AAO耦合生物濾池法處理抗生素類生產廢水機理探討

陳建發（漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建 漳州363000；農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心，福建 漳州363000）

廢水中氮、磷的去除涉及硝化、反硝化及釋磷和放磷等多個復雜的生化過程。上述每一個生化過程對微生物組成、基質類型和環境條件的要求也互不相同［l］。AAO工藝是目前污水處理領域常見的脫氮除磷工藝［2］，是我國污水處理的主流工藝之一。至2013年，全國共建設AAO工藝污水廠1071座，占全國污水廠總數4136座的25.89%；但AAO的研究與工程應用多以生活污水為處理對象，而AAO直接處理工業廢水的報道很少，特別是以抗生素類制藥為主的混合工業廢水的處理少見報道。抗生素生產企業排放的廢水是一類成分復雜、色度高、生物毒性大、含多種生物抑制物質的高濃度難降解有機廢水，是目前污水處理業界的難點和熱點。抗生素生產企業生產過程產生的廢水極難處理，經企業污水處理站預處理后排入工業區污水管網的廢水更難處理。在國內外研究的基礎上［3～6］，筆者采用“AAO＋生物濾池＋絮凝沉淀”耦合技術處理以抗生素類制藥為主的混合工業廢水，取得了很好的處理效果，其處理效果大大優于某工業污水廠“水解酸化＋MSBR＋絮凝沉淀”工藝［7］。但試驗中發現AAO去除污染物的機理與傳統的脫氮除磷機理不相完全吻合，有些甚至矛盾，其脫氮除磷機理尚不十分明確。為此，采用該耦合技術以實際混合工業廢水為試驗水質，比較分析該耦合工藝一體化協同處理新技術對以抗生素類制藥為主的混合工業廢水的生物去除效率，探討其生物去除機理，以期為該耦合技術的工程設計和優化運行提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗工藝流程

試驗工藝流程如圖1所示，反應器采用的是自制有機玻璃池體。除進水、污泥回流、硝化液回流及絮凝加藥均采用統一型號蠕動泵泵送，其余各個反應器之間水力連通采用重力流，其中內回流比為100% （進水流量Q＝30.0L／h）。厭氧池和缺氧池均安裝可調速攪拌器，控制轉速以嚴格控制好溶解氧分別在0.20mg／L以下和0.20～0.50mg／L；好氧池也安裝可調速攪拌器，再加上微孔曝氣膜曝氣，以更好控制溶解氧在2.0～3.0mg／L，好氧池泥水分離區安裝穿孔管以便排泥，更好控制污泥濃度。水力停留時間 （HRT）是AAO工藝運行的關鍵因素。為便于研究“AAO法＋生物濾池＋絮凝沉淀”耦合工藝對實際混合工業廢水的處理效果，試驗中各處理單元的HRT參考某污水廠相應單元的HRT，總HRT與污水廠基本一致。

圖1 污水處理工藝流程圖

1.2 接種污泥

試驗所用接種污泥取自試驗污水廠二沉池的回流污泥。間歇培養過程20d后，當污泥絮體很大、沉降性能很好、出水清澈沒有懸浮物時，即把活性污泥投入相應反應器進行試驗，控制污泥濃度MLSS＝3600mg／L左右。

1.3 試驗水質及試驗方法

試驗進水為試驗污水處理廠調節池隨機時段的出水，其主要污染物COD、氨氮和TP的日平均質量濃度分別為223～691、24.7～75.8mg／L和4.52～28.1mg／L。

設計處理水量30L／h，試驗經過3周調試成功、連續穩定運行10d后，于11月23日至27日連續5d取樣監測，探討該耦合工藝各生物處理段 （包括厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池）對COD、氨氮和TP的去除效率比較與去除機理分析。

1.4 檢測項目及分析方法

水質指標分析項目及檢測方法如表2所示。

2 結果與分析

表2 水質指標分析項目及方法

2.1 各單元COD的生物去除效率與機理分析

COD生物去除效果對比如圖2所示。由圖2可見，試驗生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對COD的平均去除效率分別為34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，COD平均總生物去除率73.2%。顯然，AAO中各單元處理效率呈現好氧池＞厭氧池＞缺氧池，這是因為該抗生素廢水中大分子、難降解有機物含量高，在厭氧單元主要是發生水解酸化、開環和斷鏈，將大分子、難降解的有機物轉化為小分子、易降解的有機物，為后續好氧池的高效生物降解提供條件。當然，該抗生素廢水中小分子、易降解的有機物在厭氧單元也首先得到部分生物降解。在缺氧池，對COD的平均去除效率僅6.8%，這是因為缺氧池主要是反硝化作用，并少量生物降解該抗生素廢水中小分子、易降解的有機物。而好氧池對COD的平均去除效率最高，為47.0%，這是由于有機物的降解主要依靠好氧微生物的生物代謝作用。曝氣生物濾池對COD的平均去除效率18.1%，這是因為曝氣生物濾池對有機物的去除主要是依靠物理攔截、化學氧化和生物代謝共同作用。

2.2 氨氮的生物去除效率與機理分析

氨氮生物去除效果對比如圖3所示。由圖3可見，試驗生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對氨氮的平均去除效率分別為9.8%、18.4%、66.3% 和19.9%，氨氮平均總生物去除率80.1%。試驗中厭氧單元主要發生水解酸化，但對氨氮的平均去除效率為9.8%，按經典的脫氮理論無法解釋。但很多實際污水處理廠卻發現厭氧條件下能脫硝［8］。經典脫氮理論認為硝化作用只發生在好氧條件下，而反硝化只能在厭氧或缺氧的條件下進行。但厭氧氨氧化 （anaerobic ammonia oxidation，Anammox）理論突破了長期以來氨氧化必須有氧參與的觀念，它提出一種以氨為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體的生物反應，反應物為氮氣，其反應式為：NH＋4＋NO－2→N2＋2H2O［9，10］，它突破了經典的硝化－反硝化理論，開創了嶄新的生物脫氮工藝。另外，20世紀80年代科學家發現了好氧反硝化菌，且在許多實際運營中的好氧硝化池中也常常發現有30%的總氮損失［11，12］。好氧反硝化菌的發現使硝化／反硝化反應在同一個反應器即好氧池中進行成為現實，并證明了自然界中好氧反硝化菌的生物多樣性，且在處理過程中好氧反硝化細菌更容易控制，這表明好氧反硝化菌理論對廢水生物脫氮又有了全新的貢獻［13］。因此，新的脫氮理論－厭氧氨氧化理論能很好解釋這點。因為NH＋4在厭氧條件下以NO－2為電子受體直接被氧化為N2。傳統的生物脫氮包括氨化、硝化和反硝化3個生化過程。但是隨著對生物脫氮機理、實際工藝運行及其環境微生物學研究的深入，不少學者發現在自然界及污水處理廠中存在著多種不同的氮轉化途徑，如：①短程硝化反硝化，將硝化過程控制在NO－2階段，再直接進行反硝化；②厭氧氨氧化，NH＋4在厭氧條件下以NO－2為電子受體然后直接被氧化為N2；且同時硝化反硝化、缺氧反硝化、好氧的硝化和好氧的BOD氧化并行同時發生。此外，發現處理水質對氨氧化菌AOB及細菌群落結構有明顯影響，處理規模對AOB和細菌群落結構也有一定影響［14］。而本試驗確實發生厭氧氨氧化，是因為該活性污泥中被馴化出厭氧氨氧化菌。

圖2 各生物處理單元不同日期COD處理效果對比

圖3 各生物處理單元不同日期氨氮處理效果對比

缺氧池對氨氮的平均去除效率為18.4%，雖然偏低，按傳統脫氮理論是能夠解釋的。好氧池對氨氮的平均去除效率最高，高達66.3%，這是因為好氧條件下發生了硝化反應，硝化菌的活性很高，且應該發生好氧反硝化，這才能解釋缺氧池對氨氮的平均去除效率偏低的現象 （18.4%）。一般認為硝化作用只發生在好氧條件下，而反硝化只能在厭氧或缺氧的條件下進行。但20世紀80年代科學家發現了好氧反硝化菌，而在許多實際運營中的好氧硝化池中也常常發現有30%的總氮損失。人們推測這些好氧反硝化菌可能廣泛存在于廢水生物處理池和自然環境中，而且對廢水生物脫氮有一定的貢獻。諸多學者分別證實了這一點［13，15～17］。曝氣生物濾池對氨氮的平均去除效率19.9%，這是因為曝氣生物濾池對氨氮的去除也是依靠物理攔截、化學氧化和生物代謝共同作用。

2.3 TP的生物去除效率與機理分析

TP生物去除效果對比如圖4所示。

經典污水除磷技術有化學除磷和生物除磷2種主要方式，而生物除磷技術主要含括同化吸收和強化生物除磷2種作用，但僅依靠同化吸收作用，往往不能實現磷的達標排放。聚磷菌 （PAOs）能夠在厭氧／好氧交替的條件下逆濃度梯度超過自身生長需要10多倍的量大量吸收磷酸鹽到體內，并以多聚磷酸鹽的形式儲存。強化生物除磷就是利用聚磷菌的這種特性，通過排除富含多聚磷酸鹽的剩余污泥來實現去除污水中磷的目的［17］。這也就是經典生物除磷理論——厭氧條件下釋放磷，好氧條件下吸收磷。但是，由圖4可見，試驗生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對TP的平均去除效率分別為22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，TP平均總生物去除率83.4%。厭氧池對TP的平均去除效率為22.8%，對此經典的除磷理論無法解釋，因為經典生物除磷理論認為厭氧條件下釋放磷，即厭氧條件下釋放磷、好氧條件下吸收磷達到污水中除磷的目的，但反硝化除磷理論的提出，為有效解決傳統脫氮除磷工藝中存在的矛盾問題提供了新方法。反硝化除磷又稱為缺氧吸磷，是指在缺氧／厭氧交替運行的情況下，逐漸馴化出一類以NO－3－N作為最終電子受體的反硝化聚磷菌的優勢菌屬，該菌屬能以NO－3作為電子受體，利用內碳源（PHB），通過“一碳雙用”方式同時發生反硝化脫氮和吸磷作用。因此，反硝化除磷理論打破了傳統脫氮除磷機理所認為的脫氮除磷必須分別由專性反硝化菌和專性聚磷菌來完成的理念，實現了反硝化脫氮過程和除磷可以由同一類微生物來完成，這對生物脫氮除磷機理又是一重大理論突破，為生物脫氮除磷工藝的拓展開辟了新領域［18，19］。反硝化除磷理論恰好能很好解釋上述現象。因為該工藝AAO中厭氧池應該生長著大量的反硝化聚磷菌，作為優勢菌屬，能以NO－3作為電子受體，利用內碳源（PHB），通過“一碳兩用”方式同時實現反硝化脫氮和吸磷作用，這也佐證了厭氧池對氨氮的平均去除效率為9.8%的現象。缺氧池對TP的平均去除效率為25.1%，這是由于缺氧池發生了明顯的缺氧吸磷作用。好氧池對TP的平均去除效率為63.5%，除了污泥的吸附外，這與經典生物除磷理論——厭氧條件下釋放磷、好氧條件下吸磷相吻合。生物濾池對TP的平均去除效率21.5%，這同樣是曝氣生物濾池發生物理攔截、化學氧化和生物代謝等協同作用的結果。

圖4 各生物處理單元不同日期TP處理效果對比

3 結論

1）采用“AAO法＋生物濾池＋絮凝沉淀”組合工藝處理難生物降解的抗生素類制藥廢水為主的混合工業廢水，對COD、氨氮和TP的生物去除效率分別為73.4%、80.1%和83.4%，系統取得了很好的處理效果。

2）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對COD的平均去除效率分別為34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，在厭氧單元主要是發生水解酸化、開環和斷鏈，有機物去除主要依靠好氧微生物的生物代謝作用。

3）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對氨氮的平均去除效率分別為9.8%、18.4%、66.3%和19.9%，試驗中厭氧單元由于發生厭氧氨氧化對氨氮一定的生物降解作用，缺氧池因缺氧反硝化對氨氮明顯的生物降解作用，好氧池發生了好氧硝化反應，且發生好氧反硝化反應，對氨氮的去除起主導作用。

4）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對TP的平均去除效率分別為22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，厭氧池應該生長著大量的反硝化聚磷菌，同時實現反硝化脫氮和吸磷作用。缺氧池發生明顯的缺氧吸磷作用。好氧池因好氧吸磷，對TP的去除貢獻最大。

5）生物濾池對COD、氨氮和TP的去除，主要是物理吸附、機械過濾和生物降解等協同作用的結果。

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