泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術

嚴 莉 王文昭， 吳華南* 劉偉文 李功政 張心寶*

(1.福瑞萊環保科技(深圳)股份有限公司，廣東 深圳 518000;2.北京大學深圳研究生院環境與能源學院，廣東深圳 518000; 3.深汕特別合作區環境與資源事務中心，廣東深圳 518200)

活性污泥法［1］自1912年被提出以來，經過100多年發展，已經成為了眾多污水處理技術中應用最為廣泛的方法。20世紀80年代在傳統活性污泥法基礎上發展起來的活性污泥—生物膜共生技術［2］(Integrated Fixed-Film Activated Sludge，IFAS)結合了活性污泥和生物膜的優勢，使污水處理效果得到了提升。近年來，隨著工業化和城市化程度地不斷提升，城鎮污水排放量和氮磷污染物不斷增加，導致了生活廢水中低COD質量濃度和水體富營養化的現狀，而氮磷是引起水體富營養化的主要因素。隨著國家眾多環保政策的出臺，給污水處理領域提出了更高要求，越來越多的水處理廠面臨著深度脫氮除磷、脫除重金屬的挑戰，為了滿足需求，只能依賴價格高昂的納濾膜或者反滲透膜，然而成本往往無法承受，因此亟需能夠低成本實現污水深度處理與回用的新技術。厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)技術［3］由于節省能量、剩余污泥產量低、節約投資成本和運行費用的優勢，在處理低碳氮比的高氨氮濃度廢水方面廣泛應用。

本實驗結合活性污泥—生物膜共生和厭氧氨氧化污水處理各自的優勢，設計了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術，制成處理能力為0.5 t/d的一體化污水處理裝置，對裝置運行過程中的懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等數據進行跟蹤分析，最終裝置穩定運行后出水達到了我國GB 18918—2002，城市污水處理廠水污染物排放標準一級A處理效果。

1 實驗工藝介紹

格柵除渣的生活污水在經過預曝氣之后，進入一體化IFASMox污水處理裝置中，一體化污水處理裝置中部格柵上放置經過改性的混合多孔微生物載體，工藝流程如圖1所示。在經過一段時間微生物馴化富集培養之后，活性污泥在反應器中以懸浮生長的狀態存在，微生物在載體表面及孔隙表面富集成膜，形成類顆粒污泥的三維立體生態結構。在活性污泥作用下，污水中的有機物被逐步降解消耗，達到去除COD的目的。經過預曝氣的污水中富含溶解氧，進水流經載體所形成的顆粒污泥，在其表面形成具有高濃度溶解氧的好氧層，在載體內部，隨著氧氣消耗，逐漸變為厭氧狀態，在溶解氧梯度變化的載體微生態壞境中，能夠實現亞硝化細菌和厭氧氨氧化細菌協同共生，促進不同微生態層之間近距離物質傳遞，最終形成穩定的厭氧氨氧化反應達到脫氮的目的;另外，隨著污水中溶解氧被消耗，沿反應器水流方向的溶解氧濃度逐漸降低，由最初的好氧狀態轉變為厭氧狀態，在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下發生硝化—反硝化反應脫除氨氮。一體化裝置內活性污泥和生物膜中的亞硝化、硝化、反硝化及厭氧氨氧化菌在協同作用下，最終達到深度脫氮的效果。多孔載體對污水中的重金屬、磷和難降解有機物還有吸附脫除作用，進一步提高出水水質。

圖1 工藝流程圖

2 實驗過程

2.1 微生物載體制備

選用多孔的石墨、火山巖、沸石混合物(體積比為1∶1∶1)為本實驗的生物載體，對其進行酸/堿溶液浸泡腐蝕前處理過程，將多孔材料孔隙中的雜質溶解，隨后用蒸餾水沖洗直至水洗液呈中性，最終填料形成了疏松多孔的立體絮狀結構。經過前處理過程，填料比表面積由2左右增加到5以上，增加了生物膜有效附著面積，有利于其微生態環境的形成和后續實驗的順利展開。

2.2 一體化污水處理裝置

設計容積為0.6 m3、日處理量為0.5 t的一體化污水處理裝置，在裝置中部設置格柵，格柵上放置0.18 m3載體。污水在進入一體化裝置前，先經過格柵除渣和曝氣處理，使進水中富含溶解氧;出水口后設置沉淀池，使泥水分離后出水。

本實驗中，不投加外加碳源及菌種，進水為城市生活污水，具有COD濃度低、氨氮濃度高、進水污染物濃度波動小的特點，在30周的運行過程中，進水懸浮物(SS)濃度200 mg/L，COD濃度為200 mg/L，NH3-N濃度40 mg/L～50 mg/L，TP濃度10 mg/L。將該污水處理裝置運行30周，期間定時取水樣采用國家標準方法測定，對運行周期內的懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)數據進行跟蹤分析。

3 裝置運行情況

3.1 SS去除效果

設備運行30周，懸浮物去除效果如圖2所示，在設備運行穩定后，去除率穩定在95%以上，出水SS濃度小于10 mg/L，去除效果好。

圖2 懸浮物（SS）去除效果

3.2 COD去除效果

COD去除效果如圖3所示。從圖3中可以看出，裝置運行4周后COD去除率基本穩定，均保持在80%以上，后期出水COD濃度小于50 mg/L，去除效果良好，達到城市污水處理廠水污染物排放一級A標準。分析本實驗進水中，僅有一次曝氣處理，由于水中溶解氧限制，導致COD濃度進一步降低困難。

圖3 COD去除效果

3.3 NH3-N去除效果

運行期間，TN和NH3-N去除效果如圖4所示，從圖4中數據可知，設備運行穩定后，TN整體去除率達到80%以上，TN濃度穩定在10 mg/L左右。在設備運行前兩周，氨氮去除率較低，僅為20%～40%，之后氨氮去除效果開始逐漸好轉，第9周后氨氮去除率達到68.6%，總體去除效果良好。后期裝置穩定運行后，氨氮的平均去除率為90.7%，且出水NH3-N濃度小于5.0 mg/L，達到城市污水處理廠水污染物排放一級A標準。從圖4中可以看出，NH3-N去除達到穩定狀態用時較長，約為11周，這可能是由于厭氧氨氧化菌(在30℃ ～40℃條件下，其倍增時間為10 d～14 d［5］)生長緩慢導致的。

圖4 TN和NH 3-N去除效果

3.4 TP 去除效果

設備運行期間，TP去除情況如圖5所示，從圖5中數據可知，在運行的第1周和第2周，TP的去除效果為20%，從第3周開始，TP去除率升高，在裝置穩定運行后，去除率達到95%以上，出水TP濃度穩定在0.5 mg/L以下，達到城市污水處理廠水污染物排放一級A標準。設備總磷去除效果好，除了填料的吸附作用外，推測在裝置內發生了“氣化除磷”［6，7］反應，即磷酸鹽被還原為磷化氫以達到除磷的效果。目前，對磷化氫的產生機理尚未有定論。

圖5 總磷（TP）去除效果

4 結語

研究了將活性污泥—生物膜共生、厭氧氨氧化技術有機結合起來的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水處理技術，生活污水經過該技術處理，達到深度脫除氮磷的效果，裝置穩定運行后，SS，COD，TN，NH3-N及TP去除率均達到了城市污水處理廠水污染物排放一級A標準。該技術實現方式簡單，無需外加碳源，僅經過一次預曝氣處理、節省能量，且其處理效果良好，使得其在未來城市生活污水及其他低碳氮比廢水處理領域上應用前景良好。

致謝:感謝北京大學深圳研究生院環境與能源學院深圳再生復合環保材料工程實驗室為本實驗提供平臺、相關數據測試，感謝深圳市科技計劃(JSGG20170822164024506，KJYY20171012 103638606)對本實驗的支持。