混合液回流比對一體化組合系統(tǒng)脫氮除磷的影響及物料衡算分析

李冬冬+夏姣+劉紹根+劉晨

摘要：在污泥回流比r=100%條件下，分別設(shè)定混合液回流比R=100%、200%、300%和400%，試驗(yàn)研究了其對生物絮凝-水解酸化-A2/O一體化組合系統(tǒng)去除C、N、P的影響。結(jié)果表明：4種工況下出水COD均低于35 mg/L，皆能達(dá)到1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；TN平均去除率分別為53.23%，62.01%，71.95%，58.31%；TP的平均去除率分別為84.78%、87.77%、90.24%和87.26%。通過物料衡算發(fā)現(xiàn)，在最佳工況下，整個(gè)系統(tǒng)中有18.05%的TN是通過生物絮凝池去除的，有76.39%的TN是通過缺氧池去除的，另外好氧池對TN的去除十分有限，只占整個(gè)系統(tǒng)的5.56%。4種內(nèi)回流比條件下反硝化除磷占除磷的百分比分別為：11.06%、22.86%、29.31%和24.56%。混合液回流比的改變對COD去除效率的影響不大，對氨氮去除效果也無明顯差異，系統(tǒng)對總氮的去除效果隨著混合液回流比的增大呈先上升后減小的趨勢，混合液回流比的改變對除磷效果產(chǎn)生間接的影響，在R=100%～300%時(shí)，反硝化除磷效果隨著混合液回流比的增大而增大，但是隨著混合液回流比的進(jìn)一步增大，除磷效果反而降低，綜合考慮系統(tǒng)的去除COD和脫氮除磷效果，確定最優(yōu)工況為混合液回流比R=300%。

關(guān)鍵詞：一體化組合系統(tǒng)； 混合液回流比； 脫氮除磷； 物料平衡

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）14-0064-04

1 引言

城市生活污水普遍存在碳氮比較低的問題[1]，碳源不足會(huì)導(dǎo)致污水處理效果降低，脫氮除磷反應(yīng)不徹底，出水不達(dá)標(biāo)。對于一些成分比較復(fù)雜、可生化性比較差的工業(yè)廢水，這一問題更加明顯。針對碳源不足這個(gè)問題，實(shí)際工程應(yīng)用中采用較多的是投加碳源（例如乙酸鈉）這一方法，雖然這會(huì)使得污水處理效率得到提高，但同時(shí)也大大的提高了污水處理的成本。本研究課題采用了一體化組合工藝，由生物絮凝、水解酸化和A2/O三個(gè)部分組成。此裝置的特點(diǎn)是利用生物絮凝的絮凝吸附作用去除污水中的大分子和難降解有機(jī)物，產(chǎn)生的絮凝污泥經(jīng)水解酸化工藝將之前吸附的大分子、難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化成能夠被微生物利用的溶解態(tài)小分子有機(jī)物，再作為外加碳源經(jīng)過計(jì)量泵投加到A2/O的缺氧池中，提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

目前國內(nèi)外學(xué)者對污水生物脫氮除磷的機(jī)理、影響因素、工藝特點(diǎn)等方面的研究正在不斷加深，與此同時(shí)，出現(xiàn)了倒置A2/O工藝、UCT工藝、改良式A2/O工藝、三環(huán)式A2/O工藝等多種工藝流程[2]。但是大部分研究多集中在脫氮除磷效果和去除機(jī)理上，對工藝中的C、N、P的物料衡算分析研究較少。在改良型A2/O工藝中，混合液回流比是重要的工藝控制參數(shù)，對系統(tǒng)的脫氮和除磷均產(chǎn)生重大的影響[3]。通過考察混合液回流比對生物絮凝-水解酸化-A2/O一體化組合系統(tǒng)去除C、N、P的影響，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)工況并分析了混合液回流比對系統(tǒng)的污染物去除影響規(guī)律及其物料衡算。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)用水

本試驗(yàn)使用的污水取自合肥市朱磚井污水處理廠的曝氣沉砂池末端，活性污泥取自朱磚井污水廠SBR池，ABR反應(yīng)器使用的底物污泥是初沉池底部流入反應(yīng)器的絮凝吸附污泥，接種污泥是已培養(yǎng)成熟的水解酸化污泥。水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，絮凝污泥、水解酸化液的性質(zhì)分別如表2、表3所示。

2.2 試驗(yàn)裝置與工藝流程

本試驗(yàn)所用裝置為一體化組合系統(tǒng)，主要由生物絮凝吸附、水解酸化以及A2/O工藝組成，啟動(dòng)期間環(huán)境溫度在25℃左右，裝置示意圖如圖1所示。

生物絮凝部分由生物絮凝池和初沉池組成，主要是通過生物絮凝作用收集污水中懸浮態(tài)、膠體態(tài)等有機(jī)物[4]。進(jìn)水與好氧池回流的活化污泥（通過計(jì)量泵來完成回流）在絮凝池內(nèi)攪拌混合，回流量為0.5Q，絮凝池污泥濃度保持在1500～2500 mg/L范圍內(nèi)，混合液流入初沉池，在初沉池內(nèi)完成泥水分離，上清液流入A2/O的厭氧池中，池底的污泥有一部分重力自流至水解酸化池，另外一部分作為剩余污泥從排泥口排出系統(tǒng)。系統(tǒng)的處理水量為50L/h，絮凝池和初沉池的水力停留時(shí)間（HRT）均為30 min，該部分的污泥齡（SRT）設(shè)定為3 d。

A2/O工藝主要由厭氧池、缺氧池、好氧池以及二沉池構(gòu)成。厭氧池、缺氧池、好氧池的水力停留時(shí)間分別為2 h、2 h、8 h，容積分別為0.2 m³、0.4 m³、1.6 m³。初沉池的上清液和回流污泥在厭氧池中混合，池中裝有攪拌器，有利于泥水充分混合以便完成厭氧釋磷的過程[5]。隨后泥水混合液將進(jìn)入缺氧池中，在該池中與好氧池回流的硝酸鹽混合液混合，該池中會(huì)發(fā)生反硝化脫氮反應(yīng)及反硝化除磷反應(yīng)[5]。之后混合液會(huì)進(jìn)入好氧池，曝氣量通過流量計(jì)控制，DO控制在2～3 mg/L之間，有機(jī)物在此進(jìn)一步降解、聚磷菌攝取磷等過程均在好氧池發(fā)生[6]。最后好氧池中的泥水混合液會(huì)進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，上清液作為系統(tǒng)的總排水排除系統(tǒng)，底部的污泥一部分作為回流污泥通過計(jì)量泵抽回至厭氧池中，另一部分為剩余污泥由排泥口排出系統(tǒng)[7]。控制排泥量，將MLSS維持在3.0～3.5 g/L之間。設(shè)定二沉池污泥回流體積比為100%，并設(shè)置了4組內(nèi)回流系統(tǒng)的運(yùn)行工況：分別為100%、200%、300%和400%。

水解酸化部分由ABR反應(yīng)器和一個(gè)碳源儲(chǔ)備池組成，主要功能是對生物絮凝污泥進(jìn)行厭氧產(chǎn)酸反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFA）等易被生物利用的有機(jī)物作為系統(tǒng)脫氮除磷的碳源[8]。接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室已有水解酸化反應(yīng)器中培養(yǎng)成熟的水解酸化污泥，底物污泥來自初沉池底部的部分絮凝污泥流至上下流式的ABR反應(yīng)器里，經(jīng)過10 h的水力停留時(shí)間后水解酸化至碳源儲(chǔ)備池中。運(yùn)行穩(wěn)定好，水解酸化液中COD、氨氮和磷酸鹽平均值為325 mg/L、22 mg/L、1.9 mg/L。水解酸化液可通過計(jì)量泵投加至A2/O部分的缺氧池或厭氧池中，投加量為1/3Q。

2.3 分析項(xiàng)目及方法

本試驗(yàn)檢測的污泥指標(biāo)主要有混合液懸浮固體濃度（MLSS），污水指標(biāo)主要有化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）以及間歇監(jiān)測溶解氧等。檢測方法主要參照標(biāo)準(zhǔn)方法[9]測定：COD采用快速密閉催化消解法；TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑光度法；TP采用鉬酸銨分光光度法。

3 結(jié)果與討論

3.1 混合液回流比對COD去除的影響規(guī)律

在設(shè)定污泥回流比r=100%條件時(shí)，通過改變混合液回流比，來探究其對一體化組合系統(tǒng)COD去除的影響規(guī)律。表4所示為一體化組合系統(tǒng)在不同工況下COD的沿程變化情況，從表中可以看出，四種工況下出水COD皆能達(dá)到1級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中，當(dāng)R=300%時(shí)，系統(tǒng)對COD的去除效率最高，但是四種條件下差別不是很大。COD的第一次大量去除主要發(fā)生在生物絮凝池中，生物絮凝工藝對COD的去除率分別為52.25%、52.33%、52.41%和53.50%。COD的第二次大幅度降低主要發(fā)生在厭氧池中，這是由于厭氧池中聚磷菌大量利用有機(jī)物合成體內(nèi)PHB進(jìn)行厭氧釋磷造成的[10]。然而缺氧池與厭氧池出水COD相近，有時(shí)甚至偏高是因?yàn)樵谌毖醭刂型都恿怂馑峄骸Ｗ詈螅毖醭爻鏊M(jìn)入到好氧池中，在曝氣條件下易氧菌對有機(jī)物的降解作用，COD進(jìn)一步降低。可以發(fā)現(xiàn)，一體化組合系統(tǒng)對COD的去除效果受混合液回流比的影響較小，可能污水中有機(jī)物的可生化性和污泥濃度對其影響更大，當(dāng)然這也需要后續(xù)的相關(guān)試驗(yàn)來論證。

3.2 混合液回流比對脫氮的影響規(guī)律及物料衡算

在4種不同混合液回流比條件下，一體化組合系統(tǒng)對氨氮去除效果無明顯差異，平均去除率分別為97.42%、98.07%、98.34%、98.79%，其中生物絮凝吸附工藝對氨氮去除率分別為22.96%、20.96%、20.34%和20.77%。在100%～400%內(nèi)回流下，氨氮均有很好的去除效果，出水氨氮均小于1 mg/L。在混合液回流比分別為R=100%、200%、300%、400%條件下，對應(yīng)的TN平均去除率分別為53.23%、62.01%、71.95%、58.31%。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對總氮的去除效果隨著混合液回流比的增大呈上升的趨勢，如圖2所示，混合液回流比為300%時(shí)，TN去除效果最好，出水TN最低，能夠穩(wěn)定在15 mg/L以下，達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)內(nèi)回流比上升到400%時(shí)，總氮的去除率卻下降到58.1%，這可能有以下兩點(diǎn)原因：①混合液回流比例過高，帶來了大量的溶解氧，破壞了缺氧池的反硝化環(huán)境。②硝化液此時(shí)雖多，但是碳源供給不足。

一體化組合工藝對TN的的去除是通過生物絮凝工藝（含有大量硝化液的活化污泥回流至絮凝吸附池，在攪拌條件下發(fā)生一定程度的反硝化反應(yīng)）、缺氧池中的反硝化過程和好氧池中發(fā)生的同步硝化與反硝化共同造成的。為進(jìn)一步分析系統(tǒng)各池的脫氮情況，根據(jù)物料衡算公式，對最佳內(nèi)回流比條件下系統(tǒng)各池的總氮進(jìn)行物料衡算。計(jì)算式如下[11]：

計(jì)算得到在最佳回流比條件下，系統(tǒng)中生物絮凝工藝的平均單位體積脫氮量為68.52 mg/（L·d），缺氧池為252.78 mg/（L·d），好氧池為35.49 mg/（L·d）。各反應(yīng)池占系統(tǒng)對TN去除百分比分別為18.05%、76.39%和5.56%。可見系統(tǒng)對TN的去除主要是由缺氧池中反硝化作用完成的，其次是大量的硝化液回流至絮凝吸附池發(fā)生一定程度的反硝化完成的，好氧池發(fā)生的同步硝化反硝化所占比例很小（圖2）。

3.3 混合液回流比對除磷的影響規(guī)律及物料衡算

在四種不同的混合液回流比條件下，對應(yīng)的系統(tǒng)對TP的平均去除率分別為84.78%、87.77%、90.24%和87.26%。混合液回流比為300%時(shí)，系統(tǒng)出水TP達(dá)到最低，平均值為0.34 mg/L，四種工況下出水TP平均值均能保持在0.5 mg/L以下，達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)對TP的去除主要是通過缺氧反硝化除磷和好氧吸磷來完成的[12]。如圖3（a）所示，混合液回流比的變化對厭氧釋磷的影響并不大，而對缺氧池的出水TP影響很大。這可能有以下兩種原因：混合液回流比的改變，對缺氧池的稀釋作用也隨著改變，進(jìn)而影響缺氧池出水TP的濃度；混合液回流比的改變影響了缺氧池中反硝化除磷的能力。為進(jìn)一步分析兩階段的除磷情況，對缺氧反應(yīng)池進(jìn)行物料衡算，計(jì)算式如下：

可算出在4種不同內(nèi)回流比條件下，缺氧池和好氧池對TP的去除百分比如圖3（b）所示。從圖中可以看出，四種內(nèi)回流比條件下缺氧池占除磷的百分比分別為：11.06%、22.86%、29.31%和24.56%。可以發(fā)現(xiàn)，隨著混合液回流比的增大，缺氧池中反硝化除磷比例呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這可能是因?yàn)殡S著混合液回流比增大，帶到缺氧池的硝酸鹽氮增多，而硝態(tài)氮可作為反硝化除磷的電子受體，增強(qiáng)了反硝化除磷的能力[13]。但當(dāng)內(nèi)回流比增加到400%時(shí)，缺氧池除磷的比例開始減小，這可能是由于混合液回流比進(jìn)一步增大雖然帶來了更多的電子受體，但是也使得污泥在缺氧池和好氧池之間循環(huán)的幾率增大而大部分污泥不能進(jìn)入?yún)捬醭兀蠖鄶?shù)微生物不能經(jīng)歷完整的A2/O循環(huán)過程，使得聚磷菌無法獲得較高的吸磷動(dòng)力，從而影響了反硝化除磷的能力。

4 結(jié)論

在外回流比r=100%條件下，分別考察混合液回流比為R=100%、200%、300%和400%時(shí)一體化組合系統(tǒng)對污水中主要污染物去除的影響。研究發(fā)現(xiàn)，混合液回流比的改變對COD去除效率的影響不大，平均去除率分別為83.07%、84.61%、87.69%和87.28%，出水COD均小于50 mg/L。內(nèi)回流比的改變對氨氮去除效果也無明顯差異，平均去除率分別為97.42%、98.07%、98.34%、98.79%，出水氨氮均小于1 mg/L。系統(tǒng)對總氮的去除效果隨著混合液回流比的增大呈上升的趨勢，混合液回流比為300%時(shí)，TN去除效果最好，去除率達(dá)到71.95%，出水TN最低，能夠穩(wěn)定在15mg/L以下，混合液回流比的改變對除磷效果產(chǎn)生間接的影響，其去除影響規(guī)律和總氮保持一致，混合液回流比為300%時(shí)，系統(tǒng)對TP去除效果最好，去除率達(dá)到90.24%，出水TP達(dá)到最低，平均值為0.34 mg/L。綜合考慮系統(tǒng)的去除COD和脫氮除磷效果，確定最優(yōu)工況為混合液回流比R=300%。

通過物料衡算發(fā)現(xiàn)，缺氧池在系統(tǒng)脫氮除磷過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，整個(gè)系統(tǒng)中有76.39%的TN是通過缺氧池去除的，TP也有29.31%是通過缺氧反硝化去除的。TP在好氧池中繼續(xù)通過PAOs的吸磷作用得到去除，比例達(dá)到70.29%。對系統(tǒng)深度除磷起著至關(guān)重要的作用。另外好氧池對TN的去除十分有限，只占整個(gè)系統(tǒng)的5.56%，主要是以氨氮硝化作用為主，系統(tǒng)提高脫氮的效果關(guān)鍵還是在于促進(jìn)缺氧池的反硝化效果。

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