史旭東

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

由于氮、磷過(guò)量排放而引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已成為當(dāng)前人類最為關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，致使污水排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氮磷的要求日趨嚴(yán)格，因而開發(fā)高效節(jié)能的污水生物脫氮除磷新工藝就成為水污染控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1－3]。同步硝化反硝化除磷是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型生物脫氮除磷工藝，該工藝不僅可以減少污泥生產(chǎn)量，縮短生物脫氮除磷工藝流程，而且省去了第二階段的缺氧反硝化池，減少了工程造價(jià)[4－6]。本試驗(yàn)采用A/O同步脫氮除磷工藝，以人工配制的模擬城市污水為處理對(duì)象，研究短程同步硝化反硝化除磷工藝的培養(yǎng)過(guò)程、去除效果，并在此基礎(chǔ)上考察DO、污泥齡、溫度和pH值作為控制參數(shù)對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響，確定實(shí)現(xiàn)短程同步硝化反硝化除磷的最佳運(yùn)行工況，以期為污水處理廠的節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行和升級(jí)改造提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

A/O同步脫氮除磷工藝試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 A/O同步脫氮除磷工藝試驗(yàn)裝置

裝置用有機(jī)玻璃制成，由A/O反應(yīng)器和二沉池組成。A/O反應(yīng)器分為3個(gè)廊道，每個(gè)廊道分為3個(gè)格室，第1個(gè)廊道為厭氧段，剩余的2個(gè)廊道為好氧段。厭氧段和好氧段的體積比為1∶2。厭氧段采用攪拌槳攪拌，好氧段通過(guò)各格室底端的曝氣頭供氧同時(shí)促進(jìn)泥水混合。該試驗(yàn)采用連續(xù)流，不設(shè)置內(nèi)循環(huán)回流。

1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)

試驗(yàn)用水為人工配制的模擬城市污水，主要以淀粉作為碳源、NH4Cl為氮源、KH2PO4為磷源，以 MgSO4，CaCl2及 FeSO4等為微量元素的來(lái)源，以小蘇打作為pH調(diào)節(jié)劑。配水水質(zhì)的C∶N∶P的比例范圍為(60～75)∶5∶1。具體水質(zhì)和配水材料見表1，表2。

表1 試驗(yàn)配水材料表

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

NH4+－N:納氏試劑分光光度法;NO2－－N:(12萘基)2乙二胺光度法;NO3－－N:麝香草酚分光光度法;TP:采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定;COD:采用CTL212型化學(xué)需氧量速測(cè)儀測(cè)定;DO和pH值:采用德國(guó)W TW.340i儀器在線監(jiān)測(cè)。

表2 試驗(yàn)污水水質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 DO對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗(yàn)中控制進(jìn)水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，溫度為常溫(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值為7.0 ～7.5，反應(yīng)區(qū)的HRT為6 h，通過(guò)排泥控制SRT為10 d～15 d，反應(yīng)器中的MLSS平均為2 700 mg/L，污泥回流比為66.6%。通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，將反應(yīng)器內(nèi)的 DO濃度分別控制為0.5 mg/L，0.7 mg/L，1.0 mg/L，1.2 mg/L，1.5 mg/L，1.8 mg/L，2.0 mg/L，2.3 mg/L，2.5 mg/L不同水平時(shí)，考察不同DO濃度對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響。

圖2 DO對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

由圖2可知:當(dāng) DO為 0.5 mg/L時(shí)，NH+4－N去除率僅為78.04%，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)器中DO較低時(shí)，供氧嚴(yán)重不足，極大地抑制了硝化菌的活性，硝化效率較低，此時(shí)TN去除率僅為70%;隨著反應(yīng)器內(nèi)DO濃度增加，NH+4－N去除率逐漸升高，當(dāng)DO為1.0 mg/L時(shí)，NH+4－N及 TN去除率分別達(dá)到97.02%和90.06%，脫氮效果最佳，這主要是由于氧擴(kuò)散的限制，使微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度，氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產(chǎn)生缺氧區(qū)。隨著DO繼續(xù)升高，氧對(duì)污泥絮體的穿透力增強(qiáng)，導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部DO增大，破壞了缺氧區(qū)，使得反硝化過(guò)程受到抑制，出水TN增大，當(dāng)DO為2.5 mg/L時(shí)，出水TN去除率僅為75%。綜上所述，過(guò)高或過(guò)低的DO均會(huì)降低TN去除率，將DO控制在1.0 mg/L時(shí)脫氮效果最佳，可使污泥絮體形成較理想的好氧層和缺氧層，獲得90.06%的TN去除率。當(dāng)DO為0.5 mg/L時(shí)，TP去除率僅為60%，這主要是由于DO過(guò)低使得好氧聚磷菌的活性受到抑制，此時(shí)TP的去除主要靠反硝化聚磷菌利用硝化過(guò)程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽或硝酸鹽進(jìn)行反硝化除磷。但由于DO濃度的缺乏，NH4+－N不能完全氧化成NO2－－N，因此反硝化聚磷菌無(wú)法順利進(jìn)行反硝化除磷，從而影響TP的去除效果;當(dāng)DO為1.0 mg/L時(shí)，TP去除率為90.95%，通過(guò)DPB的代謝作用同時(shí)完成反硝化和過(guò)量吸磷，因此TP的去除率有了明顯的提高;當(dāng)DO達(dá)到1.0 mg/L以上時(shí)，TP去除率上升幅度平緩，這主要是由于DO較高時(shí)，通過(guò)好氧吸磷作用除磷。綜上所述，過(guò)低的DO會(huì)降低TP去除率，過(guò)高的DO對(duì)TP去除率增幅不明顯，將DO控制在1.0 mg/L時(shí)反硝化除磷的處理效果最佳，TP去除率高達(dá)90.95%。

當(dāng)DO＞1.0 mg/L時(shí)，DO變化對(duì)COD的去除率影響較小，最后出水COD基本維持在13 mg/L～19 mg/L，COD的去除率均超過(guò)90%;當(dāng)DO＜1.0 mg/L時(shí)，DO變化對(duì)COD的去除率影響較為顯著，如當(dāng)DO=0.5 mg/L時(shí)，COD的去除率僅為75%，當(dāng)DO=1.0 mg/L 時(shí)，COD 的去除率為93.38%。

2.2 污泥齡對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗(yàn)中控制進(jìn)水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，溫度為常溫(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值為7.0 ～7.5，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，好氧曝氣階段DO控制在1.0 mg/L。通過(guò)改變排泥量來(lái)控制污泥齡，將污泥齡分別控制為5 d，10 d，15 d和20 d，對(duì)應(yīng)每天的排泥量分別為16 L，9 L，6 L和4.5 L，考察不同污泥齡對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響。在不同污泥齡的條件下對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響見圖3。由圖3可見，當(dāng)泥齡為5 d時(shí)，出水NH+4－N濃度為10.96 mg/L，去除率僅有61.56%，這是因?yàn)橄趸鷮儆谑来芷谳^長(zhǎng)的微生物，當(dāng)泥齡為5 d時(shí)，硝化菌的生長(zhǎng)繁殖受到抑制，導(dǎo)致硝化反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行;當(dāng)泥齡大于10 d時(shí)，出水NH+4－N濃度均在1.0 mg/L以下，去除率達(dá)到97%～99%，平均去除率為97.02%。而當(dāng)泥齡在10 d～20 d之間時(shí)，由于亞硝酸菌的世代周期為8 d～36 d，硝酸菌的世代周期為12 d～59 d，此時(shí)亞硝酸菌和硝酸菌得到了一定的積累，硝化速率明顯提高，使出水NH+4－N濃度穩(wěn)定在0.85 mg/L以下。

圖3 泥齡對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

當(dāng)泥齡為5 d時(shí)，出水TN濃度為11.2 mg/L，去除率只有60.62%，這是因?yàn)楫?dāng)泥齡為5 d時(shí)，出水NH+4－N濃度偏高，導(dǎo)致出水TN濃度較高;當(dāng)泥齡為10 d～20 d時(shí)，出水TN濃度均在3.0 mg/L以下，去除率均可達(dá)到88%～94%，這是因?yàn)楫?dāng)泥齡在9 d～20 d時(shí)，由于泥齡的增加提高了系統(tǒng)內(nèi)的污泥濃度，從而增加了顆粒污泥內(nèi)部的缺氧區(qū)域，使反硝化速率得到進(jìn)一步的增加，最終導(dǎo)致TN去除率的提高。當(dāng)泥齡為5 d～15 d時(shí)，出水TP濃度均在1.0 mg/L以下，去除率達(dá)到86%～92%，這是由于較短的泥齡有利于聚磷菌的增殖，當(dāng)泥齡為5 d～15 d時(shí)，聚磷菌在污泥中的比例快速增加，使得污泥的含磷量也相應(yīng)增大;當(dāng)泥齡為20 d時(shí)，出水TP濃度高達(dá)2.74 mg/L，去除率只有60%，這是因?yàn)楫?dāng)泥齡為20 d時(shí)，由于泥齡偏長(zhǎng)促使硝化菌等世代周期較長(zhǎng)的微生物增殖，從而抑制了聚磷菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致污泥中的含磷量大大減少，造成出水TP濃度的上升。

結(jié)合考慮脫氮和除磷的效果，A/O同步脫氮除磷工藝的最佳污泥齡控制范圍為10 d～15 d，系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。

2.3 溫度對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響

試驗(yàn)中控制進(jìn)水 NH+4－N 濃度為21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值為28.50 mg/L)，TN 濃度為 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值為30.18 mg/L)，TP 濃度為 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值為6.85 mg/L)，COD 濃度為 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值為257 mg/L)，pH值為7.0～7.5，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，好氧曝氣階段DO控制在1.0 mg/L，反應(yīng)區(qū)的HRT為6 h，通過(guò)排泥控制SRT為10 d～15 d，反應(yīng)器中的MLSS平均為2 700 mg/L，污泥回流比為66.6%。試驗(yàn)以7 d為一個(gè)階段，通過(guò)溫控儀將反應(yīng)溫度分別控制為10℃，12℃，15℃，17℃，20℃，25℃，30℃和33℃，考察在不同溫度條件下對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響。

由圖4可見，當(dāng)溫度為10℃時(shí)，出水COD濃度為48 mg/L，去除率只有81.32%，這是由于溫度降至10℃時(shí)，微生物的生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，從而導(dǎo)致COD的去除呈下降趨勢(shì);當(dāng)溫度上升至15℃以上時(shí)，出水COD濃度均在17 mg/L以下，去除率達(dá)到91%～96%，平均去除率為93.38%。在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，除過(guò)低溫度(10℃ ～12℃)下系統(tǒng)內(nèi)COD去除效果較差，其他溫度(15℃ ～33℃)下，溫度對(duì)COD的去除率影響不大。

圖4 溫度對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝處理效果的影響

當(dāng)溫度為10℃時(shí)，出水NH4+－N濃度為13.05 mg/L，去除率只有54.21%，這是因?yàn)榈蜏貢?huì)嚴(yán)重抑制亞硝酸菌的生物活性，氨氧化速率迅速降低，導(dǎo)致出水NH4+－N濃度上升;當(dāng)溫度在15℃以上時(shí)，出水NH4+－N濃度均在0.85 mg/L以下，去除率達(dá)到97%～99%，平均去除率為97.02%，這是因?yàn)樵跍囟扔?5℃上升至33℃的過(guò)程中，亞硝酸菌的活性逐漸恢復(fù)，促進(jìn)了氨氧化反應(yīng)，使NH4+－N的去除率得到明顯提高。

當(dāng)溫度為10℃時(shí)，出水 TN濃度為15 mg/L，去除率僅有50.29%，這是因?yàn)樵跍囟葹?0℃時(shí)，亞硝酸菌的活性受到影響，出水NH4+－N濃度過(guò)高，從而導(dǎo)致出水TN濃度過(guò)高;當(dāng)溫度在15 ℃，20 ℃，25 ℃時(shí)，出水 TN 濃度分別為3.52 mg/L，3.13 mg/L，3 mg/L，其去除率較高，達(dá)到88%～92%，平均去除率為90.06%;當(dāng)溫度為33℃時(shí)，出水TN濃度為5.23 mg/L，去除率有所下滑，達(dá)到82.67%，這是因?yàn)樵跍囟葹?3℃時(shí)，反硝化菌的活性受到抑制，硝化過(guò)程中產(chǎn)生的NO2－－N不能及時(shí)被反硝化去除，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)少量的NO2－－N積累，最終引起出水TN濃度的增高。因此，溫度在15℃ ～25℃時(shí)，TN的去除率維持在較高的水平。溫度為15℃ ～25℃時(shí)，出水 TP為0.30 mg/L～0.86 mg/L，平均為0.62 mg/L;對(duì)TP的去除率穩(wěn)定在90%～94%，平均去除率為90.95%。由此可見，溫度的變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)TP的去除效果影響不大。

綜上所述，綜合考慮脫氮和除磷的效果，A/O同步脫氮除磷工藝的最佳溫度控制范圍為15℃ ～25℃，系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)A/O同步脫氮除磷。

3 結(jié)語(yǔ)

1)DO是A/O同步脫氮除磷工藝中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化和反硝化除磷的關(guān)鍵因素。DO過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響同步脫氮除磷的效果，DO濃度控制在1.0 mg/L時(shí)，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。2)污泥齡對(duì)A/O同步脫氮除磷工藝的影響主要表現(xiàn)在硝化菌和聚磷菌世代周期長(zhǎng)短不一上。污泥齡控制在10 d～15 d，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。3)溫度的變化影響著各種微生物的生長(zhǎng)繁殖，對(duì)于脫氮效果來(lái)說(shuō)，過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)影響TN的去除，而對(duì)于除磷效果而言，溫度的變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)TP的去除效果影響不明顯，將溫度控制在15℃～25℃，可使該系統(tǒng)得到良好的同步脫氮除磷效果。

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