜置沉淀、傾去上清液，再用配水稀釋持續(xù)曝氣，反復(fù)循環(huán)，待污泥濃度達到6000mg/L 左右后將污泥按池容均勻分配至倒置A2/O 各個池內(nèi)，采用連續(xù)換水方式進行污泥培養(yǎng)馴化。在培養(yǎng)馴化期間，每日取樣檢測，考察污染物的去除情況及污泥性質(zhì)變化情況，見圖2。

在污泥培養(yǎng)初期（1d～19d）控制室內(nèi)溫度為 22±1℃，此時反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)充足，微生物處于生長對數(shù)期，污泥濃度持續(xù)增漲，由1200～1500mg/L 增至6000mg/L 左右；之后將污泥按池容均勻分配至倒置A2/O 各個池內(nèi)，同時加人工配水至有效容積10L/10L/30L，此時好氧池內(nèi)污泥濃度為3100～3300mg/L，進入馴化階段需適時排放死泥維持污泥濃度。MLVSS/MLSS 值在培養(yǎng)初期（1d～7d）較低，之后逐漸升高并穩(wěn)定，平均值為0.7，說明培養(yǎng)馴化階段污泥性能良好。圖2（a）表明培養(yǎng)馴化階段反應(yīng)器內(nèi)的演變情況，隨著培養(yǎng)馴化進程，反應(yīng)器內(nèi)污泥的SV30數(shù)值也隨之增加，從12～14%增至44～48%，好氧污泥按池容均勻分配后，SV30有所回落，馴化階段后期維持在34%～36%范圍。污泥指數(shù)SVI 為74～109，屬于正常合理范圍。

圖2（b），污泥在培養(yǎng)馴化階段的進水COD 為350～450mg/L，出水的 COD 為 18.0～130.0mg/L，去除率為 64.2%～97.0%。在培養(yǎng)初期（1d～5d），MLSS 較低，COD 去除率也較低，去除率72.5～97.0%，最低只有63.2%；隨著培養(yǎng)馴化時間的增加，COD 去除率逐漸提高，達到89～97.0%，平均為92.3%，污泥生物學(xué)性能逐漸增強且趨于穩(wěn)定，其中的水處理微生物已經(jīng)適應(yīng)反應(yīng)器環(huán)境。進入馴化階段，調(diào)整人工配水的進水COD 濃度，從444.6mg/L 逐漸降低到227.6mg/L，這樣可避免對污泥的沖擊，去除率也隨之下降，最低70.9%；之后COD 去除率回升直至92.6%，穩(wěn)定達到90%。

圖2 培養(yǎng)馴化階段各個指標的變化

圖2（c），培養(yǎng)階段氨氮進水濃度 14.55～27.56mg/L，出水0.15～1.61mg/L，反應(yīng)器內(nèi)氨氮轉(zhuǎn)化率（也可泛義理解為去除率）91.2～99.2%，平均值96.4%。圖中可以看出，培養(yǎng)階段氨氮轉(zhuǎn)化率很高，主要原因：①接種污泥取自污水廠好氧池，硝化菌延續(xù)原生環(huán)境的高活性；②培養(yǎng)階段持續(xù)曝氣、營養(yǎng)充分，為硝化菌提供了良好的后續(xù)生長繁殖條件。馴化階段，逐漸增加氨氮濃度，1～8d 內(nèi)進水氨氮濃度從32.12mg/L 增加到69.13mg/L；污泥性能受到增加的氨氮沖擊，氨氮轉(zhuǎn)化率先有所下降，最低降至84.9%，之后污泥性能回升，轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定達到94%以上。

圖2（d）可以看出，在培養(yǎng)和馴化階段，進水TP 的濃度均為 2.41～4.12mg/L，出水 TP 為 0.19～1.42mg/L，去除率為54.9～95.5%，馴化階段后期穩(wěn)定在62%左右。由圖中可知，TP 的去除率波動很大，以培養(yǎng)階段的初期和馴化階段為甚。培養(yǎng)階段初期（1d～4d），去除率在 70.3～84.9%，第 5d迅速下降到61.4%，其原因可能與間歇式培養(yǎng)使微生物由于養(yǎng)分（主要是碳源）不足處于內(nèi)源性呼吸狀態(tài)有關(guān)；馴化階段TP 去除率迅速下降，由81.5%下降至41.1%，進水高氨氮、低C/N 的物質(zhì)環(huán)境使反應(yīng)器內(nèi)聚磷菌處于劣勢。

綜上所述，倒置A2/O 反應(yīng)器經(jīng)過1 個多月的污泥培養(yǎng)馴化，污泥性能良好，COD 去除率達到90%以上，氨氮轉(zhuǎn)化率96.4%，TP 馴化后期也穩(wěn)定在62%左右，故可認為污泥培養(yǎng)馴化結(jié)束，反應(yīng)器啟動成功，繼續(xù)進行后續(xù)的目標性試驗。

2.2 運行參數(shù)優(yōu)化

為考察倒置A2/O 工藝參數(shù)對高氨氮、低C/N 污水脫氮除磷效率的影響，設(shè)計如表2 所示的正交試驗方案。

由表2 可知，COD、TP、TN、氨氮去除率的影響因素，可根據(jù)極差（R）判斷其重要性，排序分別為：A3 >B2> C2（水力停留時間12h，回流比200%，污泥齡14d）、C1 >A2>B2（污泥齡 10d，水力停留時間 10h，回流比 200%）、B2>A2>C3（回流比200%，水力停留時間10h，污泥齡 18d）、A2>B2>C2（水力停留時間10h，回流比200%，污泥齡14d）。綜合單因素試驗結(jié)果、實際運行成本等因素，優(yōu)化的工藝參數(shù)為：水力停留時間10h，回流比200%，污泥齡14d。

表2 正交試驗結(jié)果

2.3 沿程污染物物質(zhì)流

為了追蹤污染物在污水處理反應(yīng)器內(nèi)部的遷移、轉(zhuǎn)化途徑及量化其強度，對COD、TP、TN、氨氮四個指標進行水相的沿程物質(zhì)轉(zhuǎn)化分析，以期掌握倒置A2/O 工藝各單元對污染物去除的貢獻情況。

倒置A2/O 工藝中C、N、P 等污染物質(zhì)通過微生物降解等作用，以CO2、N2和磷酸鹽在污泥中沉積等形式，通過N2和剩余污泥排放等形式從水體中分離出去，達到去除目的。進出反應(yīng)器各單元水相中污染物量的差值為各單元的污染物去除量（轉(zhuǎn)化量），而反應(yīng)器總?cè)コ浚ㄞD(zhuǎn)化量）為各單元去除量（轉(zhuǎn)化量）之和，即△總=△缺+△厭+△好

反應(yīng)器中所有流體流動均采用蠕動泵控制，其流量認定為是恒定不變的，可以運用單元水相中各污染物質(zhì)平均濃度、流量計算并表述沿程物質(zhì)流，進一步解析各單元對污染物質(zhì)的去除或轉(zhuǎn)化情況。

圖3（a）表明了各單元的COD 去除情況，缺氧池和厭氧池是COD 去除的主體單元，去除量分別為8.85g/d、6.69g/d，總?cè)コ繛?5.54g/d，總貢獻率65.0%。倒置A2/O 系統(tǒng)中缺氧池和厭氧池內(nèi)COD 濃度快速降低，原因是微生物脫氮釋磷過程中消耗了大量有機物。好氧池、沉淀池COD 去除量分別為2.99g/d、3.79g/d，貢獻率分別為12.5%、15.9%；還有6.6%左右的COD 進入深度處理工藝。

圖3（b）表明，工藝中有較強的厭氧釋磷現(xiàn)象，即培養(yǎng)馴化出了活性較強的聚磷菌。倒置A2/O 系統(tǒng)中TP 的去除總量為0.29g/d，其中缺氧池和厭氧池對TP 的去除貢獻為負值，這是由于在這兩池中聚磷菌進行釋磷反應(yīng)，導(dǎo)致水中TP 的濃度升高。好氧池對TP 的去除量為0.23g/d，貢獻率79.3%；還有14.4%左右的TP 進入深度處理工藝。此結(jié)果與郭玉梅等[9]的研究結(jié)果有所不同。郭玉梅等研究結(jié)果：數(shù)據(jù)顯示TP 濃度沿程均有降低，TP 在厭氧池內(nèi)幾乎沒有釋磷現(xiàn)象，在好氧池內(nèi)TP 濃度也基本沒有變化，認為可能是由于平均SRT 較長（27.6d）沒有馴化出聚磷菌的緣故。

圖3 沿程污染物物質(zhì)流

圖3（c）表明，TN 的去除總量為 5.66g/d，總貢獻率75.3%：其中缺氧池為0.93g/d，占12.4%；厭氧池為0.60g/d，占7.0%；好氧池為0.6g/d，占8.0%。缺氧池TN 去除情況與郭玉梅等[9]的“表3 倒置A2/O 沿程數(shù)據(jù)”相似，其缺氧池TN去除率為16.9%。

圖3（d）表明，氨氮物質(zhì)流呈沿程降低趨勢，系統(tǒng)各單元對氨氮的轉(zhuǎn)化均有貢獻，其中缺氧池和好氧池是氨氮轉(zhuǎn)化的主要單元。缺氧池氨氮轉(zhuǎn)化量為4.03g/d，占54.7%；好氧池為2.26g/d，占20.7%。厭氧池、沉淀池氨氮轉(zhuǎn)化量分別為0.91g/d、0.13g/d，貢獻率分別為12.3%、1.8%；只有0.5%的氨氮進入深度處理工藝。

3 結(jié)論

①接種污泥經(jīng)過36d 的先間歇后連續(xù)的培養(yǎng)馴化，微生物逐漸適應(yīng)后生環(huán)境，污泥性能達到后續(xù)實驗要求。

②倒置A2/O 小試反應(yīng)器最優(yōu)工況為：水力停留時間10h、回流比200%、污泥齡14d。

③基于反應(yīng)器各單元沿程物質(zhì)流檢測，定量分析污染物質(zhì)濃度分布變化。缺氧池和厭氧池是COD 去除的主體單元，對COD 的去除量為15.54g/d，貢獻率65.0%；好氧池對TP 的去除量為0.23g/d，貢獻率79.3%；缺氧池對TN 的去除量為0.93g/d，貢獻率12.4%；各單元對氨氮的轉(zhuǎn)化均有貢獻，其中缺氧池和好氧池是主要單元，轉(zhuǎn)化量為6.29g/d，貢獻率75.4%。