A2/O-BAF工藝短程硝化模式下反硝化除磷技術(shù)在處理低C/N城市污水中的效能

闞子建

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 ，天津 300450）

0 引言

為了進(jìn)一步提高城市低C/N 比例污水中的碳磷去除效率，應(yīng)充分應(yīng)用碳源，使其在除磷除氮工藝流程中更有效地發(fā)揮作用。A2/O-BAF 工藝短程硝化模式是常見的城市污水處理工藝流程，得到了廣泛應(yīng)用并證實(shí)了其良好的除氮效果，而結(jié)合短程硝化模式應(yīng)用的基本特點(diǎn)，以亞硝態(tài)氮作為受體[1]，采用反硝化除磷工藝，可充分解決傳統(tǒng)城市污水處理工藝中碳源不足的問題，尤其是我國低C/N 比城市污水在進(jìn)行除磷的過程中，對(duì)碳氮的要求更高，因此采用該工藝方法發(fā)揮A2/O 工藝的作用及時(shí)去除有機(jī)物氮和磷，同時(shí)發(fā)揮BAF 工藝的優(yōu)點(diǎn)，使兩者結(jié)合，彌補(bǔ)各自的缺陷，有效提高低C/N城市污水的系統(tǒng)脫氮除磷效率。該模式屬于短程硝化模式，在短程硝化模式后使硝化反應(yīng)直接進(jìn)入反硝化過程，因此屬于高經(jīng)濟(jì)、高能效的脫氮技術(shù)[2]。該研究基于A2/O-BAF 工藝短程硝化模式研究反硝化除磷技術(shù)在除磷低C/N 比例城市污水中的能效情況，希望通過該文的研究能夠?yàn)槌鞘械虲/N 類型的污水處理提供更先進(jìn)更科學(xué)的工藝，使城市污水處理達(dá)到良好的除氮除磷效果，符合節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)綠化的發(fā)展要求和方向。

1 A2/O-BAF 工藝技術(shù)分析

A2/O 工藝流程中包括厭氧池、缺氧池、好氧池以及沉淀池，其中，原水在經(jīng)過厭氧池的過程中可有效去除BOD釋放磷元素，并使廢水氨化，然后進(jìn)入缺氧池，在該工藝流程中通過攪拌釋放氮?dú)饪善鸬矫摰?、釋放磷元素以及吸磷去除BOD 的作用[3]，然后進(jìn)入好氧池，通過進(jìn)一步硝化吸磷去除BOD，最后進(jìn)入沉淀池沉淀。同時(shí)在好氧池所獲得的硝化液回流再次進(jìn)入缺氧池進(jìn)行循環(huán)除磷。該工藝中的除磷是通過沉淀池沉淀后的污泥反復(fù)進(jìn)入經(jīng)過厭氧、缺氧、好氧環(huán)境進(jìn)行脫磷和吸磷，然而采用該工藝的除磷效率較低[4]。

BAF 工藝常應(yīng)用于污水的深度除磷中，該工藝是一種除磷負(fù)荷較高、占地較小、出水水質(zhì)穩(wěn)定的二級(jí)除磷技術(shù)。在應(yīng)用的過程中，其生物除磷效果不好，需要通過化學(xué)輔助進(jìn)行除磷?；谏鲜? 種工藝的基本原理和優(yōu)勢(shì)，將2種污水處理工藝結(jié)合，形成A2/O-BAF 工藝短程硝化模式。在A2/O 工藝水力停留的時(shí)間較短，水中聚磷菌則可以有效分解有機(jī)物，僅溶解磷，但是不發(fā)生硝化反應(yīng)，有利于聚磷菌大量地繁殖生長(zhǎng)，在厭氧缺氧環(huán)境中有良好的除磷效果，可以有效地脫磷。

2 A2/O-BAF 工藝在短程硝化模式下的反硝化除磷低C/N 城市污水效能分析

2.1 試驗(yàn)裝置

該研究探索在A2/O-BAF 工藝短程硝化模式的反硝化除磷技術(shù)處理低C/N 城市污水效能，所用的A2/O-BAF 工藝試驗(yàn)裝置主要包括A2/O 反應(yīng)器，二沉池以及BAF 串聯(lián)連接器。在進(jìn)行設(shè)置的過程中對(duì)A2/O 反應(yīng)器中的 HRT 設(shè)置為10 h，溶劑設(shè)置為1 ∶3 ∶1，具體的試驗(yàn)裝置流程如圖1 所示。其中A2/O 階段總體容積為60 L，A1~2 號(hào)為厭氧階段，設(shè)置反應(yīng)容積為12 L，其主要作用就是發(fā)揮厭氧吸磷去除COD 的功能，A3~8 號(hào)為缺氧階段，設(shè)置反應(yīng)溶劑為36 L，可實(shí)現(xiàn)反硝化除磷功能，O1~2 號(hào)為好氧階段，設(shè)置反應(yīng)容積為12 L，主要功能是發(fā)揮好氧、吸磷、吹脫氮?dú)獾淖饔?。BAF 反應(yīng)器中設(shè)置直徑為0.1 m、高度為2.4 m、有效容積為18 L。在裝置內(nèi)填入75%的改性聚乙烯原料，主要實(shí)現(xiàn)短程硝化功能。在試驗(yàn)過程中對(duì)A2/O的污泥控制時(shí)間為15 天，當(dāng)二沉池中存在含磷和有機(jī)物的污泥后及時(shí)排出，排出的污泥可經(jīng)過回流裝置再次進(jìn)入?yún)捬醯狝1 格。在BAF 裝置中設(shè)置硝化液回流裝置，其出水中的硝化液可回流至缺氧段A3 格。

圖1 試驗(yàn)裝置流程圖

2.2 試驗(yàn)步驟

所有污泥來自實(shí)驗(yàn)室A2/O 反應(yīng)器，經(jīng)檢測(cè)COD 去除率達(dá)到78%，氫和正磷酸鹽去除率為80%以上。在短程硝化啟動(dòng)階段，先進(jìn)行污泥馴化，所用人工配水pH 值為7.5~8.0，游離態(tài)氨濃度為99mg/L~102mg/L，亞硝態(tài)氮濃度為0.09mg/L~0.22mg/L，硝態(tài)氮濃度為0.31~0.44，F(xiàn)eCI3·6H2O 濃度為0.03g/L，硫酸鎂濃度為0.09g/L，氯化錳濃度為0.24g/L，NiCl2濃度為0.06g/L，Na2MoO4濃度為0.06g/L。進(jìn)入A2/O-BAF 階段以后，采用城市居民區(qū)生活污水作為樣本。對(duì)樣本水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，其中COD 含量為181.06mg/L~279.29mg/L，游離態(tài)氨含量為45.02mg/L~61.87mg/L，亞硝態(tài)氮含量小于1mg/L，硝態(tài)氮含量小于2mg/L，TN 的含量為47.6mg/L~67.4mg/L，正磷酸鹽含量為4.07mg/L~6.71mg/L，C/N 比為2.7~5.87，水質(zhì)溫度為12℃~25℃，pH值為7.3~7.6。

2.3 試驗(yàn)運(yùn)行工藝調(diào)節(jié)

在BAF 啟動(dòng)階段進(jìn)行短程硝化反應(yīng)的過程中，通過人工配水對(duì)所選污泥進(jìn)行馴化，充分體現(xiàn)ABO 的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到短程硝化的目的。

在A2/O-BAF 聯(lián)合反應(yīng)階段，所用污水樣本為城市實(shí)際污水，對(duì)BAF 硝化液回流情況進(jìn)行調(diào)整，使R的比例由0%增至200%，進(jìn)一步調(diào)整曝氣量、耗氧、缺氧、曝氣時(shí)間以及水力停留時(shí)間，在BAF 階段能夠形成穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮，BAF硝化液回流比由0%增至200%的運(yùn)行時(shí)間以及各方案參數(shù)見表1。

表1 BAF 硝化液回流比由0%增至200%的A2/O-BAF 運(yùn)行方案參數(shù)

2.4 檢測(cè)方法

在進(jìn)行檢測(cè)的過程中采用快速密閉催化消解法檢測(cè)COD 含量，采用分光光度法檢測(cè)游離態(tài)氨、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、TN 含量、正磷酸鹽含量，運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)溫度、pH值、DO 進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 計(jì)算方法

2.5.1 亞硝積累率計(jì)算方法

亞硝積累率計(jì)算方法為進(jìn)出水亞硝態(tài)氮濃度差與進(jìn)出水壓硝酸跟離子濃度差與硝態(tài)氮濃度差之和的比例[5]，如公式（1）所示。

2.5.2 BAF 階段的按氧化貢獻(xiàn)率

計(jì)算BAF 階段的氨氧化貢獻(xiàn)率時(shí)按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的硝化液回流比為0%~200%，分別計(jì)算在A2/O 進(jìn)水出水以及BAF 出水中的游離態(tài)氨濃度，單位為mg/L，計(jì)算方法如公式（2）所示。

2.5.3 反硝化除磷效率

反硝化除磷效率在計(jì)算的過程中選擇污泥回流比為100%，硝化液回流比為0%~200%，分別計(jì)算在A2/O 厭氧出水缺水的環(huán)境下及好氧出水中的正磷酸鹽濃度，計(jì)算方法如公式（3）所示。

2.5.4 反硝化除磷菌比例

反硝化除磷菌比例在計(jì)算的過程中按照已有研究者劃分的三種不同電子受體除磷菌方法，接單純以氧氣作為電子受體的除磷菌，以氧氣+硝態(tài)氮為電子受體的除磷菌、以氧氣+硝態(tài)氮+亞硝態(tài)氮為電子受體的除磷菌三種模式進(jìn)行計(jì)算[5]。

3 研究結(jié)果

研究結(jié)果如下：1）在短程硝化BAF 啟動(dòng)階段，其初始亞硝態(tài)氮從第1 天的7.6 mg/L 增至15 天的43.57 mg/L，亞硝態(tài)氮就在第11 天穩(wěn)定為4 mg/L，亞硝清除率則由62.48%升至93.07%，順利完成了短程硝化BAF 啟動(dòng)。在該過程中，采用間歇性的BAF 模式有利于實(shí)現(xiàn)AOB 的富集，抑制亞硝化細(xì)菌的產(chǎn)生。2）短程硝化BAF 穩(wěn)定階段，其A2/O 階段的平均凈水游離態(tài)氨濃度為53.34 mg/L，當(dāng)R為50%~200%通過間歇性的曝氣，同時(shí)縮短盈利停留時(shí)間至 3 h，在短程硝化的過程中顯示硝態(tài)氮濃度低于1.0 mg/L，亞銷穩(wěn)定在95%以上，小明半程硝化階段有效地積累亞硝態(tài)氮，使反硝化除磷階段的電子受體來源穩(wěn)定。3）A2/O-BAF 串聯(lián)運(yùn)行階段，在R=0%的情況下初期BAF 階段的游離態(tài)氨濃度波動(dòng)較大，后期逐漸穩(wěn)定，顯示硝化細(xì)菌有效適應(yīng)了水質(zhì)變化情況，在R由50%升至200%的這段時(shí)間，游離態(tài)氨濃度由7.71 mg/L 降至1.01 mg/L，游離態(tài)氨去除率由84.48%升至98.06%。在A2/O-BAF 階段的凈水TN 變化效果顯著， TN 的去除率達(dá)到18.82%~76.81%，在該過程中對(duì)A2/O 階段的有限碳源用于反硝化和吸磷，而在A2/O-BAF 階段進(jìn)一步發(fā)揮反硝化除磷菌作用，達(dá)到一碳兩用的目的，提高了TN 資源利用效率，達(dá)到了良好的 TN 去除效果。4）在A2/O-BAF 階段，其COD 的去除效率較高，處于厭氧段內(nèi)的COD 去除比例由45.93%升至70.65%，而缺氧段的COD 去除率僅為10%~14%。在A2/O-BAF 工藝中其A2/O 階段不進(jìn)行硝化反應(yīng)，因此形成良好的厭氧環(huán)境，雖然缺氧但是有利于反硝化除磷。在A2/O-BAF 工藝中凈凈水正磷酸鹽濃度為4 mg/L~7 mg/L， 及除磷主要體現(xiàn)在A2/O 的好氧段，當(dāng)硝化液回流比例由50%升至200%以后， A3 格子中的硝態(tài)氮濃度為0.4 mg/L以下，表明在缺氧情況下存在少量亞酸根離子時(shí)容易出現(xiàn)缺氧心靈現(xiàn)象，使正磷酸鹽濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)R為150%~200%時(shí)， DPR 效率達(dá)到70%以上，說明以亞硝態(tài)氮為電子受體的反硝化除磷成為該工藝中的重要除磷方式。

4 討論

我國城市污水的除磷技術(shù)普遍存在因碳源不足而效率低的問題，在城市低C/N 比例污水處理的過程中存在氮磷去除不充分的現(xiàn)象。硝化除磷技術(shù)充分發(fā)揮亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮作為電子受體的作用，在同步脫氮除磷的過程中繼續(xù)發(fā)揮碳離子的作用，使其能夠“一碳兩用”，既可以降低曝氣量，使其達(dá)到30%，同時(shí)也可以有效降低污泥產(chǎn)量，使其達(dá)到50%。如果繼續(xù)進(jìn)行脫氮，就會(huì)由于硝化菌和除磷數(shù)量不匹配而導(dǎo)致其中的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮不穩(wěn)定，為了在短程硝化的基礎(chǔ)上采用反硝化除磷工藝，在反硝化除磷的過程中以亞硝態(tài)氮電子受體在缺氧條件下吸磷，可降低碳源的消耗量，也可以降低25%的曝氣量，以保證短程硝化中的亞硝態(tài)氮得到穩(wěn)定供應(yīng)，同時(shí)也能保證壓硝態(tài)氮電子受體在反硝化除磷過程中發(fā)揮除磷富集的作用，提高低C/N 比例城市污水中的除氮除磷效果。

A2/O 工藝是在20 世紀(jì)40 年代開發(fā)出來的脫氮工藝，后期經(jīng)歷了不斷地研究，有效解決了該工藝過程中脫氮不足的問題，完成了現(xiàn)階段的A2/O 工藝流程，A2/O 除磷工藝在應(yīng)用的過程中將厭氧、缺氧、好氧作為一個(gè)整體，有效縮短了水力停留的時(shí)間，減少了除磷工藝所用的占地面積，而在厭氧缺氧好氧交替應(yīng)用的情況下不容易發(fā)生污泥膨脹，并有效杜絕了絲狀菌大量增殖，能夠?qū)崿F(xiàn)脫氮除磷功能，但是污泥中的含磷濃度相對(duì)較高。隨著BAF 工藝的廣泛應(yīng)用，其工進(jìn)水平也在不斷提升，在濾池中的濾料性能方面不斷地優(yōu)化，進(jìn)而產(chǎn)生多種BAF 工藝類型[6]。采用該工藝在進(jìn)行污水處理的過程中具有流程簡(jiǎn)單、設(shè)施設(shè)備應(yīng)用較少以及無污泥膨脹等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)生物膜上的生物量較高，具有良好的去污除磷效果，能夠有效除去污水中的有機(jī)物和氨氮元素。BAF 工藝主要包括顆粒生物填料床、爆氣系統(tǒng)以及反沖系統(tǒng)，最主要的作用是通過生化反應(yīng)和過濾作用去除污水中的污染物。它所應(yīng)用到的顆粒狀生物濾料可有效附著具有高濃度的微生物薄膜，因此在污水經(jīng)過的過程中可通過微生物進(jìn)行氧化分解，使污水通過過濾吸收氧化，在新陳代謝的過程中針對(duì)水中的污染物進(jìn)行降解，在生物濾池中存在的污泥通過定期沖洗的方式進(jìn)行排除。結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，在A2/O-BAF 工藝短程硝化模式下，在A2/O 工藝階段將污水中易降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化成VFAs，對(duì)回流污泥中存在的聚磷菌則在體內(nèi)進(jìn)行分解，釋放出的能量可以拱聚磷菌在厭氧環(huán)境下繼續(xù)生成，而另一部分能量則通過聚磷菌主動(dòng)吸收VFAs，由反硝化菌利用回流硝化液對(duì)有機(jī)物進(jìn)行反硝化脫氮，最后在反硝化過程中通過回流污水中的硝態(tài)氮作為受體再一次吸磷。尤其是對(duì)城市低C/N 比的生活污水，在進(jìn)行除磷的過程中A2/O 階段可以給反硝化除磷菌提供良好的環(huán)境，使反硝化階段成為主要的除磷方式，同時(shí)有效節(jié)約了碳源，保證了后期除磷工藝的順利開展。

5 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，A2/O-BAF工藝采用反硝化除磷技術(shù)進(jìn)行低C/N 比城市污水處理，在硝化液回流比例為200%的情況下，COD、TN、游離態(tài)氨以及正磷酸鹽的去除效率分別達(dá)到85.26%、76.81%、98.06%以及93.78%，體現(xiàn)了良好的去除效果，在短程硝化反應(yīng)的過程中通過調(diào)節(jié)間歇性曝氣以及硝化液回流比例，能維持良好的亞硝態(tài)氮積累量。在反硝化除磷階段，當(dāng)R等于200%時(shí)，亞硝態(tài)氮電子受體率較高，在反硝化除磷過程中發(fā)揮了重要作用。