高M(jìn)LSS條件下A2/O工藝處理低碳城市污水的研究

賈 濤，王天竹，周 康，王洪寧，郭樹君，邵徳武，邊德軍，王 藝，朱遂一

(1.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 050022；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障工程研究中心，吉林 長春 130117；3.中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長春 130024；4.中石油吉林石化公司109污水處理廠，吉林 吉林 132022)

高M(jìn)LSS條件下A2/O工藝處理低碳城市污水的研究

賈 濤1，2，王天竹2，3，周 康2，3，王洪寧2，3，郭樹君2，4，邵徳武2，4，邊德軍2，王 藝2，3，朱遂一2，3

(1.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 050022；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障工程研究中心，吉林 長春 130117；3.中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長春 130024；4.中石油吉林石化公司109污水處理廠，吉林 吉林 132022)

對(duì)比研究了常規(guī)與高M(jìn)LSS(混合液懸浮固體濃度)條件下，A2/O(厭氧—缺氧—好氧)工藝對(duì)低碳城市污水中有機(jī)物的去除效率和脫氮、除磷的效率.結(jié)果表明：常規(guī)MLSS條件下，由于廢水中碳源不足影響了缺氧段的反硝化效率，導(dǎo)致部分時(shí)段出水總氮質(zhì)量濃度超標(biāo).提高A2/O工藝的MLSS達(dá)到(5 000±500)mg/L，有機(jī)物去除效果基本不變，但出水總氮質(zhì)量濃度明顯下降(均值達(dá)到9.5 mg/L)，且好氧段硝化效果輕微增強(qiáng).但受高M(jìn)LSS條件下污泥齡長導(dǎo)致污泥產(chǎn)量低的影響，除磷效果下降，出水總氮升高.繼續(xù)降低好氧段DO(溶解氧)濃度，并不會(huì)影響高M(jìn)LSS條件下A2/O工藝的硝化和反硝化效果.

A2/O；活性污泥；脫氮；除磷；城市污水

A2/O(厭氧—缺氧—好氧)工藝通過空間布局在3個(gè)不同區(qū)域分別實(shí)現(xiàn)釋磷、反硝化、硝化與吸磷功能[1]，具有良好的生物脫氮、除磷效果，廣泛應(yīng)用于我國城市污水處理.理想條件下的A2/O工藝中，進(jìn)水中部分碳源在厭氧區(qū)被轉(zhuǎn)化成聚-β-羥基鏈烷酸酯(PHAs)儲(chǔ)存在微生物體內(nèi)[2]，剩余碳源進(jìn)入缺氧區(qū)作為電子供體參與異氧反硝化細(xì)菌的脫氮.然而部分季節(jié)的城市污水中有機(jī)物含量較少，C/N比相對(duì)較低而難以滿足反硝化菌和聚磷菌對(duì)碳源的需求[3]，降低了A2/O工藝的脫氮除磷效率，導(dǎo)致出水不能達(dá)到國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

將A2/O工藝的缺氧區(qū)置于厭氧區(qū)前[4-5]，可增加一個(gè)缺氧段[6]，這種增加缺氧區(qū)碳源來提高脫氮效率的改進(jìn)方法，可以強(qiáng)化A2/O工藝的脫氮、除磷效能.與此相比，根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)通過調(diào)控回流比[7-9]、溶解氧(DO)質(zhì)量濃度[10-11]、水力停留時(shí)間(HRT)[12]等參數(shù)來提高既有污水廠脫氮、除磷的穩(wěn)定性顯得更為有效，如根據(jù)缺氧段硝酸鹽濃度控制混合液回流比，強(qiáng)化異氧反硝化脫氮[8-9]；開展分段進(jìn)水來提高缺氧段外源碳濃度，減少缺氧段有機(jī)物含量低對(duì)反硝化細(xì)菌的影響[12]；降低好氧段末端DO質(zhì)量濃度實(shí)現(xiàn)硝化反硝化，降低出水中硝酸鹽濃度[10-11]等等.一些研究[3，13-14]發(fā)現(xiàn)，在長期處理低濃度城市污水的A2/O系統(tǒng)中，存在反硝化細(xì)菌以攝取的PHAs為碳源在缺氧條件下完成硝酸鹽還原的情況，但仍存在反硝化速率不高導(dǎo)致脫氮效率低下的問題.

本實(shí)驗(yàn)通過提高A2/O工藝中混合液懸浮固體濃度(MLSS)值，研究了低濃度城市污水處理系統(tǒng)的脫氮、除磷性能，進(jìn)一步控制好氧段DO質(zhì)量濃度，探索了低DO對(duì)高M(jìn)LSS條件下A2/O工藝運(yùn)行的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

A2/O裝置為有機(jī)玻璃材質(zhì)，有效容積為7.4 L，依流程分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)，如圖1所示.在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)增設(shè)攪拌裝置來強(qiáng)化混合效率；好氧區(qū)底部設(shè)置曝氣管，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量，達(dá)到向水中充氧的目的.

圖1 A2/O工藝流程圖

1.2 裝置運(yùn)行方案

A2/O裝置所用的污水取自長春市某污水處理廠初沉池出口，接種污泥取自污泥車間的干污泥.在運(yùn)行過程中，污水與回流污泥一起進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，進(jìn)行厭氧反應(yīng)；然后流入到缺氧區(qū)，同時(shí)進(jìn)入該段的還有好氧區(qū)回流的混合液，實(shí)現(xiàn)脫氮及反硝化除磷；接著流入好氧段，在好氧條件下進(jìn)一步去除水中有機(jī)物；最后流入沉淀區(qū)完成泥水分離.使用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水量、混合液回流量和污泥回流量.整個(gè)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間(HRT)設(shè)為7 h，混合液回流比為200%.

整個(gè)運(yùn)行過程可分為3個(gè)階段：(1)初始階段MLSS為(3 300±500) mg/L，經(jīng)過34 d調(diào)試后，系統(tǒng)脫氮除磷功能穩(wěn)定.(2)從運(yùn)行的第68天開始，向系統(tǒng)內(nèi)添加干污泥，調(diào)整MLSS達(dá)到(5 000±500) mg/L，維持好氧段DO質(zhì)量濃度不變，分析系統(tǒng)脫氮除磷穩(wěn)定性.(3)從運(yùn)行的第130天開始，降低好氧段的曝氣量，繼續(xù)檢測系統(tǒng)的有機(jī)物去除效率和脫氮除磷效果.

在裝置運(yùn)行階段，控制室溫來調(diào)節(jié)反應(yīng)器的運(yùn)行溫度，并利用DO探頭檢測好氧段DO質(zhì)量濃度，結(jié)果見圖2.結(jié)果顯示水溫維持在(17±2)℃，而好氧段DO質(zhì)量濃度在第1和2階段為(4±0.5) mg/L，在第3階段降低到(1.3±0.5) mg/L，并維持穩(wěn)定.

1.3 檢測方法

CODCr(化學(xué)需氣量)和MLSS的測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法(APHA，2005)[15].將樣品經(jīng)過微波密閉消解后，再利用離子色譜儀(883型，瑞士萬通)配陰離子柱測定水中總氮(TN)和總磷(TP)的質(zhì)量濃度[16].采用離子色譜儀(883型，瑞士萬通)配備陽離子柱測定水中氨氮的質(zhì)量濃度.溶解氧測定采用多功能水質(zhì)參數(shù)測定儀(340I，德國WTW).

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物的去除

在調(diào)試期間出水CODCr值波動(dòng)較大(見圖3)，35 d后，裝置出水的總氮和總磷濃度達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，表示裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段.在穩(wěn)定運(yùn)行階段，裝置平均進(jìn)水CODCr為171.7 mg/L，平均出水CODCr為34.4 mg/L，平均去除率達(dá)到79.9%.向裝置中添加干污泥后，出水CODCr迅速增大到66 mg/L左右，并出現(xiàn)波動(dòng)變化.這是低污泥負(fù)荷和氧濃度的階段性變化促使高濃度污泥中的微生物群落改變所致，而在這個(gè)階段水中大部分有機(jī)物在厭氧條件下被轉(zhuǎn)化成PHAs儲(chǔ)存在生物體內(nèi)，與之形成對(duì)比的是缺氧條件下碳源不足導(dǎo)致細(xì)菌利用儲(chǔ)存的PHAs進(jìn)行硝酸鹽的還原.[17]運(yùn)行一段時(shí)間后，出水CODCr逐漸降低并接近31 mg/L.繼續(xù)降低好氧段DO質(zhì)量濃度，發(fā)現(xiàn)出水CODCr并沒有顯著變化，因此考慮節(jié)能降耗可降低鼓風(fēng)機(jī)輸出功率來減小好氧段曝氣量.

圖2 裝置運(yùn)行溫度和好氧段的DO濃度

圖3 A2/O反應(yīng)器中有機(jī)物的去除效率

2.2 脫氮過程

圖4顯示了A2/O裝置進(jìn)水與出水的總氮變化情況，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過調(diào)試后普通MLSS條件下的出水總氮質(zhì)量濃度均值為14.2 mg/L，但部分取樣點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度超過15 mg/L.在這個(gè)階段氮的去除主要依靠缺氧段發(fā)生的反硝化作用，進(jìn)入缺氧段的有機(jī)物作為電子供體使硝酸鹽在缺氧條件下被還原成氮?dú)?受進(jìn)水有機(jī)物濃度低的影響，缺氧段碳源缺失導(dǎo)致異氧反硝化僅依靠內(nèi)源碳PHAs，從而降低了反硝化速率.另外，沉淀段泥水分離效果良好，并未見到污泥上浮現(xiàn)象，可以認(rèn)為二沉池底部并未出現(xiàn)硝化和反硝化現(xiàn)象.結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，普通MLSS條件下隨著進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度的增加，出水總氮濃度逐漸上升.進(jìn)水總氮與出水總氮質(zhì)量濃度之間呈現(xiàn)一定線性關(guān)系(見圖5)，通過計(jì)算可知在普通MLSS下保持進(jìn)水總氮低于39.1 mg/L時(shí)，才可以在低CODCr進(jìn)水條件下維持出水總氮在15 mg/L以下.圖6顯示了普通MLSS條件下進(jìn)水C/N質(zhì)量濃度比與出水總氮質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水C/N質(zhì)量濃度比普遍在4.2～5.5之間，這暗示進(jìn)水有機(jī)物濃度與A2/O工藝脫氮除磷所需碳源相比嚴(yán)重不足.另外，也可以發(fā)現(xiàn)提高進(jìn)水有機(jī)物濃度或C/N質(zhì)量濃度比，可以明顯降低出水總氮的質(zhì)量濃度.

圖4 A2/O反應(yīng)器中總氮去除效率

圖5 普通MLSS條件下進(jìn)水總氮與出水總氮的關(guān)系

高M(jìn)LSS條件運(yùn)行一段時(shí)間后，裝置出水平均總氮質(zhì)量濃度達(dá)到9.5 mg/L，低于普通MLSS條件下運(yùn)行的出水總氮值.A2/O工藝中脫氮主要影響因素是缺氧段中可利用有機(jī)碳的總量(包括外源碳和聚集在細(xì)菌內(nèi)部的PHAs)以及缺氧段中硝酸鹽的含量.在實(shí)驗(yàn)中混合液回流量恒定，表示進(jìn)入缺氧段的硝酸鹽濃度維持不變.在這個(gè)階段，提高M(jìn)LSS理論上進(jìn)一步降低了污泥負(fù)荷，促使大部分有機(jī)物在厭氧段被轉(zhuǎn)化為內(nèi)源碳PHAs.如前所述，依靠內(nèi)源碳PHAs來完成異氧反硝化會(huì)降低缺氧段的反硝化速率.但是MLSS的提高有助于缺氧段缺氧條件的形成，同時(shí)也相應(yīng)地增加了依靠內(nèi)源碳進(jìn)行反硝化細(xì)菌的數(shù)量，維持了穩(wěn)定的反硝化效率.隨著泥齡的延長，活性污泥中這部分細(xì)菌逐漸生殖并占據(jù)主要生態(tài)位，使系統(tǒng)出水總氮質(zhì)量濃度維持在穩(wěn)定水平.圖7顯示了高M(jìn)LSS條件下C/N質(zhì)量濃度比與出水總氮質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)雖然進(jìn)水C/N質(zhì)量濃度比在4～6.5之間，但出水總氮質(zhì)量濃度均低于11 mg/L，表明提高M(jìn)LSS并穩(wěn)定運(yùn)行后，A2/O裝置能夠在低有機(jī)進(jìn)水條件下維持高效脫氮.

圖6 普通MLSS條件下C/N質(zhì)量濃度比與出水TN之間的關(guān)系

圖7 高M(jìn)LSS條件下C/N質(zhì)量濃度比與出水TN之間的關(guān)系

一些研究發(fā)現(xiàn)[18-19]，好氧段后部溶解氧質(zhì)量濃度維持在1 mg/L水平時(shí)，可以促進(jìn)反硝化細(xì)菌生長，提高硝化和反硝化效果，最終能夠降低出水總氮質(zhì)量濃度.但是受碳源不足影響，在好氧段實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化(SND)效果不顯著，與傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮一樣需要足夠的碳源，因此圖4中顯示出降低好氧段DO對(duì)總氮去除影響不大.

氨氮在厭氧和缺氧段，僅有很少一部分被用于微生物同化作用，大部分經(jīng)過曝氣段轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，再通過混合液回流將硝酸鹽引入缺氧段發(fā)生反硝化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛鴱乃腥コ?圖8顯示了A2/O裝置進(jìn)水和出水氨氮的濃度變化，發(fā)現(xiàn)提高M(jìn)LSS似乎有助于進(jìn)一步強(qiáng)化氨氮的去除.這是因?yàn)樵诘吞妓綍r(shí)，提高好氧區(qū)MLSS進(jìn)一步降低了污泥負(fù)荷，異氧微生物活性受到抑制，自養(yǎng)硝化菌大量生殖并占據(jù)主導(dǎo)地位，從而促使氨氮被硝化菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽.另外在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，污泥產(chǎn)率低、泥齡長，適合自養(yǎng)硝化菌生殖.盡管較高的溶解氧(如2～5 mg/L)有利于硝化作用的快速完成，但在本次實(shí)驗(yàn)中，控制曝氣區(qū)表面溶解氧質(zhì)量濃度接近1 mg/L，仍然可達(dá)到理想的硝化水平.

2.3 除磷過程

圖9顯示了A2/O裝置進(jìn)水和出水總磷(TP)質(zhì)量濃度的變化情況，結(jié)果表明普通MLSS條件下出水總磷質(zhì)量濃度均值在0.98 mg/L，優(yōu)于高M(jìn)LSS條件下出水TP的質(zhì)量濃度值，且低氧條件下運(yùn)行也未出現(xiàn)出水TP繼續(xù)升高的現(xiàn)象.由于在A2/O裝置中磷的去除遵循空間分布，聚磷菌厭氧段釋放磷會(huì)使總磷質(zhì)量濃度升高到30 mg/L以上[3]，然后在好氧段吸收磷最后使總磷質(zhì)量濃度降低到0.5 mg/L以下的水平.由于高M(jìn)LSS條件下，細(xì)菌世代周期長而生長緩慢，產(chǎn)生的剩余污泥量較少，進(jìn)而導(dǎo)致除磷效果輕微下降，但仍然能滿足廢水排放標(biāo)準(zhǔn).這是因?yàn)樵趨捬醵吾尫帕椎倪^程中，細(xì)菌會(huì)分解水中有機(jī)物并合成內(nèi)源碳PHAs儲(chǔ)存在微生物體內(nèi)，這個(gè)步驟是整個(gè)A2/O系統(tǒng)具有良好脫氮除磷效果的關(guān)鍵所在，其促進(jìn)了缺氧段聚磷菌利用內(nèi)碳源的反硝化吸磷，同時(shí)也解決了碳源不足帶來的反硝化異氧菌生殖受阻的問題.盡管缺氧段反硝化異氧菌的脫氮速率是反硝化聚磷菌的3倍[20]，但這兩類細(xì)菌都會(huì)以硝酸鹽為電子受體完成各自的脫氮或除磷過程.這也可以判斷，調(diào)節(jié)混合液回流中硝酸鹽濃度可以促進(jìn)反硝化聚磷菌的生長，有助于缺氧條件下反硝化聚磷.此外，在好氧段氨氮被氧化，產(chǎn)生的能量也以三磷酸腺苷的形式儲(chǔ)存在細(xì)菌體內(nèi)，進(jìn)一步強(qiáng)化了系統(tǒng)的除磷效能.由于厭氧區(qū)出現(xiàn)反硝化現(xiàn)象會(huì)消耗厭氧條件下的低有機(jī)碳源，并妨礙微生物體內(nèi)PHAs的合成，影響厭氧條件下磷的釋放，因此在A2/O裝置調(diào)控時(shí)需要避免這種脫氮現(xiàn)象.此外，高M(jìn)LSS運(yùn)行有明顯的缺陷，其增大了沉淀池的表面負(fù)荷，但在本次實(shí)驗(yàn)中沉淀池泥水分離效果良好，并未出現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象.

圖8 A2/O反應(yīng)器中氨氮的去除效率

圖9 A2/O反應(yīng)器中總磷的去除效率

3 結(jié)論

常規(guī)MLSS條件下A2/O工藝在處理低碳源城市污水時(shí)，缺氧段碳源缺失影響異氧菌的反硝化速率，導(dǎo)致出水總氮值不穩(wěn)定.提高M(jìn)LSS有助于缺氧段缺氧條件的形成，并促進(jìn)利用PHAs為電子供體的反硝化細(xì)菌的生殖，由此強(qiáng)化脫氮效率，出水總氮質(zhì)量濃度均值達(dá)到9.5 mg/L.好氧段自養(yǎng)硝化菌的大量生殖，進(jìn)一步改善了氨氮的硝化效率，但污泥濃度增大導(dǎo)致泥齡延長，微生物生長緩慢使污泥生成量下降影響了排泥效果，導(dǎo)致出水總磷質(zhì)量濃度升高.降低曝氣段溶解氧濃度，并不會(huì)影響系統(tǒng)的脫氮、除磷和硝化效果.

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(責(zé)任編輯：方 林)

Enhanced treatment of low carbon-to nitrogen ratio domestic wastewater using a continuous anaerobic-anoxic-aerobic(A2/O) process at high MLSS condition

JIA Tao1，2，WANG Tian-zhu2，3，ZHOU Kang2，3，WANG Hong-ning2，3，GUO Shu-jun2，4，SHAO De-wu2，4，BIAN De-jun2，WANG Yi2，3，ZHU Sui-yi2，3

(1.Hebei Survey Institute of Environmental Geology，Xingtai 050022，China;2.Jilin Engineering Research Centre for Municipal Wastewater Treatment and Water Quality Protection， Northeast Normal University，Changchun 130117，China;3.China Northeast Municpal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Changchun 130024，China;4.No.109 Wastewater Treatment Plant，Petrochina Jilin Petrolchemical Company，Jilin 132022，China)

The effect of high MLSS on the removal of organic matter，the denitrification and the dephosphorization were studied by using a continuous A2/O process for the treatment of low carbon-to nitrogen domestic wastewater.The results show that the lack of carbon resource in anoxic zone running at normal MLSS obviously affected the denitrification efficiency and the TN of effluent exceeded the discharge standard.When the MLSS reached(5000±500)mg/L in A2/O process，the average of TN in effluent was low to 9.5 mg/L and the denitrification efficiency was significantly promoted although the removal of organic matter was similar to that at normal MLSS process.The biological nitrification in aerobic zone was also improved to acquire a lower ammonia nitrogen concentration in effluent.However，a slightly increase in TP concentration was found in the effluent because high MLSS increased the active sludge age to benefit the proliferation of the bacteria which has longer generation period and then reduced the sludge production.Moreover，a lower DO concentration of(1.3±0.5)mg/L in aerobic zone did not have any effect on the nitrification and denitrification of A2/O process running at a high MLSS.

anaerobic-anoxic-aerobic process；active sludge；denitrification；dephosphorization；domestic wastewater

1000-1832(2017)02-0163-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.02.029

2015-08-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2014ZX07201-011-004-2)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578118，51478096，51508079)；吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20150101072JC).

賈濤(1983—)，男，碩士研究生;通訊作者：王藝(1978—)，女，博士，講師，主要從事污水處理與資源化研究.

X 703.1 [學(xué)科代碼] 610.3020

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