A/O 同步脫氮除磷工藝試驗研究

史旭東

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山西 太原 030001)

由于氮、磷過量排放而引起的水體富營養(yǎng)化問題已成為當前人類最為關注的環(huán)境問題之一，致使污水排放標準中對氮磷的要求日趨嚴格，因而開發(fā)高效節(jié)能的污水生物脫氮除磷新工藝就成為水污染控制領域的研究熱點[1－3]。同步硝化反硝化除磷是近幾年發(fā)展起來的新型生物脫氮除磷工藝，該工藝不僅可以減少污泥生產量，縮短生物脫氮除磷工藝流程，而且省去了第二階段的缺氧反硝化池，減少了工程造價[4－6]。本試驗采用A/O同步脫氮除磷工藝，以人工配制的模擬城市污水為處理對象，研究短程同步硝化反硝化除磷工藝的培養(yǎng)過程、去除效果，并在此基礎上考察DO、污泥齡、溫度和pH值作為控制參數(shù)對A/O同步脫氮除磷工藝的影響，確定實現(xiàn)短程同步硝化反硝化除磷的最佳運行工況，以期為污水處理廠的節(jié)能降耗、穩(wěn)定運行和升級改造提供技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

A/O同步脫氮除磷工藝試驗裝置如圖1所示。

圖1 A/O同步脫氮除磷工藝試驗裝置

裝置用有機玻璃制成，由A/O反應器和二沉池組成。A/O反應器分為3個廊道，每個廊道分為3個格室，第1個廊道為厭氧段，剩余的2個廊道為好氧段。厭氧段和好氧段的體積比為1∶2。厭氧段采用攪拌槳攪拌，好氧段通過各格室底端的曝氣頭供氧同時促進泥水混合。該試驗采用連續(xù)流，不設置內循環(huán)回流。

1.2 試驗用水及水質

試驗用水為人工配制的模擬城市污水，主要以淀粉作為碳源、NH4Cl為氮源、KH2PO4為磷源，以 MgSO4，CaCl2及 FeSO4等為微量元素的來源，以小蘇打作為pH調節(jié)劑。配水水質的C∶N∶P的比例范圍為(60～75)∶5∶1。具體水質和配水材料見表1，表2。

表1 試驗配水材料表

1.3 測試項目與方法

NH4+－N:納氏試劑分光光度法;NO2－－N:(12萘基)2乙二胺光度法;NO3－－N:麝香草酚分光光度法;TP:采用鉬銻抗分光光度法測定;COD:采用CTL212型化學需氧量速測儀測定;DO和pH值:采用德國W TW.340i儀器在線監(jiān)測。

表2 試驗污水水質

2 結果與分析

2.1 DO對A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗中控制進水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，溫度為常溫(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值為7.0 ～7.5，反應區(qū)的HRT為6 h，通過排泥控制SRT為10 d～15 d，反應器中的MLSS平均為2 700 mg/L，污泥回流比為66.6%。通過轉子流量計調節(jié)曝氣量，將反應器內的 DO濃度分別控制為0.5 mg/L，0.7 mg/L，1.0 mg/L，1.2 mg/L，1.5 mg/L，1.8 mg/L，2.0 mg/L，2.3 mg/L，2.5 mg/L不同水平時，考察不同DO濃度對A/O同步脫氮除磷工藝的影響。

圖2 DO對A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

由圖2可知:當 DO為 0.5 mg/L時，NH+4－N去除率僅為78.04%，這主要是因為反應器中DO較低時，供氧嚴重不足，極大地抑制了硝化菌的活性，硝化效率較低，此時TN去除率僅為70%;隨著反應器內DO濃度增加，NH+4－N去除率逐漸升高，當DO為1.0 mg/L時，NH+4－N及 TN去除率分別達到97.02%和90.06%，脫氮效果最佳，這主要是由于氧擴散的限制，使微生物絮體內產生DO梯度，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產生缺氧區(qū)。隨著DO繼續(xù)升高，氧對污泥絮體的穿透力增強，導致污泥絮體內部DO增大，破壞了缺氧區(qū)，使得反硝化過程受到抑制，出水TN增大，當DO為2.5 mg/L時，出水TN去除率僅為75%。綜上所述，過高或過低的DO均會降低TN去除率，將DO控制在1.0 mg/L時脫氮效果最佳，可使污泥絮體形成較理想的好氧層和缺氧層，獲得90.06%的TN去除率。當DO為0.5 mg/L時，TP去除率僅為60%，這主要是由于DO過低使得好氧聚磷菌的活性受到抑制，此時TP的去除主要靠反硝化聚磷菌利用硝化過程中產生的亞硝酸鹽或硝酸鹽進行反硝化除磷。但由于DO濃度的缺乏，NH4+－N不能完全氧化成NO2－－N，因此反硝化聚磷菌無法順利進行反硝化除磷，從而影響TP的去除效果;當DO為1.0 mg/L時，TP去除率為90.95%，通過DPB的代謝作用同時完成反硝化和過量吸磷，因此TP的去除率有了明顯的提高;當DO達到1.0 mg/L以上時，TP去除率上升幅度平緩，這主要是由于DO較高時，通過好氧吸磷作用除磷。綜上所述，過低的DO會降低TP去除率，過高的DO對TP去除率增幅不明顯，將DO控制在1.0 mg/L時反硝化除磷的處理效果最佳，TP去除率高達90.95%。

當DO＞1.0 mg/L時，DO變化對COD的去除率影響較小，最后出水COD基本維持在13 mg/L～19 mg/L，COD的去除率均超過90%;當DO＜1.0 mg/L時，DO變化對COD的去除率影響較為顯著，如當DO=0.5 mg/L時，COD的去除率僅為75%，當DO=1.0 mg/L 時，COD 的去除率為93.38%。

2.2 污泥齡對A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗中控制進水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，溫度為常溫(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值為7.0 ～7.5，通過轉子流量計調節(jié)曝氣量，好氧曝氣階段DO控制在1.0 mg/L。通過改變排泥量來控制污泥齡，將污泥齡分別控制為5 d，10 d，15 d和20 d，對應每天的排泥量分別為16 L，9 L，6 L和4.5 L，考察不同污泥齡對A/O同步脫氮除磷工藝的影響。在不同污泥齡的條件下對A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響見圖3。由圖3可見，當泥齡為5 d時，出水NH+4－N濃度為10.96 mg/L，去除率僅有61.56%，這是因為硝化菌屬于世代周期較長的微生物，當泥齡為5 d時，硝化菌的生長繁殖受到抑制，導致硝化反應無法順利進行;當泥齡大于10 d時，出水NH+4－N濃度均在1.0 mg/L以下，去除率達到97%～99%，平均去除率為97.02%。而當泥齡在10 d～20 d之間時，由于亞硝酸菌的世代周期為8 d～36 d，硝酸菌的世代周期為12 d～59 d，此時亞硝酸菌和硝酸菌得到了一定的積累，硝化速率明顯提高，使出水NH+4－N濃度穩(wěn)定在0.85 mg/L以下。

圖3 泥齡對A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

當泥齡為5 d時，出水TN濃度為11.2 mg/L，去除率只有60.62%，這是因為當泥齡為5 d時，出水NH+4－N濃度偏高，導致出水TN濃度較高;當泥齡為10 d～20 d時，出水TN濃度均在3.0 mg/L以下，去除率均可達到88%～94%，這是因為當泥齡在9 d～20 d時，由于泥齡的增加提高了系統(tǒng)內的污泥濃度，從而增加了顆粒污泥內部的缺氧區(qū)域，使反硝化速率得到進一步的增加，最終導致TN去除率的提高。當泥齡為5 d～15 d時，出水TP濃度均在1.0 mg/L以下，去除率達到86%～92%，這是由于較短的泥齡有利于聚磷菌的增殖，當泥齡為5 d～15 d時，聚磷菌在污泥中的比例快速增加，使得污泥的含磷量也相應增大;當泥齡為20 d時，出水TP濃度高達2.74 mg/L，去除率只有60%，這是因為當泥齡為20 d時，由于泥齡偏長促使硝化菌等世代周期較長的微生物增殖，從而抑制了聚磷菌的生長，導致污泥中的含磷量大大減少，造成出水TP濃度的上升。

結合考慮脫氮和除磷的效果，A/O同步脫氮除磷工藝的最佳污泥齡控制范圍為10 d～15 d，系統(tǒng)成功實現(xiàn)同步脫氮除磷。

2.3 溫度對A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗中控制進水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，pH值為7.0～7.5，通過轉子流量計調節(jié)曝氣量，好氧曝氣階段DO控制在1.0 mg/L，反應區(qū)的HRT為6 h，通過排泥控制SRT為10 d～15 d，反應器中的MLSS平均為2 700 mg/L，污泥回流比為66.6%。試驗以7 d為一個階段，通過溫控儀將反應溫度分別控制為10℃，12℃，15℃，17℃，20℃，25℃，30℃和33℃，考察在不同溫度條件下對A/O同步脫氮除磷工藝的影響。

由圖4可見，當溫度為10℃時，出水COD濃度為48 mg/L，去除率只有81.32%，這是由于溫度降至10℃時，微生物的生長受到一定程度的抑制，從而導致COD的去除呈下降趨勢;當溫度上升至15℃以上時，出水COD濃度均在17 mg/L以下，去除率達到91%～96%，平均去除率為93.38%。在整個溫度變化范圍內，除過低溫度(10℃ ～12℃)下系統(tǒng)內COD去除效果較差，其他溫度(15℃ ～33℃)下，溫度對COD的去除率影響不大。

圖4 溫度對A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

當溫度為10℃時，出水NH4+－N濃度為13.05 mg/L，去除率只有54.21%，這是因為低溫會嚴重抑制亞硝酸菌的生物活性，氨氧化速率迅速降低，導致出水NH4+－N濃度上升;當溫度在15℃以上時，出水NH4+－N濃度均在0.85 mg/L以下，去除率達到97%～99%，平均去除率為97.02%，這是因為在溫度由15℃上升至33℃的過程中，亞硝酸菌的活性逐漸恢復，促進了氨氧化反應，使NH4+－N的去除率得到明顯提高。

當溫度為10℃時，出水 TN濃度為15 mg/L，去除率僅有50.29%，這是因為在溫度為10℃時，亞硝酸菌的活性受到影響，出水NH4+－N濃度過高，從而導致出水TN濃度過高;當溫度在15 ℃，20 ℃，25 ℃時，出水 TN 濃度分別為3.52 mg/L，3.13 mg/L，3 mg/L，其去除率較高，達到88%～92%，平均去除率為90.06%;當溫度為33℃時，出水TN濃度為5.23 mg/L，去除率有所下滑，達到82.67%，這是因為在溫度為33℃時，反硝化菌的活性受到抑制，硝化過程中產生的NO2－－N不能及時被反硝化去除，導致系統(tǒng)內出現(xiàn)少量的NO2－－N積累，最終引起出水TN濃度的增高。因此，溫度在15℃ ～25℃時，TN的去除率維持在較高的水平。溫度為15℃ ～25℃時，出水 TP為0.30 mg/L～0.86 mg/L，平均為0.62 mg/L;對TP的去除率穩(wěn)定在90%～94%，平均去除率為90.95%。由此可見，溫度的變化對系統(tǒng)內TP的去除效果影響不大。

綜上所述，綜合考慮脫氮和除磷的效果，A/O同步脫氮除磷工藝的最佳溫度控制范圍為15℃ ～25℃，系統(tǒng)成功實現(xiàn)A/O同步脫氮除磷。

3 結語

1)DO是A/O同步脫氮除磷工藝中實現(xiàn)同步硝化反硝化和反硝化除磷的關鍵因素。DO過高或過低都會影響同步脫氮除磷的效果，DO濃度控制在1.0 mg/L時，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。2)污泥齡對A/O同步脫氮除磷工藝的影響主要表現(xiàn)在硝化菌和聚磷菌世代周期長短不一上。污泥齡控制在10 d～15 d，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。3)溫度的變化影響著各種微生物的生長繁殖，對于脫氮效果來說，過高或過低的溫度都會影響TN的去除，而對于除磷效果而言，溫度的變化對系統(tǒng)內TP的去除效果影響不明顯，將溫度控制在15℃～25℃，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。

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