AA-BAF 連續流反硝化除磷系統的運行性能

張為堂，侯鋒，劉青松，邵彥青，薛曉飛,，彭永臻

(1. 北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復重點試驗室，北京，100124；2. 北京北華清創環境科技有限公司，北京，100124)

生活污水中的碳氮質量比(m(C)/m(N))一般都很低，依靠傳統的生物脫氮除磷(BNR)系統對其進行處理時很難達到日益嚴格的污水排放標準。如何實現污水處理廠的節能高效運行，已經成為國家節能減排管理的一項重要內容。很多研究表明，脫氮除磷系統內富集大量的反硝化聚磷菌(DPAOs)，不僅能夠減緩反硝化菌與聚磷菌對可利用碳源的競爭，而且能夠降低曝氣費用，減少污泥產量[1-3]。因此，在傳統BNR 系統中引入反硝化除磷技術是實現污水處理廠脫氮除磷穩定達標，且大幅度降低運行費用的有效方法之一。反硝化聚磷菌能夠利用硝態氮(NO3--N)作為電子受體，在同一個過程中同時完成脫氮和除磷[4-5]。所以，理論上講，基于DPAOs 的厭氧和缺氧工藝能夠實現穩定高效的脫氮除磷效果。張耀斌等[6]利用有效容積為2 L 的序批式移動床生物膜反應器，采用厭氧缺氧模式處理模擬污水時發現，該系統對PO43--P 和NO3--N的去除率分別達到了82%和81%。王振等[7]采用模擬廢水和SBR 反應器，發現該反硝化除磷系統能夠高效穩定運行。Kapagiannidis 等[8]利用厭氧缺氧連續流反硝化除磷工藝處理模擬廢水，取得了良好效果。目前，利用連續流脫氮除磷工藝處理實際生活污水時，關于厭氧缺氧反硝化除磷技術能否穩定高效運行的研究較少。AAO-BAF 是一種運行穩定，處理效果好的強化反硝化除磷系統，該組合系統中AAO 單元的好氧反應區僅占AAO 單元總容積的2/9[9-10]。Zhang 等[11]通過研究發現，AAO-BAF 系統的除磷污泥中DPAOs 占總聚磷菌的比例，最大可達74%。取消AAO-BAF 系統中反硝化除磷單元的好氧反應區，僅依靠氧利用率非常高的曝氣生物濾池完成氨氮的氧化[12]，完全依靠反硝化除磷技術實現實際生活污水的高效脫氮除磷，將最大限度的節約曝氣能耗。本文作者以實際生活污水為處理對象，通過50 d 連續運行試驗，考察AA-BAF雙污泥反硝化除磷系統的除污染物效能以及運行穩定性，以期為該反硝化除磷系統的優化設計和節能高效穩定運行提供試驗依據。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置與運行

AA-BAF 強化反硝化除磷系統由AA 反硝化除磷反應器、沉淀池和硝化型曝氣生物濾池順序連接組成，如圖1 所示，該系統進水為實際生活污水。

厭氧缺氧反硝化除磷反應器(AA)包括9 個依次連接的格室，有效容積為30 L。前2 個格室為厭氧區，其他為缺氧區。在厭氧和缺氧區內安裝機械攪拌器。BAF 里填充直徑為3～4 mm 的輕質陶粒。AA 反應器的功能是通過厭氧釋磷和反硝化除磷反應，實現同步除磷和脫氮，并且完成有機物的去除；上向流BAF單元的主要功能為硝化，將NH4--N 轉化為NO3--N，其出水回流至AA 反應器的缺氧區，為反硝化除磷反應提供電子受體。系統的進水流量、污泥回流量、硝化液回流量、曝氣生物濾池進水流量均由蠕動泵控制。

在進行試驗前，本反硝化除磷組合系統按AAO-BAF 模式已經穩定運行100 多d，對COD，NH4+-N，PO43--P 和TN 具有很好的去除效果，系統內的反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例在70%左右[9]。本試驗中，AA 反應器的總水力停留時間(HRT)為8 h，污泥停留時間(SRT)為30 d，BAF 出水回流比和污泥回流比設為300%和100%。試驗在室溫下進行。

1.2 試驗用水水質

試驗中所用生活污水取自北京工業大學教師生活區的1 個化糞池。該污水屬于典型的低碳氮質量比的生活污水，其水質指標見表1。

圖1 AA-BAF 反硝化除磷系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of AA-BAF denitrifying phosphorous removal system

參數 ρ(m(C g O·L D-1))/ρ(NH4+-N)/(mg·L-1)ρ(NO2--N)/(mg·L-1)ρ(NO3--N)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ((PmOg4·3L---1P))/θ/℃m(C)/m(N)范圍285～33152.4～75.90～0.80～0.663.7～84.94.7～6.615.6～16.83.4～4.7平均值31166.70.20.178.55.315.63.9

1.3 分析方法

NH4+-N、NO3--N、NO2--N 由流動注射分析儀測定 (Lachat Quik-Chem8000 ， Lachat Instrument ，Milwaukee，USA)。ρ(COD)，ρ(MLSS)和沉降比SV按照標準方法測定[13]；TN 質量濃度采用TN/TOC 分析儀(MultiN/C3100，Analytik Jena,AG)測定；溫度由WTW pH/Oxi 340i (WTW Company, Germany)測定儀測定。

2 結果和討論

2.1 AA-BAF 系統對COD 和氮的去除效果

AA-BAF 系統時COD 的去除效果如圖2 所示。由圖2 可以看出：當進水COD 質量濃度為285～331 mg/L 時，該組合系統對COD 質量的去除率在87%左右，平均出水COD 質量濃度為39 mg/L，滿足國家一級A 標準的要求(小于50 mg/L)。AA 反應器出水COD平均質量濃度僅為55 mg/L，說明進水中有限的有機物在AA 反應器內得到了充分有效利用。這是因為DPAOs 能夠在厭氧反應區將可利用有機物合成為體內的PHB，然后在缺氧區為反硝化除磷反應提供電子供體，實現一碳兩用[4,14]。與傳統脫氮除磷工藝不同的是，COD 主要是通過反硝化脫氮和好氧降解去除的。需要指出的是，AA 反應器出水COD 質量濃度出現了略微上升的趨勢，這對BAF 的硝化是不利的。

圖2 AA-BAF 系統對COD 的去除行為Fig.2 COD removal in AA-BAF system

圖3 所示為AA-BAF 系統在50 d 內對氮的去除情況。試驗期間，原水氨氮平均質量濃度為66.7 mg/L。BAF 進水氨氮平均質量濃度為16.2 mg/L，氨氮的平均去除率達99%，氨氮幾乎完全轉化為硝態氮。BAF高效的硝化能力得益于AA 反應器出水中較低的可利用有機物，強化了比增長速率較低的自養型硝化菌的競爭優勢[15]。由圖3 可知：AA-BAF 系統對TN 的去除率呈現略微下降的趨勢，但是，在試驗條件下TN的平均去除率依然達到了79%。這應歸功于AA 反應器內DPAO 的高豐度和高活性，而DPAO 降低了反硝化和除磷間對COD 的競爭，進水中的COD 得到充分有效的利用[16]；另外，BAF 反應器內也應該存在一定的同步硝化反硝化現象。AA 反應器出水NO3--N 質量濃度僅為0.3 mg/L(見圖3)，說明回流至缺氧區的硝態氮通過反硝化除磷過程，得到了完全去除。

2.2 組合系統對磷的去除效果

圖3 AA-BAF 系統對氨氮和TN 的去除效果Fig.3 NH4+-N and TN removal in AA-BAF system

圖4 AA-BAF 系統對磷的去除行為Fig.4 PO43--P removal performance in AA-BAF system

AA-BAF 系統對磷的去除情況見圖4。從圖4 可以看出：在經歷長期的無好氧環境后，該雙污泥系統除磷效率逐漸惡化。系統運行30 d 后，除磷效率迅速下降。試驗期間進水磷質量濃度比較穩定，平均為5.3 mg/L。由圖4(a)可以看出，AA-BAF 系統的除磷性能逐漸變差，對PO43--P 的去除率由最初的80%降低到了試驗末的40%以下。相應地，BAF 出水PO43--P質量濃度由1.0 mg/L 增加到3.5 mg/L。

在第45 天，BAF 進水(沉淀池出水)PO43--P 質量濃度大幅度增加至3.9 mg/L(見圖4(b))。對比AA 反應器出水和BAF 進水，可以發現沉淀池出現了釋磷情況，并且釋磷量逐漸變大，使BAF 單元的進水PO43--P質量濃度由0.4 mg/L 左右增大到3.5 mg/L 左右。由圖4(b)還可以看出：試驗期間厭氧區磷濃度也出現了逐漸下降的趨勢。

圖5 第33天AA 反應器各反應區COD,NO3--N 和PO43--P質量濃度變化Fig.5 Variation profiles of COD,NO3--N and PO43--P along AA reactor on day 33th

為進一步分析AA 反應器內出水PO43--P 質量濃度較高(大于0.5 mg/L)的原因，對AA 反應器沿程COD，NO3--N 和PO43--P 的質量濃度進行監測，結果如圖5 所示。由圖5 可知：缺氧反應區磷濃度出現先下降后升高的現象，從缺氧區1 到缺氧區3，PO43--P質量濃度由5.8 mg/L 降低到0.1 mg/L；但是，從缺氧區3 到缺氧區7，PO43--P 質量濃度由0.1 mg/L 逐漸增加到了1.9 mg/L。這是缺氧反應區末端缺少電子受體NO3--N，又存在可利用COD 的情況下出現了二次釋磷的緣故[17]。從缺氧區4 到缺氧區7，NO3--N 質量濃度約為0 mg/L。

將試驗期間AA 反應器出水NO3--N 和PO43--P質量濃度的關系見圖6。從圖6 可以看出：當AA 反應器出水中NO3--N 質量濃度小于0.3 mg/L 時，出水PO43--P 質量濃度大于0.5 mg/L，不能達到國家一級A排放標準。這從另一個側面說明AA 反應器末端保持一定質量濃度的NO3--N 能夠有效抑制磷的無效釋放，而AA 反應器內的二次釋磷使AA 反應器出水PO43--P 不能達一級A 標準。

圖6 AA 反應器出水NO3--N 和PO43--P 質量濃度的關系Fig.6 Correlation of NO3--N with PO43--P concentration in AA effluent

試驗結果表明：盡管初始運行時在這個雙污泥系統中含有很高比例的DPAOs，由于電子受體NO3--N的限制以及污泥濃度的降低，AA-BAF 反硝化除磷系統處理實際生活污水時，不能保證磷的高效穩定去除。需要在反硝化除磷反應器的后端設置一定的好氧曝氣區，通過效率較高的好氧吸磷保證出水磷的達標排放[18-19]，同時，吹脫反硝化除磷產生的氮氣，改善污泥的沉降性能。

2.3 AA-BAF 系統污泥的沉降性能

圖7 所示為AA 反應器內污泥30 min 沉降比SV30，污泥容積指數(SVI)和MLSS 的變化。伴隨著污泥回流的不暢以及污泥的流失，AA 反應器內污泥質量濃度逐漸降低，由第3 天的約2 300 mg/L 降低到了第50 天的1 600 mg/L 左右。這主要是污泥流動性變差，而使回流污泥濃度逐漸降低至0 mg/L 的緣故。相應地，試驗期間污泥混合液的污泥容積指數(SVI)由最低100 mL/g 逐漸增加到119 mL/g，遠遠大于AAO-BAF 模式運行時的SVI(80 mL/g 左右)[20]。試驗結果表明，反硝化除磷產生的氮氣必須得到有效吹脫，才能維持較低的SVI，改善污泥的流動性，促使沉淀池內污泥的更新，才能保證系統的穩定運行。

圖7 AA 反應器內污泥SV30，SVI 和MLSS 的變化Fig.7 Variation of SV30,SVI and MLSS in AA reactor

需要指出的是：由于反硝化除磷過程產生的氮氣對污泥絮體的氣浮作用，試驗期間記錄的30 min 沉降比SV30中包含100 mL 量筒中的上浮污泥部分，非常松散。以第3 天的SV30為例，沉降30 min 后，下部沉淀污泥沉降比約為14%，而上浮污泥約為10%。

3 結論

1)AA-BAF 系統對COD、氨氮和TN 具有比較穩定的去除效果，AA 反應器出水COD 濃度略微上升，并且大部分COD 和幾乎全部的回流至缺氧區的NO3--N 在AA 反應器內得到了有效去除。

2) 連續運行50 d 的過程中，AA-BAF 系統的除磷性能逐漸變差，對PO43--P 的去除率由最初的80%降低到試驗末的40%以下。AA 反應器末端保持一定質量濃度的NO3--N(大于0.3 mg/L)，能夠有效抑制反硝化除磷區內磷的排放。

3) 反硝化除磷產生的氮氣必須得到有效吹脫才能維持污泥良好的沉降性能和流動性能，保證污泥回流的通暢。

[1] Murnleitner E, Kuba T, van Loosdrecht M C M, et al. An integrated metabolic model for the aerobic and denitrifying biological phosphorus removal[J]. Biotechnology Bioengineering,1997,54(5):434-450.

[2] Kerrn-Jespersen J P, Henze M. Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic condition[J]. Water Research, 1993,27(4):617-624.

[3] Zeng R J,Lemaire R,Yuan Z G,et al.Simultaneous nitrification,denitrification, and phosphorus removal in a lab-scale sequencing batch reactor[J].Biotechnology Bioengineering,2003,84(2):170-178.

[4] Kuba T, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system[J].Water Research,1996,30(7):1702-1710.

[5] Mino T,Van Loosdrecht M C M,Heijnen J J.Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process[J].Water Research,1998,32(11):3193-3207.

[6] 張耀斌, 邢亞斌, 荊彥文, 等. 厭氧-缺氧下反硝化除磷對低碳污水的處理性能研究[J]. 環境科學, 2010, 31(10):2360-2364.ZhANG Yaobin, XING Yabin, JING Yanwen, et al.Treatment of wastewater with low carbon source using denitrifying phosphorus under anaerobic-anoxic conditions[J]. Environmental Science,2010,31(10):2360-2364.

[7] 王振, 袁林江, 劉爽.A/A 系統反硝化除磷的強化及其穩定性研究[J]. 環境科學,2009,30(10):2975-2980.WANG Zhen, YUAN Linjiang, LIU Shuang. Improvement of denitrifying dephosphatation in an anaerobic/anoxic sequencing batch reactor and its stability[J]. Environmental Science, 2009,30(10):2975-2980.

[8] Kapagiannidis A G, Zafiriadis I, Aivasidis A. Effect of basic operating parameters on biological phosphorus removal in a continuous-flow anaerobic-anoxic activated sludge system[J].Bioprocess Biosystems Engineering,2012,35(3):371-382.

[9] Chen Y Z, Peng C Y,Wang J H, et al. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic/anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF)system[J].Bioresources Technology,2011,102(10):5722-5727.

[10] WANG Jianhua, PENG Yongzhen, CHEN Yongzhi. Advanced nitrogen and phosphorus removal in A2O-BAF system treating low carbon-to-nitrogen ratio domestic wastewater[J]. Frontiers of Environmental Science and Engineering in China, 2011, 5(3):474-480.

[11] Zhang W, Peng Y, Ren N, et al. Improvement of nutrient removal by optimizing the volume ratio of anoxic to aerobic zone in AAO-BAF system[J]. Chemosphere, 2013, 93(11):2859-2863.

[12] Canler J P, Perret J M. Biological aerated filters: Assessment of the process based on 12 sewage treatment plants[J]. Water Science and Technology,1994,29(10/11):13-22.

[13] 國家環境保護總局. 水和廢水監測分析方法[M].4 版. 北京:中國環境科學出版社,2002:15-25.State Environmental Protection Administration of China.Monitoring and analysis methods of water and wastewater[M].4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002:15-25.

[14] 李凌云, 彭永臻, 李論, 等. 活性污泥系統比耗氧速率在線檢測與變化規律[J]. 化工學報,2010,61(4):995-1000.LI Lingyun, PENG Yongzhen, LI Lun, et al. On-line determination and variations of specific oxygen uptake rate in activated sludge system[J]. CIESC Journal, 2010, 61(4):995-1000.

[15] 吳昌永, 彭永臻, 彭軼.A2O 工藝處理低C/N 比生活污水的試驗研究[J]. 化工學報,2008,59(12):3126-3131.WU Changyong,PENG Yongzhen,PENG Yi.Biological nutrient removal in A2O process when treating low C/N ratio domestic wastewater[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2008,59(12):3126-3131.

[16] Zhou Y, Pijuan M, Yuan Z G. Development of a 2-sludge,3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms[J].Water Research,2008,42(12):3207-3217.

[17] Mulkerrins D, Jordan C, McMahon S, et al. Evaluation of the parameters affecting nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/oxic (A/A/O) biological nutrient removal systems[J]. Journal of Chemical Technology Biotechnology,2000,75(4):261-268.

[18] Ahn J, Daidou T, Tsuneda S, et al. Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay[J]. Water Research,2002,36(2):403-412.

[19] Chung J, Kim Yo, Lee D-J, et al. Characteristics of denitrifying phosphate accumulating organisms in an anaerobic-intermittently aerobic process[J]. Environmental Engineering Science, 2006,23(6):981-993.

[20] 李欣, 彭永臻, 王建華, 等.A2O-BAF 與A2O 工藝處理較高C/N 比生活污水時的污泥沉降性對比分析[J]. 中南大學學報(自然科學版),2012,43(3):1198-1203.LI Xin, PENG Yongzhen, WANG Jianhua, et al. Comparative analysis of sludge settleability of A2O-BAF process and A2O process treating higher C/N ratio domestic sewage[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2012,43(3):1198-1203.