A2O工藝和A2O+BCO工藝的脫氮除磷性能比較

趙偉華,王梅香,李健偉,馮 巖,劉 博,李夕耀,彭永臻*

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A2O工藝和A2O+BCO工藝的脫氮除磷性能比較

趙偉華1,2,王梅香3,李健偉1,馮 巖1,劉 博1,李夕耀1,彭永臻1*

(1.北京工業大學,國家工程實驗室,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.哈爾濱工業大學,海洋科學與技術學院,山東 威海 264209；3.北京城市排水集團有限責任公司科技研發中心,北京 100044)

以實際低C/N生活污水為研究對象,依次分別采用A2O工藝和A2O+BCO(生物接觸氧化)工藝考察系統的脫氮除磷性能.試驗在進水負荷和運行參數基本維持不變的情況下運行134d.結果表明,相對于A2O系統,A2O+BCO系統由于采用雙污泥工藝,硝化菌和聚磷菌(PAOs)污泥齡分離,同時反硝化除磷“一碳兩用”,碳源利用率更高,TN和TP去除率分別提高了18%和28%.其次FISH試驗表明,在穩定運行的A2O+BCO工藝中,PAOs比例為22%,遠遠超過A2O中7%的比例,從微生物角度證明了脫氮除磷效果好的原因.

低碳氮比(C/N)；A2O工藝；A2O+BCO工藝；反硝化除磷；雙污泥

城市生活污水普遍存在碳源不足、C/N較低等問題從而制約現有污水處理廠的脫氮除磷性能.A2O工藝由于具有在同一個系統內實現同步脫氮除磷的優點被廣泛應用于市政生活污水的處理[1],但在實際運行中存在硝化菌和聚磷菌(PAOs)的污泥齡矛盾,反硝化菌和PAOs的碳源競爭,污泥回流含有硝酸鹽影響厭氧釋磷等,導致脫氮除磷效率不高[2-3].針對這些缺陷,很多研究者對A2O工藝進行了改良,研發了倒置A2O[4], JHB[5],UCT[6]等工藝,取得了一定效果,但仍存在不足.

A2O+BCO雙污泥反硝化除磷工藝[7],在傳統A2O工藝基礎上進行改良,通過增加生物接觸氧化單元(BCO)將A2O單元原有硝化功能分離出去,原有A2O單元承擔反硝化除磷功能,硝化只發生在BCO中,通過BCO硝化液出水回流到A2O單元缺氧區進行脫氮.根據前期研究[7],本系統中硝化菌和PAOs污泥齡分離,硝化菌存在于BCO硝化反應器中,PAOs存在于A2O單元中,并以NO3--N為電子受體,以細胞內儲存的PHA為電子供體,以“一碳兩用”的方式進行同步脫氮除磷,減少了碳源需求和曝氣量,降低了污泥產量[8],適合我國低C/N城市生活污水現狀,并且提標改造簡單.

本試驗以實際低C/N城市生活污水為處理對象,在進水負荷相同的條件下,依次采用A2O工藝和在A2O工藝基礎上改進的A2O+BCO工藝,對兩者的脫氮除磷性能進行考察比較,并通過分子生物學FISH鑒定的方法揭示其機理,以期為低C/N生活污水實現穩定高效的脫氮除磷提供新型工藝,同時為我國A2O工藝的提標改造提供理論基礎和技術指導.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置及試驗安排

根據前期試驗獲得的A2O[1]和A2O+BCO[7]最優工況,本次試驗兩階段的工況運行如下.(1)階段1:A2O系統主要由A2O反應器、沉淀池順序連接組成,試驗裝置如圖1(a)所示.推流式A2O反應器由無色有機玻璃構成,有效容積為30L,均分為9個格室,厭氧:缺氧:好氧容積比為1:3:5.厭氧段和缺氧段采用攪拌器攪拌,好氧段格室的底端以黏砂塊為微孔曝氣器,采用氣泵進行鼓風曝氣,轉子流量計調節曝氣量,沉淀池采用豎流式,體積為20L,硝化液從好氧段末端回流到缺氧段首端,污泥回流從二沉池底部回流到厭氧池首端,通過蠕動泵實現進水、硝化液回流、污泥回流等功能.A2O工藝整體HRT=8h,按照厭氧/缺氧/好氧=0.89h/2.67h/ 4.44h運行,進水流量3.75L/h,污泥回流比100%,硝化液回流比200%, SRT=15d, MLSS=4000mg/L.(2)階段2:試驗裝置如圖1(b)將原有A2O工藝前6個格室改造為新工藝的A2O池,厭氧:缺氧:好氧=1:4:1,第6格出水通過增加出水堰流入中間沉淀池,中間沉淀池出水進入BCO池,BCO池共3格,內置聚乙烯材質的懸浮生物填料(直徑′高度=25′10mm,比表面積500~700m2/m3,密度為960~1000kg/m3),填充率約為40%.生活污水依次流經厭氧/缺氧/好氧區/硝化區,A2O+BCO裝置按照厭氧:缺氧:好氧:硝化容積比為1:4:1:3運行,沉淀池出水進入BCO完成硝化后其出水一部分回流到A2O裝置的缺氧區,一部分排放,通過改變硝化液回流比可明顯提高TN去除率.污泥回流到A2O池厭氧段.試驗期間HRT=8h,污泥回流比100%,硝化液回流比300%, SRT=12d,MLSS=2500mg/L.綜上所述,試驗前60d按照A2O工藝模式運行,61-135d按照A2O+BCO工藝模式運行.

1.2 接種污泥和試驗污水

初始接種污泥取自北京高碑店污水處理廠A2O工藝二沉池剩余污泥.試驗用水采用北京工業大學教工住宅小區化糞池生活污水,試驗期間的原水水質特點見表1,原水pH值平均為7.3,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(APHA,1998),水樣采用中速濾紙過濾,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、氧化還原電位(ORP)值和溶解氧(DO).PAOs的相對定量分析采用熒光原位雜交(FISH)技術,通過zilles等[9]提供的方法進行PAOs和全菌的比例測算,PAOs探針為PAO462 (CCGTCATCTACWCAGGGTATTAAC),PAO651(CCCTCTGCCAAACTCCAG),PAO846(CTTAGCTACGGCACTAAAAGG),全菌探針為EUB338(GCTG- CCTCCCGTAGGAGT),EUB338-II(CAGCCACCCGTAGGTGT),EUB338-III(CTGCCACCCGTAGGTGT),圖片采用OLYMPUS DP72數字成像系統采集.

2 結果與討論

2.1 COD去除特性

試驗期間,原水COD在176.1~249.2mg/L之間波動,平均值為207.8mg/L,C/N較低(3.96).由圖2可見,A2O和A2O+BCO工藝一直保持穩定的較高COD去除率,分別為78.85%和77.63%,出水COD一直穩定低于國家一級A排放標準,實現了有機物的深度去除,這說明有機物的去除不再是難題,難點在于脫氮除磷.在本研究中,兩種工藝對COD的轉化去除途徑有所不同,由圖3(a)、(b)可以看到,在A2O工藝中,COD主要在厭氧和缺氧區去除,COD去除所占比例分別為63%和11%.COD在厭氧區用于去除污泥回流中含有的NO3--N,同時儲存為PAOs體內的PHA并釋磷,在缺氧區剩余的COD被進一步用于反硝化,但是由于進水中碳源有限,厭氧區優先利用消耗大部分COD,缺氧區反硝化碳源不足,導致缺氧區末端仍有大量硝酸鹽存在(圖3a),是造成TN超標的主要原因.張杰等[10]認為反硝化效果受到碳源量的限制,而且大量的未被反硝化的硝酸鹽隨回流污泥進入厭氧區,會進一步干擾厭氧釋磷的正常進行.而在A2O+BCO工藝中,由于硝化發生在BCO中, A2O的好氧段沒有硝化作用,回流污泥中不含有硝酸鹽,保證了良好的厭氧環境,COD在厭氧區被合成PHA,用于后續的缺氧區反硝化除磷,同時缺氧區COD已經較低,避免了剩余的COD進入缺氧區進行外源反硝化,與反硝化除磷菌競爭電子受體,由于反硝化PAOs“一碳兩用”的特性,大大提高了碳源利用率,提高了脫氮除磷效果[11].

圖2 試驗期間COD去除變化Fig.2 Variations profiles of COD removal during the experiment

2.2 氮去除特性

氮主要通過硝化作用和反硝化作用去除.在A2O工藝中,原水中的NH4+-N在好氧區進行硝化作用,然后通過污泥回流和硝化液回流分別在厭氧區和缺氧區發生反硝化作用而去除;在A2O+BCO工藝中, NH4+-N的硝化只發生在BCO中,A2O單元厭氧區利用原水碳源儲存PHA,在缺氧區進行反硝化除磷,好氧區HRT較短不再承擔硝化作用,BCO單元硝化出水一部分回流到A2O單元缺氧區通過反硝化除磷的方式進行脫氮,另一部分作為最終出水排放.由本研究可以看到:A2O工藝對NH4+-N的平均去除率為95.72%,A2O+BCO工藝對NH4+-N的平均去除率為98.25%,A2O工藝硝化段HRT為4.4h,A2O+ BCO工藝硝化段HRT為2.67h,雖然HRT減小了,但相對于傳統活性污泥法,生物膜法對氨氮的去除率更高,因為在BCO中硝化菌附著生長,污泥齡更長硝化菌不易流失[12-13],同時更能承受沖擊負荷和低溫.同時由圖3(b)可見,進入BCO的COD濃度已不足50mg/L,更有利于硝化菌富集和生長,因為如果COD較高,則好氧異養菌會大量富集生長在填料表面,與硝化菌競爭生存空間與氧氣,硝化菌生長會處于劣勢甚至逐漸淘洗出系統.根據張淼等[11]提供的方法進行計算,BCO池中生物膜濃度平均為860mg/L,微生物量較高,硝化菌大量富集,同時生物膜系統除脫落的生物膜外不產生污泥,節省污泥處理費用[14].

A2O工藝的脫氮效果很大程度上依賴于原水碳源和硝化液回流比,硝化液回流比太小,則脫氮效率低,回流比太大,則能耗高較并且反硝化效果受碳源限制,同時大量硝化液回流攜帶的DO也會破壞缺氧環境.李銀波等[15]、楊小梅等[16]的研究認為硝化液回流比為200%時,普通A2O工藝取得最佳脫氮除磷率,在碳源充足、硝化完全,以及HRT等各種條件最優情況下,普通A2O工藝在污泥回流比100%,硝化液回流比200%條件下,脫氮率約為75%.Chen等[17]、王聰等[7]研究認為在硝化液回流比為300%時,A2O+BCO工藝取得最優脫氮除磷效果,在A2O+ BCO工藝在污泥回流比100%,硝化液回流比300%的條件下,去除率為75%,兩者的TN反硝化去除率理論值均為75%左右.由圖4可以看到,本試驗期間A2O工藝對TN的平均去除率為58.36%,圖3(a)表明A2O工藝的缺氧末端仍然含有較高的NO3-N,反硝化不能及時完成造成的NO3-N積累,從而使得TN去除率較低.由A2O工藝改為A2O+BCO工藝之后, TN去除率逐步上升,A2O+BCO工藝對TN的平均去除率為76.42%.相對普通A2O工藝而言,A2O+BCO的TN去除率更高,這是因為:首先硝化的穩定使得氨氮幾乎全部轉化為NO3-N,其次污泥齡分離,PAOs成為優勢菌群,“一碳兩用”碳源利用率更高,同時厭氧/缺氧時間的延長,保證反硝化時間,并有利于反硝化除磷富集,提高了TN去除率.在普通A2O工藝的厭氧段,反硝化菌和PAOs同時競爭碳源,有限的碳源同時被用于反硝化和釋磷,在A2O+BCO工藝中,反硝化除磷菌富集之后,”一碳兩用”,節省50%碳源[18],大大提高了有限碳源的利用率.

圖4 試驗期間TN去除變化Fig.4 Variations profiles of TN removal during the experiment

2.3 磷去除特性

根據強化生物除磷(EBPR)理論,在厭氧段, PAOs利用分解體內的多聚磷酸鹽釋放能量將體外的揮發性脂肪酸(VFA)吸收到體內合成PHA,同時將磷酸鹽釋放到體外,在缺氧/好氧段,PAOs以氧氣/硝酸鹽作為電子受體,以厭氧段儲存的PHA作為電子供體吸磷,然后通過排泥除磷[19-20].厭氧段釋磷量越高,合成PHA數量越多,其吸磷能力也越強,但是厭氧釋磷能力除受到進水碳源的影響外,還受到厭氧區污泥回流中所含硝酸鹽的影響[21].在A2O工藝和A2O+BCO工藝中,PAOs都是在厭氧段完成釋磷反應,由圖5可以看到,在普通A2O工藝中,由于厭氧段污泥回流中含有NO3-N,反硝化菌與PAOs競爭碳源,釋磷不充分,平均為8.34mg/L(圖2a),PHA合成較少,意味著吸磷動力不足,同時好氧段還存在與硝化菌的DO競爭,所以磷去除率僅64.64%,在A2O+BCO工藝中,由于A2O工藝的好氧段不發生硝化作用,所以厭氧段回流污泥中不含有NO3-N,保證了釋磷所需的厭氧環境,釋磷平均值達到32.3mg/L,意味著儲存了大量的PHA,同時厭氧/缺氧體積較大,HRT較長為4.4h,有利于DPAOs富集提高缺氧段的反硝化除磷[22-23],所以磷去除率提高到92.66%(圖5).同時PAOs和硝化菌污泥齡分離,SRT為12d,短污泥齡有利于世代時間較短的PAOs富集增長為優勢菌群,同時短污泥齡可通過增大排泥量提高磷去除率.

圖5 試驗期間磷去除變化Fig.5 Variations profiles of phosphorus removal during the experiment

2.4 FISH試驗

在第一、二階段末期(53d和131d)分別取泥做FISH試驗估算PAOs的生物量(左側綠色圖片代表全菌,右側紅色圖片代表目標菌即PAOs,放大倍數為10x100倍).在A2O工藝中,PAOs占全菌比例約7%,而在A2O+BCO工藝中,PAOs比例為22%,遠超過A2O中工藝中的比例,這是因為在A2O工藝中硝化菌、反硝化菌與PAOs存在底物、DO、污泥齡等競爭,導致PAOs受到限制其比例不會很高,而在A2O+BCO工藝中,反硝化PAOs和硝化菌分別存在于A2O單元和BCO單元中,污泥齡分離,A2O單元短污泥齡適合反硝化PAOs的生長,BCO單元長污泥齡有利于硝化菌的持留和生長.FISH試驗從微生物學角度證明了A2O+BCO工藝采用雙污泥系統能更好地創造PAOs和硝化菌各自生長的最佳條件,從而提高脫氮除磷效果,這與A2NSBR雙污泥系統相似[24].

圖6 PAOs在第一階段末期(a)和第二階段末期(b)的FISHFig.6 FISH results of PAOs at the end of phase I and II

3 結論

3.1 低C/N條件下,在A2O工藝中,由于反硝化菌和PAOs對有限碳源的競爭,導致脫氮除磷效率不高,在A2O工藝基礎上進行改良的A2O+BCO工藝,解決了雙污泥齡矛盾,硝化過程和反硝化除磷分別在兩個反應器中進行,同時反硝化除磷“一碳兩用”同步脫氮除磷,提高碳源利用率,TN和TP去除率分別提高了18%和28%.

3.2 A2O工藝中PAOs占全菌比例約為7%,而在A2O+BCO工藝中,PAOS比例為22%,遠遠超過A2O中工藝中PAOs的比例,從微生物學角度證明了A2O+BCO工藝采用雙污泥系統能夠更好地創造PAOs生長的最佳條件,因而富集比例更高.

3.3 由A2O工藝改造為A2O+BCO工藝,只需在原有構筑物基礎上重新進行功能區劃分并調整相應的回流措施以及投加填料等,不需額外增加構筑物,升級改造簡單并節省投資費用,非常適合我國現狀污水處理廠提標改造.

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Nitrogen and phosphorus removal performance comparison between A2O and A2O+BCO system.

ZHAO Wei-hua1,2, WANG Mei-xiang3, LI Jian-wei1, FENG Yan1, LIU Bo1, LI Xi-yao1, PENG Yong-zhen1*

(1.National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.School of Marine Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China；3.Beijing Drainage Group Technology Research and Development Center, Beijing 100044, China)., 2019,39(3)：994~999

A2O and A2O+BCO process were employed to treat domestic wastewater with low carbon to nitrogen ratio (C/N=3.96) to compare their nutrient removal performance,respectively. The influent loading and operation condition were kept consistent for 134 days, A2O+BCO system achieved a higher nitrogen and phosphorus removal efficiency than A2O system because of the application of denitrifying phosphorus removal technology and two-sludge theory, which could use carbon resource more efficiently and solve the SRT contradiction between nitrifiers and PAOs. PAOs accounts for 22% in the stable A2O+BCO system higher than 7% in the A2O system, which explain the mechanism for the superior nutrient removal performance.

low C/N ratio；A2O process；A2O+BCO process；denitrifying phosphorus removal；two sludge

X703.5

A

1000-6923(2019)03-0994-06

趙偉華(1988-),男,山東濰坊人,助理研究員,博士,主要從事污水處理及資源化技術研究.發表論文14篇.

2018-08-20

國家自然科學基金資助項目(51578014);北京市教委資助項目

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn