操家順，陳 洵，方 芳

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098）

厭氧/缺氧/好氧(A/A/O)工藝是目前我國(guó)城市污水廠中應(yīng)用最廣泛的同步脫氮除磷工藝［1］之一，但由于在城市污水生物處理系統(tǒng)中，不同水體的水環(huán)境容量差異較大，加上城市管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)滯后，雨污混接嚴(yán)重，城市污水廠收集的污水普遍存在碳源不足問題。為滿足氮磷的排放標(biāo)準(zhǔn)，污水廠普遍采用外碳源投加的方式，以滿足系統(tǒng)脫氮除磷的需要，但由于一般污水處理廠，曝氣量難以有效控制，為滿足硝化需要，普遍存在過度曝氣問題，導(dǎo)致內(nèi)回流硝化液中溶氧值較高，從而導(dǎo)致碳源的內(nèi)耗，外碳源的利用率降低，不但嚴(yán)重制約了脫氮除磷的效果，同時(shí)造成了能源的浪費(fèi)。一般來(lái)說，污水處理廠DO控制目標(biāo)是確保供氧量滿足生物處理單元?jiǎng)討B(tài)變化的O2需要并維持一個(gè)期望的混合液DO濃度，在此基礎(chǔ)上最大限度地減小曝氣能耗［2］。從脫氮除磷的角度來(lái)看，A/A/O工藝生物反應(yīng)單元中好氧區(qū)DO不足將影響硝化及吸磷作用，而過高的DO會(huì)導(dǎo)致內(nèi)回流硝化液溶氧含量過高，影響缺氧池反硝化［3］。在生物除磷反應(yīng)過程中，當(dāng)污水廠的好氧區(qū)過度曝氣或者由于雨天造成進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷太低時(shí)，在好氧段胞內(nèi)聚合物(如PHA和糖原等)會(huì)過度消耗，導(dǎo)致后續(xù)釋磷動(dòng)力不足，從而造成除磷效率的惡化［4］。過度曝氣不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi)，也不利于生物除磷［5，6］。

基于上述的研究現(xiàn)狀，選用改良A/A/O中試裝置來(lái)處理實(shí)際污水，研究DO濃度對(duì)系統(tǒng)處理效果的綜合影響，同時(shí)與同期實(shí)際污水廠污水處理效果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為實(shí)際污水處理過程中DO的控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠A/A/O工藝簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)在常州某污水處理廠內(nèi)進(jìn)行，該污水處理廠采用傳統(tǒng)A/A/O工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，共2期，每期規(guī)模為2.5萬(wàn)m3/d，其污水處理工藝流程為沉砂池－厭氧池－缺氧池－好氧池－二沉池－化學(xué)除磷－V型濾池－臭氧消毒。厭氧池有效容積為1220m3，HRT為1.2h；缺氧池有效容積為3660m3，HRT為3.6h；好氧池有效容積為9760m3，HRT為9.6h。污水由沉砂池處理后，分別進(jìn)入一、二期，經(jīng)二沉池后匯總進(jìn)入化學(xué)除磷及后續(xù)深度處理單元。硝化液的回流點(diǎn)設(shè)在好氧池末端。運(yùn)行期間在缺氧池進(jìn)水口投加醋酸為外加有機(jī)碳源(每年7月底～10月底不投加)，平均投加濃度為35mg/L，內(nèi)回流比為100% ～150%，外回流比為60% ～80%。

1.2 沉砂池出水水質(zhì)及運(yùn)行現(xiàn)狀

表1所示為該廠2011年全年沉砂池出水水質(zhì)。

表1 沉砂池出水水質(zhì)Tab.1 Effluent Quality of Grid Chamber

由表1可知進(jìn)水COD/TN比值平均僅為5(COD/TN 在4～7之間)，存在碳源不足的問題［7］。對(duì)該廠2011年全年水質(zhì)處理效果分析表明，系統(tǒng)對(duì)COD有較好的去除能力，平均去除率為91.7%，平均出水濃度為12.5mg/L；氨氮的平均去除率高達(dá)96.5%，平均出水濃度為0.7mg/L，系統(tǒng)硝化性能良好；TN平均去除率為55.8%，平均出水濃度為13.13mg/L，但出水達(dá)標(biāo)率僅為66.3%，出水總氮濃度不穩(wěn)定，去除率及達(dá)標(biāo)率均較低(如圖1)；系統(tǒng)采用輔助化學(xué)除磷，TP的處理效果良好，平均出水濃度為0.34mg/L，平均去除率為87.5%。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)生物除磷效果分析(由二沉池出水(未經(jīng)化學(xué)除磷)采樣分析)發(fā)現(xiàn)，TP的去除率較差，去除率不足10%，平均出水濃度為2.97mg/L，由此可見，系統(tǒng)生物反應(yīng)單元幾乎喪失生物除磷的能力。由于系統(tǒng)投加35mg/L的外加碳源，經(jīng)計(jì)算表明，系統(tǒng)中的COD/TN約合8.3左右，可滿足該廠的脫氮需求，但系統(tǒng)對(duì)脫氮效果并不理想。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)好氧區(qū)存在過度曝氣問題，好氧區(qū)末端溶氧濃度一般為3～5mg/L，過度曝氣不僅會(huì)惡化除磷效率，同時(shí)會(huì)使內(nèi)回流混合液中攜帶較高的DO濃度，破壞系統(tǒng)缺氧環(huán)境，降低系統(tǒng)碳源的利用率，影響系統(tǒng)脫氮效果。針對(duì)如上問題，為此選用一個(gè)改良型A/A/O工藝中試裝置來(lái)模擬分析，主要研究DO對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷的影響。

圖1 2011年TN處理效果Fig.1 Removal Effect of TN in 2011

1.3 中試試驗(yàn)裝置

改良A/A/O中試試驗(yàn)裝置如圖2所示，該裝置由厭氧區(qū)－缺氧區(qū)－好氧區(qū)－非曝氣區(qū)－二沉池組成?？傆行莘e為13.5m3，厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和非曝氣區(qū)的容積比為1∶1∶3∶1。在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和非曝氣區(qū)均安裝攪拌器提供充分的攪拌，好氧區(qū)內(nèi)部聯(lián)通可循環(huán)，通過反應(yīng)器底部的曝氣盤進(jìn)行供氧。溶氧的控制采用變頻裝置進(jìn)行設(shè)定，通過在線DO探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋給變頻控制柜，控制鼓風(fēng)機(jī)曝氣進(jìn)行精確控制，誤差(±0.1)mg/L，二沉池采用斜管沉淀池。試驗(yàn)進(jìn)水、回流污泥和內(nèi)循環(huán)混合液流量均采用流量計(jì)進(jìn)行精確控制，進(jìn)水量控制在1.2m3/h，污泥回流 r為80%，內(nèi)回流 R為200%，通過從二沉池底部排泥，控制系統(tǒng)SRT在15～20 d。

試驗(yàn)進(jìn)水取自該廠沉砂池出水(見1.2節(jié))，接種污泥取自該廠二沉池回流污泥，反應(yīng)器內(nèi)MLSS為(3000±500)mg/L。試驗(yàn)啟動(dòng)期共用了33 d，好氧區(qū)平均DO濃度為2.2mg/L。試驗(yàn)階段好氧區(qū)DO 平均濃度分別控制在 2.2、1.5、1.0、0.6mg/L，每種DO濃度條件下各運(yùn)行25～30 d，系統(tǒng)取樣分析，均在各DO工況調(diào)節(jié)穩(wěn)定一周后進(jìn)行。

圖2 改良A/A/O工藝裝置示意Fig.2 Schematics of Modified A/A/O Processes

1.4 分析方法

試驗(yàn)分析方法均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法［8］，檢測(cè)項(xiàng)目包括 COD、TN、TP、－N、－N、－N等。DO檢測(cè)采用哈希HACH LDO熒光法溶解氧分析儀進(jìn)行在線測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)期污泥培養(yǎng)

在中試裝置啟動(dòng)期，系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮有較強(qiáng)的去除能力，在平均進(jìn)水COD濃度為163.9mg/L的情況下，出水COD濃度平均為15.7mg/L，平均去除率為88.5%；氨氮平均進(jìn)水濃度為25.1mg/L時(shí)，平均出水濃度為0.37mg/L，平均去除率高達(dá)98.5%。

中試裝置啟動(dòng)期內(nèi)系統(tǒng)對(duì)TN和TP的去除效率，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知啟動(dòng)期內(nèi)TN平均進(jìn)水濃度為32.7mg/L，啟動(dòng)期前段出水TN平均濃度為18.6mg/L，去除率平均值為38.2%，而在啟動(dòng)期后段系統(tǒng)對(duì)TN的平均去除率上升到49.7%，TN平均出水濃度為17.1mg/L。TP平均進(jìn)水濃度為3.1mg/L，啟動(dòng)期前段TP平均出水濃度為0.38mg/L，平均去除率為85.8%，而后期平均出水濃度為0.76mg/L，平均去除率為77.6%。由于原水碳源不足，在啟動(dòng)期間，系統(tǒng)聚磷菌和反硝化細(xì)菌表現(xiàn)出對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)系統(tǒng)TN去除率上升的時(shí)候，系統(tǒng)TP去除率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 啟動(dòng)期系統(tǒng)TN的去除效果Fig.3 Removal Effect of TN in Initiator System

圖4 啟動(dòng)期系統(tǒng)TP的去除效果Fig.4 Removal Effect of TP in Initiator System

2.2 DO濃度對(duì)系統(tǒng)COD去除的影響

當(dāng)好氧區(qū)DO濃度分別為2.2、1.5、1.0mg/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除幾乎不受影響，期間COD平均進(jìn)水濃度為193.8mg/L，平均出水濃度20.1mg/L，平均去除率為89.1%。當(dāng)系統(tǒng)中DO濃度降低到0.6mg/L時(shí)，運(yùn)行初期系統(tǒng)出水COD濃度達(dá)到66mg/L，系統(tǒng)對(duì)COD的去除出現(xiàn)短暫的不適應(yīng)；經(jīng)過幾天的適應(yīng)后，系統(tǒng)對(duì)COD仍能保持較高的去除效果，平均出水濃度為16.5mg/L，平均去除率為87.4%。單純從系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果來(lái)看，可以采取較低的曝氣量以有效地節(jié)省曝氣能耗。

2.3 DO濃度對(duì)系統(tǒng)生物脫氮的影響

在生物脫氮過程中，好氧區(qū)DO濃度對(duì)氮的去除效果有重要影響。對(duì)于A/A/O工藝，若溶解氧不足，則硝化難以完成，脫氮更無(wú)法實(shí)現(xiàn)；若溶解氧過高，過剩的溶解氧會(huì)回流至缺氧區(qū)，由好氧區(qū)到缺氧區(qū)的DO攜帶是A/A/O工藝中引起缺氧區(qū)反硝化效果下降的主要原因［9］，高效脫氮也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖5是在不同DO濃度運(yùn)行條件下系統(tǒng)對(duì)氨氮和TN的去除情況。

圖5 不同DO條件下系統(tǒng)脫氮效果Fig.5 Nitrogen Removal under Different DO Conditions

當(dāng)系統(tǒng)中DO濃度分別為2.2、1.5和1.0mg/L時(shí)，氨氮的平均去除率分別為98.8%、99.1%、98.3%，硝酸鹽氮平均出水濃度分別為12.7、12.5、13.2mg/L，亞硝酸鹽氮平均出水濃度不足0.5mg/L，DO對(duì)系統(tǒng)硝化幾乎不產(chǎn)生影響；隨著系統(tǒng)DO平均濃度的降低，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率呈升高趨勢(shì)，TN的平均去除率分別為48.5%、50.4%、53.1%。這是因?yàn)樵诤醚鯀^(qū)DO濃度較高的情況下，回流至缺氧區(qū)的硝化液中DO濃度也相對(duì)較高，會(huì)造成缺氧池缺氧環(huán)境的破壞，同時(shí)較高的DO濃度會(huì)消耗碳源，造成缺氧區(qū)反硝化效率下降。當(dāng)回流的硝化液中攜帶的DO濃度較低時(shí)，這對(duì)缺氧區(qū)環(huán)境的破壞及對(duì)反硝化效果的影響相對(duì)較小。當(dāng)DO進(jìn)一步降低至0.6mg/L時(shí)，期間并未出現(xiàn)亞硝酸氮累計(jì)現(xiàn)象，系統(tǒng)出水氨氮濃度升高，硝酸鹽氮出水濃度降低，硝化過程受到抑制，導(dǎo)致系統(tǒng)TN的去除率下降，雖然經(jīng)恢復(fù)后系統(tǒng)TN的平均去除率為49.3%，但是由于硝化過程不穩(wěn)定，TN的去除率具有一定的波動(dòng)性。

圖6所示是在不同DO濃度運(yùn)行條件下系統(tǒng)非曝氣區(qū)末端(硝化液的回流點(diǎn))溶氧值。

圖6 不同DO條件下非曝氣區(qū)末端DO值Fig.6 End DO Value of Non－Aeration Zone under Different DO Conditions

由圖6可知當(dāng)DO濃度控制在1.0mg/L時(shí)，回流至缺氧區(qū)的硝化液中DO濃度可以穩(wěn)定維持在0.5mg/L以下，因此系統(tǒng)保持了較高的脫氮效率(平均去除率為53.1%)。與同期該廠實(shí)際運(yùn)行效果相比，該廠在投加以醋酸作為外加碳源時(shí)，TN平均去除率為46.9%。

如果缺氧池中含有溶解氧，反硝化完全進(jìn)行，所需有機(jī)物總量(以 BOD 計(jì))可用式(1)計(jì)算［10］，理論計(jì)算時(shí)忽略微生物細(xì)胞死亡及反硝化除磷等對(duì)碳源的影響。劉玉杰［11］研究表明對(duì)于A/A/O工藝，缺氧反硝化除磷現(xiàn)象很微弱，理論計(jì)算值相當(dāng)于忽略微生物細(xì)胞死亡對(duì)碳源的影響。

其中:C為反硝化過程中有機(jī)物需要量(以BOD 計(jì))，mg/L；

DO為污水中溶解氧濃度，mg/L。

根據(jù)該污水處理廠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，BOD/COD約0.35，亞硝酸鹽濃度較低，可以忽略不計(jì)，因此可用式(2)來(lái)計(jì)算。

其中:C為反硝化過程中有機(jī)物需要量(以COD 計(jì))，mg/L；

DO為污水中溶解氧濃度，mg/L。

在污水廠實(shí)際運(yùn)行的工況條件下，若回流液DO濃度控制在0.5mg/L以下，當(dāng)內(nèi)回流控制在200%時(shí)，污泥回流控制在100%，可節(jié)約進(jìn)水碳源12～23mg/L(以COD計(jì))；當(dāng)回流比控制在400%時(shí)，污泥回流液控制在100%，可節(jié)約進(jìn)水碳源26～49mg/L(以COD計(jì))。單純從脫氮的角度對(duì)比，本試驗(yàn)在不投加任何外加碳源的情況下系統(tǒng)對(duì)TN的去除要優(yōu)于該廠實(shí)際脫氮效果。Plosz等［12］的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在進(jìn)水中易生物降解碳源相對(duì)較少的情況下，缺氧區(qū)氧的存在對(duì)反硝化速率有非常大的影響，會(huì)導(dǎo)致反硝化速率顯著降低。該廠好氧區(qū)末端DO濃度高達(dá)3～5mg/L，過度曝氣不僅造成能耗浪費(fèi)，還降低系統(tǒng)的反硝化速率，造成外加碳源的內(nèi)耗。

綜合分析，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)較好的脫氮效果，好氧區(qū)的平均DO值最好控制在1.0～2.0mg/L。在這個(gè)范圍內(nèi)，可滿足系統(tǒng)硝化的同時(shí)，有利于系統(tǒng)的反硝化效率。同時(shí)在好氧區(qū)末端設(shè)置非曝氣區(qū)，可以有效地降低回流至缺氧區(qū)的硝化液中的溶氧值，提高脫氮效率。非曝氣區(qū)的設(shè)置可以有效防止系統(tǒng)二沉池中反硝化帶來(lái)的污泥上浮問題，但應(yīng)注意最終外排水DO值的問題，應(yīng)設(shè)置后曝氣段，以防止外排水過低的溶氧對(duì)環(huán)境水體的影響。

2.4 DO濃度對(duì)系統(tǒng)生物除磷的影響

圖7是在不同DO濃度運(yùn)行條件下系統(tǒng)對(duì)TP的去除情況。

圖7 不同DO條件下系統(tǒng)TP的處理效果Fig.7 Treatment Effect of TP under Different DO Conditions

由圖7可知當(dāng)DO濃度控制在2.2～1.0mg/L時(shí)，隨著DO濃度的降低，TP的去除效果出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，系統(tǒng) TP去除率從77.8%下降至58.4%，平均出水濃度由0.67mg/L上升至0.94mg/L。當(dāng)系統(tǒng)DO濃度控制在0.6mg/L時(shí)，前期由于硝化作用受到抑制，反硝化脫氮對(duì)碳源的需求下降，系統(tǒng)TP的去除率大幅上升，去除率由58.4%陡升至95%，后因系統(tǒng)硝化作用的恢復(fù)，開始逐漸下降。而該污水處理廠運(yùn)行期間進(jìn)水TP平均濃度為2.96mg/L，經(jīng)化學(xué)除磷后出水 TP平均濃度為0.31mg/L，但二沉池后未經(jīng)化學(xué)除磷出水TP平均濃度高達(dá)2.72mg/L。從除磷的效果分析可知，中試運(yùn)行也高于實(shí)際污水處理廠運(yùn)行效果。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)碳源不足時(shí)，低C/N比城鎮(zhèn)生活污水對(duì)于A/A/O工藝來(lái)說，由于其特殊的工藝流程，脫氮對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)于除磷，要想滿足系統(tǒng)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，首先必須解決系統(tǒng)脫氮的問題；其次聚磷菌好氧吸磷對(duì)DO值的需求要低于系統(tǒng)硝化對(duì)DO值的要求。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)好氧區(qū)的平均DO濃度從2.2mg/L降低至1.0mg/L時(shí)，改良A/A/O系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果不受影響，平均去除率為89.1%。

(2)DO濃度對(duì)系統(tǒng)脫氮有重要影響。維持系統(tǒng)好氧區(qū)平均DO為1.0～2.2mg/L，同時(shí)在好氧區(qū)末端設(shè)置非曝氣區(qū)，可以有效地保證缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境以及降低回流至缺氧區(qū)的硝化液中DO值，提高系統(tǒng)脫氮效率，防止系統(tǒng)碳源的內(nèi)耗。

(3)當(dāng)系統(tǒng)碳源不足時(shí)，A/A/O工藝的脫氮對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)于除磷，聚磷菌好氧吸磷對(duì)DO值的需求要低于系統(tǒng)硝化對(duì)DO值的需求。綜合分析，對(duì)于A/A/O工藝DO的控制，應(yīng)優(yōu)先考慮脫氮的需求。

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