生態強化型一體式反應器同步脫氮除磷及特性

宋小康，丁 敏，陰方芳，王昕竹

（1.蘇州凈研環保科技有限公司，江蘇蘇州 215011；2.蘇州科技大學 江蘇省《環境科學與工程》重點實驗室，江蘇蘇州 215011）

響應國家生態文明建設，綠色水處理技術融入是未來實際應用的發展趨勢。現階段，國內外有不少采用生態強化型工藝進行生活污水脫氮除磷處理的研究，與單獨生物處理工藝對比，具有更好的美觀性和污水凈化效果。生態強化型反應器多應用于農村生活污水、區域性生活污水及城鎮生活污水的處理，而對河道、航海船只生活污水的應用較為鮮見。針對船只排放的生活污水，具有有機污染物含量高、水質波動性強的特點[1]，同時在現存處理中氮磷去除效率并不理想。

三室的厭氧折流板反應器（ABR）耦合連續攪拌反應裝置（CSTR）的組合工藝具有良好的同步脫氮除磷效果，可用于常規生活廢水處理，但存在著處理深度不高、不穩定及耗能高效率低的問題。為處理真實河道船只的生活污水，常規生物脫氮除磷反應器難以實現穩定高效處理，為尋求更具環保效益的革新技術，對此工藝改進，采用末端生態強化構成深化處理一體式反應器，通過種植皇冠草、投放草金魚形成水生生態系統作為末端生態強化單元，用以改善系統的能源渠道。反應器通過生態系統的融入，水體污染物去除效率得到強化。

本文采用末端生態強化型一體式反應器進行污水同步脫氮除磷啟動，以深化污水處理與生態效益的互饋作用，促進我國生態融入的水污染處理綠色工藝的進一步發展和實際應用。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置

圖1 生態強化型一體式反應器示意圖

生態強化型一體式反應器裝置圖見圖1，三室ABR反應器、CSTR反應器和生態強化格室分別命名為A1～A5，體積分別為3L、3L、4L、5L和20L，其中A1，A2為厭氧區，A3為缺氧區，A4好氧曝氣區，A5由水生植物、魚類和基質構成。末端生態強化格室采用皇冠草，種植水深度為40cm。基質采用水草泥，投放魚類選用草金魚魚苗。生態格室在提供景觀性的同時通過生態循環發揮自凈作用。

1.2 污水水質及接種污泥

實驗用污水采用經沉淀過濾后的蘇州某河道船只生活污水，水質指標見表1，通過投加碳酸氫鈉（NaHCO3）調節進水pH，保證系統穩定運轉。

反應器中接種污泥取自蘇州某污水廠污泥濃縮池底部，表觀顏色深灰，污泥活性良好，通過篩網濾后進行悶曝處理，72h后接種于一體式反應器，A1～A3中污泥占60%的體積，A4中MLSS為6g/L，A5中基質采用天然亞熱帶酸性肥沃黑土制成的水草泥。

1.3 實驗方案

表1 各階段運行工況

采用逐步縮短水力停留時間（HRT）的策略啟動同步脫氮除磷，設計運行方案見表1。其中工況1控制HRT為35h，運行15d；工況2運行12d，HRT為28h；工況3運行10d，HRT是21h；工況4運行8d，HRT為14h。好氧區采用空氣泵進行曝氣，在實驗運行期間控制DO穩定于（2.0±0.3）mg/L。

1.4 檢測分析方法

COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、TP等水質常規指標通過標準法進行分析[2]。DO采用便攜式測定儀（HACH，美國），pH為便攜式酸度計（FiveGo F2），VFAs含量為滴定法。污泥特性通過OlympusCX41三目生物顯微鏡觀察。

2 結果與討論

2.1 污水COD去除情況

本研究中一體式反應器進水為實際廢水，COD濃度波動范圍較大為332～474mg/L，采用逐漸縮短系統的水力停留時間來改變工藝受處理污水量的水平，將反應器的總HRT分別調控于36h、28h、21h和16h運行，系統一體式反應器各運行格室COD去除情況見圖2，隨著HRT逐漸減小，A2出水及A4出水COD濃度均會先短暫上升然后趨于穩定，去除率也均呈現出先下降后上升的趨勢，這是由于突然縮短的工藝HRT，A1和A2的厭氧污泥需要一定的時間去適應其突然改變。

圖2 系統COD去除情況

在工況1和2中，A3出水COD濃度穩定于80mg/L以下，A4出水COD含量比之減少至21mg/L左右，系統總去除率維持于80%～90%，出水COD濃度仍高于35mg/L。繼續縮短系統HRT至21h和16h時，流經A1后COD濃度升高至150mg/L，反應器對有機物去除效率逐漸升高，A4出水COD濃度處于40mg/L上下。由圖知，在4個不同HRT下，ABR段對COD去除始終保持較高的去除貢獻，效率可達80%以上，這是由于反應器中厭氧區接種的絮狀污泥在運行過程中逐漸顆粒化，對于污水中有機物質具有良好的去除功效。在經過A4后COD濃度持續下降，隨著在生態強化格室A5中植物根系附著的生物量的日益增長，進一步了強化一體式反應器對COD的去除。在工況3至工況4中，反應裝置對于污水中COD的去除率可保持在90%以上。

2.2 系統同步脫氮除磷效能

圖3 系統運行下NH4+-N的去除情況

圖4 沿程PO43--P濃度情況

對一體式反應器，A4硝化效果影響出水氮素濃度，同時對其氧化產物NO2--N和NO3--N有直接影響。硝化段存在一定的DO濃度梯度，同步硝化反硝化作用進一步降低TN。NH4+-N濃度及去除率情況如圖3所示，HRT從35h逐漸縮短至21h的過程中，氨氮含量減少，當HRT減至16h時，NH4+-N去除率呈現先降后升逐漸穩定的趨勢，可見在反應器啟動運行后，A4硝化菌逐漸適應水力沖擊變化，尤其在生態強化后，去除效果趨于穩定，NH4+-N去除率保持于91%以上。同步脫氮除磷通過反硝化聚磷菌在缺氧區利用NOx--N為電子受體氧化污泥體內PHB，進行過量吸磷合成體內聚磷的同時脫氮，實現水體中TP和TN去除。本研究中，A3利用A4回流液中的氮氧化物，PO43--P最高濃度位于A2，由圖4可見，在工況1至4中，A3平均吸磷量隨HRT縮短先增后減。HRT為35h和28h時，ABR缺氧段吸磷量均較小，此時反硝化除磷未完全啟動，除磷效果在A4和A5較為顯著，但總體除磷效果不佳。當HRT縮短為21h，A3吸磷量明顯增加，A4出水PO43--P平均為0.81mg/L，反硝化除磷量占比80.7%。在已充分釋磷情況下，除磷程度取決于缺氧區可被提供的電子受體濃度。HRT進一步減少時，A2釋磷量持續增長，濃度由11.23mg/L升至12.01mg/L，而A3缺氧吸磷量未隨之增加，其中A4出水磷濃度由1.28mg/L增為1.39mg/L，反硝化除磷量占比降至78.6%，說明此時HRT過短使A2未完全利用完回流的電子受體，同步脫氮除磷效果受限，而A5生態強化效果依舊顯著，系統出水磷濃度降至0.89mg/L。

2.3 污泥形態特征變化

圖5表明系統運行中A2厭氧污泥和A4硝化污泥的形態特征變化，粒徑較小的污泥隨著水力停留時間不斷縮短而被篩出淘汰，同時水力沖刷使污泥表明逐漸光滑強化顆粒化。其中A2厭氧區因底物濃度更大而在形成顆粒污泥過程中優于硝化污泥。工況4下，通過不同粒徑的篩網過濾A2和A4格室污泥，得出兩種污泥粒徑高于0.58mm的占比分別大于75%及30%，可見硝化污泥的顆粒化進程因有機基質在前端被大量消耗而受限。

圖5 顯微鏡下污泥形態（40X7）

3 結論

1）采用末端生態強化的一體式反應器實現污水同步脫氮除磷，逐步縮短水力停留時間（HRT）從35h至16h，45d內達到COD、NH4+去除率穩定于90%以上，總出水PO43-濃度低于1mg·L-1。生態格室進一步吸附水體中氮磷元素，強化污水凈化效果。

2）系統實現ABR有效去碳的最佳HRT為16h。

3）隨著系統HRT逐漸縮小，污泥形成顆粒化，其中厭氧區因底物濃度更大而在形成顆粒污泥的過程中優于A4段硝化污泥。