硝化液回流比對A2/O-BCO工藝反硝化除磷特性的影響

王 聰,王淑瑩*,張 淼,汪傳新,薛曉飛,龐洪濤,彭永臻(.北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 004；.北控水務(中國)投資有限公司,北京 004)

硝化液回流比對A2/O-BCO工藝反硝化除磷特性的影響

王 聰1,王淑瑩1*,張 淼1,汪傳新1,薛曉飛2,龐洪濤2,彭永臻1(1.北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 100124；2.北控水務(中國)投資有限公司,北京 100124)

以低C/N城市生活污水為處理對象,重點考察了硝化液回流比對A2/O - BCO(生物接觸氧化)工藝脫氮除磷特性的影響.在A2/O反應池水力停留時間(HRT)為8h,污泥回流比為100% 條件下,將硝化液回流比分別設定為100%、200%、300%和400%進行試驗.結果表明, 系統在A2/O中實現了反硝化除磷,具有很好的同步氮磷的去除效果,出水COD濃度均在50mg/L以下.上述不同硝化液回流比下總氮(TN)去除率分別為48.8%、66.5%、75.6%和62.5%,總磷(TP)去除率分別為86.0%、90.3%、91.0%和95.0%.在硝化液回流比為300%時,系統平均出水TN和TP濃度分別為14.96mg/L和0.49mg/L.系統反硝化除磷量隨著硝化液回流比的增大略有增加,在硝化液回流比為400%時,反硝化除磷量高達磷總去除量的98%.

A2/O-生物接觸氧化工藝；深度脫氮除磷；反硝化除磷；硝化液回流比

我國城市污水低C/N的問題,使舊污水處理廠大多已經達不到新污水排放標準[1],這就要求污水廠能夠采用新的運行工藝或者在原來構筑物基礎上能夠結合其他工藝來實現低C/N污水氮磷的高效去除.傳統的厭氧/缺氧/好氧(A2/O)工藝[2]在我國應用最廣,這是一個順次為厭氧、缺氧和好氧的單污泥懸浮生長系統,影響A2/O工藝處理效果的問題主要有3個[3]:

第一,硝化菌與聚磷菌(PAOs)間長短污泥齡(SRT)的矛盾;第二,由于硝態氮存在,反硝化菌會與PAOs競爭碳源,所以傳統工藝回流污泥中的硝態氮影響PAOs在厭氧區釋磷,凈磷釋放在反硝化未完成之前是不會出現的[4];最后,在污水C/N過低時,碳源的缺乏是影響同步脫氮除磷的重要因素[5].由于城市污水中C/N一般較低,使得單一的運行系統很難達到日益嚴格的排放標準.因此,在無需改造現有A2/O系統的同時獲得較好的污染物去除效果是一個挑戰[6].

陳永志[7]、王建華等[8]對于A2/O-BAF系統的研究,在解決上述問題方面有較大優勢.在A2/O-BAF系統中,A2/O中實現了反硝化除磷,且污水中可生物降解COD基本被完全利用;BAF中只完成氨氮的氧化,生成的硝態氮回流至A2/O反應器的缺氧段,從而提供一個相對嚴格的厭氧環境[9-10].但A2/O-BAF系統仍存在下述問題:首先,BAF的堵塞問題,在正常運行過程中,BAF的濾池性質必然會導致堵塞,增加日常運行與維護費用;其次,BAF水頭損失較大,水的總提升高度較大[11],對提升泵以及風壓的要求較高.

經分析,本研究提出了A2/O-BCO系統,用不需反沖洗的BCO替代BAF單元,以解決BAF的堵塞問題,且BCO單元池型為多格室完全混合式與推流式相結合的型式,容易根據氨氮負荷控制各段曝氣量,從多方面節約運行與維護能耗. A2/O-BCO系統提高了反應速率和處理效果,但運行參數對這一新系統的性能影響還不明確.本研究對從BCO單元產生的硝化液以不同回流比回流到A2/O反應器的缺氧段進行了試驗,并以實際生活污水為處理對象,連續運行5個月,考察了硝化液回流比對A2/O-BCO系統同步脫氮除磷效果的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行程序

A2/O - BCO雙污泥系統流程見圖1,A2/O為活性污泥法,BCO為生物膜法.A2/O有效容積為40L,厭氧區(ANA)、缺氧區(AN1和AN2)和好氧區(O)容積比為1:3:1,為了保證良好的推流式完全混合反應條件,及反硝化除磷反應徹底進行,在A2/O中設置兩段缺氧區,好氧區主要吸收剩余的磷和吹脫氮氣;BCO反應池有效容積為24L,進行硝化反應,均分為3個格室(記為N1、N2和N3),每格室均填充聚丙乙烯材質環形懸浮填料,填充率為45%,填料尺寸為D25mm×10mm,中心有網格結構,密度為0.96g/cm3,孔隙率為95%,有效比表面積為500m2/m3.

圖1 A2/O-生物接觸氧化系統流程示意Fig.1 Schematic diagram of A2/O - BCO biological process

1.2 接種污泥和試驗污水

A2/O反應池和BCO反應池接種污泥均取自以實際生活污水為處理對象的中試SBR反應器,污泥濃度為2500～3500mg/L.經過30d的馴化, A2/O系統達到穩定.BCO反應池悶曝3～5d后,排空污泥;隨后連續進生活污水,以動態的自然培養方法掛膜;根據掛膜進程逐漸加大進水負荷直至設計流量,當COD去除率>80%,NH4+-N去除率>85%時,標志生物膜掛膜基本完成.BCO反應池開始以A2/O反應池出水(可降解COD基本被去除)作為進水,1個月后,NH4+-N去除率平均高達97.8%.

試驗采用北京工業大學教工住宅小區化糞池生活污水,試驗期間原水水質特點見表1,原水pH值平均為7.4,試驗均在室溫下進行.

表1 原水水質特點Table 1 The influent characteristics

1.3 分析方法

MLSS、COD等指標采用標準方法測定[12],水樣采用0.45μm中速濾紙過濾, PHA采用Agilent 6890N型氣相色譜以及Agilent DB-1型氣相色譜柱、按照Oehmen等[13]改良后的方法測定; PO43--P, NH4+-N,NO2--N,NO3--N由Lachat Quikchem8500型流動注射儀測定(Lachat Instrument, Milwaukee, wiscosin);TN通過TN/TOC 分析儀(MultiN/C3100, Analytik Jena, AG)測定,采用WTW, Multi 340i pH/DO儀測定pH值和溶解氧(DO).

根據Wachtmeister等[14]推薦的方法計算反硝化聚磷菌(DPAOs)占PAOs的比例,具體方法是,從A2/O反應器的好氧段取2L活性污泥,離心分離后用蒸餾水清洗兩遍,以去除殘余的COD和其他物質的影響,并定容到2L至密閉的小試SBR反應器中,放在磁力攪拌器上攪拌,同時加入無水乙酸鈉,使初始時刻COD為200mg/L,進行2h厭氧反應;反應結束后,離心分離,將活性污泥清洗兩遍,去除剩余COD,然后均分為2份并定容至1L,1份好氧曝氣,使DO維持在3～4mg/L,另1份加入NaNO3,使初始NO3--N濃度為30mg/L,缺氧攪拌,反應時間均為2h,缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率即為系統中DPAOs占PAOs的比例.

1.4 試驗安排

A2/O進水流量為5L/h,A2/O反應池內HRT為8h, SRT為12d,污泥回流比為100%,試驗開始后硝化液回流比(記為R)分別為100%、200%、300%和400%,MLSS維持在3500mg/L左右,好氧段DO為1.0～2.0mg/L;BCO的HRT為1.9h, DO為3.0～4.5mg/L.

2 結果與討論

2.1 硝化液回流比對各污染物去除的分析

2.1.1 不同R對COD的去除特性 由圖2可知,當R分別為100%、200%、300%和400%時,盡管進入系統的生活污水中COD波動很大,但A2/O - BCO系統對COD的去除效果一直很穩定,R對COD的去除影響不大.4個R下,平均進水COD分別為(244.32±47.03),(231.16±50.92), (187.64±49.10),(240.42±34.98)mg/L,A2/O平均出水COD分別為48.95,44.29,42.51,41.08mg/L,系統最終出水COD分別為(45.75±8.89),(40.94± 7.70),(41.26±7.24),(37.31±6.51)mg/L,去除率分別為81.3%、82.3%、78.0%和84.5%.COD在A2/O中厭氧段降低幅度最大,除了有污泥回流的稀釋作用,主要是被PAOs用來合成胞內碳源聚-β-羥基鏈烷酸脂(PHA),PHA 是PAOs缺氧/好氧吸磷的貯備能量;AN1段,反硝化菌優先利用剩余COD進行反硝化作用,當可生物降解COD耗盡后,PAOs則利用PHA進行反硝化同步脫氮除磷反應;好氧段COD降幅較小,主要用于維持好氧異養菌的新陳代謝[15];COD在BCO中也得到部分去除,可能原因是其中除了自養型的硝化菌之外,還存在好氧異養菌.當R = 300%時,去除率為78.0%,這是由于該工況運行期間正值夏季,進水COD值較低導致的.A2/O平均出水COD和系統最終出水COD值均在50mg/L以下,系統A2/O中已經基本完成了可生物降解COD的氧化,這為BCO中自養型硝化菌的生長創造了有利條件.

圖2 不同硝化液回流比工況下COD的去除特性Fig.2 Removal characteristics of COD under different nitrate recycling ratios

2.1.2 不同R對氮的去除特性 由圖3可見,當R分別為100%、200%、300%和400%時,系統運行一段時間后均呈現出了穩定的硝化性能,平均NH4+-N去除率均在90%以上;進水TN平均質量濃度分別為(65.93±5.00),(64.30±4.55),(61.23±3.70), (62.96±4.46)mg/L,出水TN平均質量濃度分別為(33.78±3.95),(21.57±3.15),(14.96±1.81),(23.61± 6.00)mg/L;去除率分別為48.8%、66.5%、75.6%和62.5%,R從100%增加到300%的過程中TN去除率呈升高趨勢,但是增加到400%時,由于回流量較高,導致硝態氮未被反硝化完全,A2/O出水硝態氮濃度平均在8.02mg/L,進而形成了硝態氮的積累,導致出水TN濃度高.這與陳永志等[15]A2/O-BAF系統關于TN去除率隨內回流比增大而增加的結果不同,主要差異是A2/O中厭氧、缺氧和好氧容積比,使得反硝化程度不同,在后續的試驗中,對容積比進行優化很有必要.吳昌永等[16]認為,在R較高時(400%),回流到缺氧段的硝態氮負荷近于飽和,但是,由于進水C/N較低,缺氧段可利用的有機碳源有限,因此,碳源不足成為影響反硝化效果的主要原因;再者就是硝化液中攜帶的DO也隨著R的增大而增大,從而破壞了缺氧環境,削弱反硝化能力,這也是導致TN去除率不高的原因.

圖3 不同硝化液回流比工況下氮的去除特性Fig.3 Removal characteristics of N under different nitrate recycling ratios

圖4為不同R下氮的沿程轉化規律,原水中TN以NH4+-N為主,在A2/O厭氧區TN和NH4+-N濃度出現降低主要因為稀釋作用, A2/O的AN1和AN2發生反硝化除磷反應,O段基本不發生氨氮的氧化,氨氮的氧化主要在BCO中發生.系統最終出水以硝態氮為主,經過硝化液回流進入AN1段,為反硝化除磷提供電子受體,反硝化除磷情況決定系統脫氮效率.

表2 不同硝化液回流比工況下系統的比反硝化速率和比氨氮氧化速率Table 2 Specific denitrification rate and specific ammonia uptake rate under different nitrate recycling ratios

經過物料衡算得出4個不同R下A2/O中AN1、AN2的比反硝化速率(比反硝化速率指單位時間單位污泥的異養反硝化菌和DPAOs去除的硝態氮量)和BCO中N1、N2和N3的比氨氮氧化速率(表2).由此可知,隨著R值增大,A2/O中比反硝化速率和BCO中各好氧段比氨氧化速率均呈降低趨勢,這主要因為A2/O中MLSS、缺氧區硝態氮負荷和BCO進水氨氮負荷均受到R值變化的影響.

2.1.3 不同R對磷的去除特性 由圖5可見,當R分別為100%、200%、300%和400%時,系統均有較好的除磷效果,進水TP平均質量濃度分別為(6.12±0.55),(5.34±0.99),(5.47±0.86),(5.61±0.69)mg/ L;出水TP平均質量濃度分別為(0.86±0.39),(0.52± 0.24),(0.49±0.25),(0.28±0.21)mg/L;去除率分別為86.0%、90.3%、91.0%和95.0%,呈升高趨勢.缺氧段出水P濃度隨著R值增大而減少,可見,在R值較低的情況下,硝態氮為反硝化除磷的限制因素.圖6也表明,在R=100%時,由于電子受體不足, 在 AN2段TP濃度降低幅度最小,到O段,主要發生以氧氣為電子受體的吸磷反應;隨著電子受體的回流量增大,缺氧段反硝化除磷是除磷的最主要方式.根據Hu等[17]的研究結果,在缺氧條件下,反硝化異養菌和DPAOs爭奪有限的電子受體NO3--N, DPAOs的反硝化速率僅為反硝化異養菌的30%,如果進入缺氧區的NO3--N負荷低于反硝化異養菌的反硝化潛力,反硝化異養菌將淘汰DPAOs,而獨自利用NO3--N;反之,DPAOs將有機會利用過剩的NO3--N在系統中穩定存在.BCO穩定的硝化效果為A2/O的缺氧區提供了充足的電子受體,為反硝化除磷提供了必要條件.

圖4 不同硝化液回流比工況下氮的轉化規律Fig.4 Regularity of nitrogen transformation under different nitrate recycling ratios

圖5中,當R為400%時,盡管ANA段受到回流污泥中硝態氮的影響,平均釋磷量僅有11.84mg/L,但出水TP濃度依然能達到出水水質標準.在本試驗條件下,ANA段釋磷量受到R的影響很大,R增大到400%時,缺氧段硝酸鹽負荷過高,且缺氧段最開始可用于反硝化除磷反應的磷酸鹽濃度被稀釋為7.89mg/L,反硝化除磷去除量遠小于R為300%時,圖6也清晰表明了這一點.由此可知當R增大到500%或者更大時,首先ANA段會受到硝態氮的嚴重影響,低C/N原水中的碳源先被反硝化作用利用,用于厭氧釋磷的碳源將越來越少,厭氧釋磷量將低于R=400%時,整個系統反硝化除磷反應條件遭到惡化,系統TN去除率將嚴重下降,且R增大必然增加能耗,基于此,本試驗條件下R在400%以上的研究沒有必要.圖6中系統最終出水TP濃度略比A2/O中O段高是因為在中間沉淀池發生了輕微二次釋磷,這就要求控制R在合適的范圍內,既保障缺氧區有足夠的電子受體來完成反硝化除磷反應,同時又保證在中間沉淀池不會發生二次釋磷.

圖5 不同硝化液回流比工況下磷的去除特性Fig.5 Removal characteristics of P under different nitrate recycling ratios

由表3知,在不同R下,缺氧吸磷量分別為1.304,3.595,3.590,1.509g TP/(g MLSS?d),均高于陳永志[7]研究中的1.00,1.15,1.23,1.28g TP/(g MLSS?d);增大R,反硝化除磷量提高,當R為400%時,反硝化除磷量高達98%,也比Chen等[15]對硝化液回流比研究中的93.7%高.在R為400%的條件下,通過進行缺氧吸磷批次試驗,結果表明,DPAOs所占比例為44.46%,遠小于陳永志硝化液回流比為400%時的73%[7].

本研究中的A2/O-BCO系統與陳永志[7]研究的A2/O - BAF系統在除磷過程中呈現的厭氧釋磷情況和DPAOs占PAOs的比例均有不同.究其原因,其共同點是實現了PAOs和硝化菌的分離,低C/N的水質促進了DPAOs的生長,且后面BCO/BAF單元為前面提供穩定的電子受體硝態氮,使得反硝化除磷得以在A2/O反應器中實現;主要不同是缺氧段的HRT不同,A2/O-BAF中較長的缺氧HRT為DPAOs提供了更適宜的生存條件[15],結果富集了73%的DPAOs,明顯高于本系統中的44.46%,且最終出水TP濃度低至0.1mg/L[7].但本系統缺氧吸磷量和反硝化除磷比例均高于A2/O-BAF系統,說明本系統中微生物活性較高,通過調整運行工況,會有更好的處理效果,缺氧段最佳HRT及其對系統微生物種群的影響是值得進一步研究的問題.

圖6 不同硝化液回流比工況下磷的沿程變化規律Fig.6 Evolution of P in A2/O - BCO system under different nitrate recycling ratios

2.2 不同R對氮、磷同步去除的影響

經分析知,本試驗條件下系統同步脫氮除磷效果在R=100%、200%時明顯小于R=300%、400%時.A2/O中缺氧段的HRT為4.8h,在R=100%、200%和300%時,均能滿足有機物的進一步去除和反硝化除磷反應的充分進行,但當R=400%時,一方面回流污泥中攜帶的硝酸鹽破壞了A2/O中的厭氧環境,嚴重影響ANA段的釋磷情況和系統碳源的利用情況,影響缺氧段反硝化除磷反應,這在圖6中也可以看出;另一方面回流過來的大量硝酸鹽,使得缺氧條件下硝酸鹽負荷過高,并攜帶了大量溶解氧,導致缺氧段有效反應時間嚴重縮短,A2/O出水中硝態氮開始積累,TN去除率并沒有提高.若將缺氧段HRT適當延長,可能DPAOs的富集程度會比目前的44.46%高,且TN和TP去除率能得到同步提高.在缺氧段HRT適當延長的情況下,R進一步提高到500%以及以上數值回流比對氮、磷的同步去除效果還有待進一步研究.

表3 不同硝化液回流比工況下系統的比反硝化除磷速率和反硝化除磷量所占百分比Table 3 Specific denitrifying phosphorus removal rate and percentage of total phosphorus removal under different nitrate recycling ratios

3 結論

3.1 A2/O-BCO系統在不同R下都有很好的COD去除效果,出水均在50mg/L以下,NH4+-N和TP去除率隨著R的增大均呈增大趨勢.

3.2 BCO具有很好的硝化性能,對氨氮的氧化作用均達90%以上.

3.3 R從100%增大到400%,平均出水TN濃度分別為33.78,21.57,14.96,23.61mg/L,去除率分別為48.8%、66.5%、75.6%和62.5%.

3.4 系統實現了低C/N條件下的反硝化除磷,且反硝化除磷量隨著R的增大略有增大,但好氧段仍承擔部分除磷功能.當R=400%時,反硝化除磷量高達磷去除總量的98%.

3.5 系統在R=300%時,平均出水TN和TP濃度分別為14.96mg/L和0.49mg/L,具有很好的同步氮磷的去除效果.

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Effect of nitrate recycling ratio on denitrifying phosphorus removal characteristics in A2O-BCO process.

WANG Cong1, WANG Shu-ying1*, ZHANG Miao1, WANG Chuan-xin1, XUE Xiao-fei2, PANG Hong-tao2, PENG Yong-zhen1(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China；2.Beijing Enterprises Water Group (China) Investment Limited, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2844～2850

The characteristics of biological nitrogen (N) and phosphorus (P) removal under different nitrate recycling ratios were investigated in a Anaerobic/Anoxic/Oxic (A2O)-Biological Contact Oxidation (BCO) system when treating low C/N in municipal wastewater. The results indicated that the removal of N and P was achieved simultaneously, and denitrifying phosphorus removal (DPR) process was realized with the total hydraulic retention time (HRT) of A2O at 8h, sludge reflux ratio of 100%, and nitrate recycling ratios set as 100%, 200%, 300% and 400% respectively. The effluent concentration of COD was less than 50mg/L. The removal efficiencies of total nitrogen (TN) were 48.8%, 66.5%, 75.6% and 62.5%, and the removal efficiencies of total phosphorus (TP) were 86.0%, 90.3%, 91.0% and 95.0% under various nitrate recycling ratios. When the nitrate recycling ratio was set at 300%, average concentration of TN and TP in effluent were 14.96mg/L and 0.49mg/L. The amount of denitrifying phosphorus removed was increased slightly as the nitrate recycling ratio improved. When the nitrate recycling ratio was set at 400%, the amount of P removed by DPR accounted for 98% of the total phosphorus removed.

A2/O-biological contact oxidation (BCO) combined process；deeply biological nitrogen and phosphorus removal；denitrifying phosphorus removal；nitrate recycling ratio

X703.1

A

1000-6923(2014)11-2844-07

王 聰(1989-),女,河北省撫寧人,北京工業大學碩士,研究生,主要從事污水生物處理理論與應用研究.

2014-02-28

國家“863”項目(2012AA063406);北京市科技計劃項目(D12110900010000)

＊ 責任作者, 教授, wsy@bjut.edu.cn