劉 雯劉 祥

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

A2N工藝是基于反硝化聚磷菌(DPB)缺氧吸磷的原理而開發(fā)的新工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，它具有“一碳兩用”、能耗低、污泥產(chǎn)量低以及各種菌群各自分開培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

由于城市生活污水C/N偏低不利于脫氮除磷，如何高效利用污水自身碳源，提高脫氮除磷效率已成為水處理研究領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。而污水中有機(jī)物包含著分子量為幾十到幾十萬的有機(jī)物，且一定分子量區(qū)間內(nèi)的各類有機(jī)物往往表現(xiàn)出類似的物理化學(xué)性質(zhì)[4]，同時按照分子量對有機(jī)物進(jìn)行分類，可以避免綜合性指標(biāo)表征模糊[5-7]，因此，了解城市生活污水中有機(jī)物在不同分子量區(qū)間的分布特性對研究工藝對有機(jī)物的降解機(jī)制及DPB污泥脫氮除磷時對有機(jī)物的利用轉(zhuǎn)化特性具有重要的作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置在A2N工藝的基礎(chǔ)上添加了前置缺氧池和末端微曝氣池，屬A2N改進(jìn)工藝，目的主要是高效利用污水自身碳源，提高脫氮除磷效率。前置缺氧池可以優(yōu)先利用污水碳源進(jìn)行反硝化且保證厭氧池絕對的厭氧環(huán)境，而末端微曝氣池主要進(jìn)一步除磷，保證出水水質(zhì)達(dá)一級A標(biāo)，且在好氧池投加組合填料，不僅有效增加了好氧段的生物量，而且由于載體的剪切與碰撞作用，大大提高了氧氣的傳質(zhì)效率，強(qiáng)化了硝化效果。因此，該工藝實(shí)質(zhì)是懸浮生長的活性污泥與附著生長的生物膜相結(jié)合的新工藝。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 改進(jìn)A2N工藝流程圖

裝置各反應(yīng)器均由有機(jī)玻璃柱制成，原水進(jìn)入裝置、污泥回流以及污泥超越都采用蠕動泵控制，沿程水流采用重力流。主要運(yùn)行參數(shù)如下：室溫(18～25℃)條件下運(yùn)行，裝置進(jìn)水流量為 2.5L/h，好氧 DO 為3～4mg/L，相應(yīng)的總平均水力停留時間為13.33h，污泥泥齡為15d，污泥回流比與污泥超越比均為40%，MLSS為3443mg·L-1左右。

1.2 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)原水取自某大學(xué)學(xué)生宿舍區(qū)化糞池污水，經(jīng)稀釋2倍用作試驗(yàn)原水。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)濾膜使用預(yù)處理

1)微濾膜使用前的預(yù)處理

先用超純水將膜蒸煮2次(光面朝下)，每次30min；再用超純水沖洗3次，放入盛有純水的培養(yǎng)皿(直徑15cm)于冰箱內(nèi)4℃保存待用。

2)超濾膜使用前的預(yù)處理

用超純水加入少量乙醇浸泡漂洗3次(光滑面朝下)，每次1h；然后用超純水洗凈后存放于盛有純水的培養(yǎng)皿 (直徑15cm)于冰箱中4℃保存待用。

1.3.2 試驗(yàn)器材

1)超濾杯

中科院上海原子核研究所膜分離技術(shù)中心研發(fā)，有效容積300ml，過濾面積4.18x10-3m2，內(nèi)設(shè)磁力攪拌裝置以減緩膜堵塞，壓力驅(qū)動力為高純氮?dú)?，過濾壓力為0.1MPa。

2)TOC 測定儀(型號：TOC-VCSN)

3)膜材質(zhì)與規(guī)格

表1 濾膜材質(zhì)與規(guī)格

1.3.3 試驗(yàn)操作方法

將預(yù)處理過的0.45μm濾膜夾到超濾杯上，用超純水過濾至濾液達(dá)100mL，然后用過濾水樣(從裝置反應(yīng)柱取樣口取泥水混合物樣品，靜沉30min后的上清液)潤洗3次后正式過濾，廢棄初濾液100mL，測定濾前、濾后的TOC。濾后的TOC為溶解性有機(jī)物含量即DOC。然后將經(jīng)0.45μm微濾膜過濾后的水樣作為分子量切割的初始水樣，將處理好的 0.08u、10w、5w、1w、5k、3k、1k、500D、300D 濾膜分別放到超濾杯上，每次過濾前先用超純水清洗濾膜至濾液達(dá)100mL，然后加入待測水樣潤洗3次后取50mL初始水樣過濾，棄去初濾液30mL，取中間濾液12mL，測定TOC，進(jìn)而獲得各段有機(jī)物分子量分布。

2 顆粒性有機(jī)物在工藝中的變化

顆粒性有機(jī)物在整個工藝中可作為可利用的潛在碳源，從微觀上看，它可被DPB污泥吸附利用而成為污泥的一部分；從宏觀上看，它可以是微生物附著生長的載體。

通過表2可以看出，城市生活污水中有機(jī)物近70%為顆粒性有機(jī)物，且在改進(jìn)A2N工藝去除效果顯著，去除率高達(dá)98.58%，沿程除缺氧段總TOC及顆粒性有機(jī)物都呈下降趨勢，引起這一現(xiàn)象的主要原因是由于污泥回流，目的是補(bǔ)充缺氧碳源不足，讓DPB污泥在厭氧段儲存的PHB在缺氧段吸磷時釋放，供反硝化脫氮利用，實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”。除此之外，發(fā)現(xiàn)末端微曝氣池對顆粒性有機(jī)物的去除效果極為顯著。

表2 各工藝單元顆粒性有機(jī)物變化情況

3 溶解性有機(jī)物在工藝中的變化

3.1 原水有機(jī)物分子量分布

圖2是本試驗(yàn)原水有機(jī)物分子量分布，DOC為17.22 mg/L，在0.45μm～300 區(qū)段上呈現(xiàn) W 型分布， 其中＞10w、1w～5k、＜1k 的有機(jī)物濃 度 為 6.33 mg/L、1.44 mg/L、7.78 mg/L， 分 別 占 DOC 的 36.76% 、8.36%、45.18%?？梢钥闯龀鞘猩钗鬯杏薪话胧牵?k的小分子有機(jī)物，而在5k～3k區(qū)段上有機(jī)物幾乎沒有。

圖2 試驗(yàn)原水有機(jī)物分子量分布

圖3 預(yù)缺氧出水有機(jī)物分子量分布

3.2 預(yù)缺氧出水有機(jī)物分子量分布

圖3是預(yù)缺氧段出水有機(jī)物分子量分布，DOC為5.29 mg/L，在0.45μm～300 區(qū)段上呈現(xiàn) L 型分布。 在 0.45μm～0.08u 區(qū)段有機(jī)物濃度為 2.41 mg/L，占 DOC 的 45.56%。經(jīng)過預(yù)缺氧處理，DOC 去除 30.72%，在 0.08u～10w、1w～5k、1k～500、500～300、＜300 區(qū)段上有機(jī)物出現(xiàn)明顯利用，分別去除 81.08%、96.53%、67.24%、95.45%、82.87%。 這一部分去除主要由兩個方面引起，一是污水與污泥初期接觸混合后，污泥吸附和自身代謝；二是反硝化細(xì)菌脫氮時對污水中有機(jī)物的利用。通過分子量變化可以看出，有機(jī)物在微生物的作用下，不同分子量區(qū)間也會發(fā)生轉(zhuǎn)化，而且反硝化脫氮主要還是利用污水中的小分子有機(jī)物，尤其是分子量＜500的有機(jī)物。

3.3 厭氧出水有機(jī)物分子量分布

圖4是厭氧段出水有機(jī)物分子量分布，DOC為 5.03mg/L，在0.45μm～300區(qū)段上分布較均勻。由于厭氧環(huán)境下，微生物的水解酸化作用使吸附在污泥顆粒表面的大分子有機(jī)物逐漸向小分子轉(zhuǎn)化，在0.45μm～0.08u 區(qū)段，DOC 去除 75.10%， 有效改善了污水中小分子有機(jī)物的濃度，使＜1k的有機(jī)物濃度由原來的1.3mg/L增加到2.31mg/L，占 DOC 的 45.92%。

3.4 好氧出水有機(jī)物分子量分布

圖5是好氧段出水有機(jī)物分子量分布，DOC為 3.77mg/L，在 0.45μm～300 上分布主要集中在＞10w的區(qū)段上，占DOC的55.17%，在10w～5w、1w～5k、＜300上分布極少。結(jié)合厭氧段出水有機(jī)物分子量分布分析發(fā)現(xiàn)，＞10w的有機(jī)物濃度由原來的 1.15 mg/L增加到 2.08 mg/L， 這部分增加可能是由于微生物代謝釋放或者是對顆粒性有機(jī)物的利用轉(zhuǎn)化，還有可能是細(xì)菌死后細(xì)胞解體釋放出來的物質(zhì)。而好氧段出水分布中，小分子有機(jī)物明顯減少，＜1k的有機(jī)物由原來的 2.31mg/L 減少到 0.57mg/L，去除率為 75.32%，主要是由于好氧菌對有機(jī)物的降解利用引起，其中包括氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的利用，這也再次證明了小分子有機(jī)物易被微生物優(yōu)先利用的原理。

圖4 厭氧段出水有機(jī)物分子量分布

圖5 好氧段出水有機(jī)物分子量分布

圖6 缺氧段出水有機(jī)物分子量分布

圖7 工藝出水有機(jī)物分子量分布

3.5 缺氧出水有機(jī)物分子量分布

圖6是缺氧段出水有機(jī)物分子量分布，DOC為 6.61mg/L，在0.45μm～300上分布差異較大。缺氧段有機(jī)物有三部分來源，一是污水自身攜帶，二是厭氧污泥回流攜帶，三是DPB污泥釋放PHB，導(dǎo)致1k～500區(qū)間段上的有機(jī)物由原來的0.26 mg/L增加到1.92mg/L，單區(qū)間占DOC的29.05%，這也進(jìn)一步說明了工藝本身的特點(diǎn)即可滿足缺氧段反硝化脫氮對碳源的需求。同時缺氧出水有機(jī)物分布中，在10w～5w、5w～1w上幾乎沒有分布，結(jié)合好氧出水分布，可以看出，在缺氧段反硝化除磷過程中，DPB污泥不僅僅利用小分子有機(jī)物，對較大分子(如分子量在5w～1w的有機(jī)物)也有利用。

3.6 工藝出水有機(jī)物分子量分布

圖7是工藝出水有機(jī)物分子量分布，DOC為3.36mg/L，分布僅在1k～500上較為突出，其余區(qū)段TOC濃度相近且位于不同分子量區(qū)間上的有機(jī)物含量均小于1mg/L，對DOC的去除率為80.49%。從有機(jī)物分子量分布的角度可以看出，在改進(jìn)工藝中各個分子量區(qū)間的有機(jī)物都有明顯的利用。

4 結(jié)論

(1)城市生活污水中的有機(jī)物有近70%為顆粒性有機(jī)物，且剩余溶解性有機(jī)物(DOC)在0.45μm～300區(qū)間段上呈現(xiàn)W型分布，其中＞10w、1w～5k、＜1k 的有機(jī)物濃度為 6.33 mg/L、1.44 mg/L、7.78 mg/L，分別占 36.76%、8.36%、45.18%。

(2)改進(jìn)A2N工藝，由于DPB污泥對污水中有機(jī)物的利用和吸附，進(jìn)出水有機(jī)物分子量分布發(fā)生明顯變化。試驗(yàn)表明：顆粒性有機(jī)物去除 98.58%，DOC 去除 80.49%。

(3)反硝化除磷過程中并不只利用DOC，顆粒性有機(jī)物也可用于工藝脫氮除磷，除部分顆粒被吸附于污泥表面，仍有一部分在厭氧段被水解酸化為小分子溶解性有機(jī)物，說明顆粒性有機(jī)物在生物脫氮除磷工藝中是一種重要的潛在碳源，而且厭氧處理是將顆粒性有機(jī)物轉(zhuǎn)為DOC較為有效的方法之一，同時顆粒有機(jī)物的存在對微生物的附著及活性污泥性能改善具有明顯作用。

[1]KubaT,van LoosdrechtM CM,Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removalwith mininal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrifica-tion in a two-sludge system[J].Water Res,1996,30(7):1702-1710.

[2]WachtmeisterA,Kuba T,van LoosdrechtM C M,et al.A sludge characterization assay for aerobic and denitrif-ying phosphorus removing sludge[J].WaterRes,1997,31(3):471-478.

[3]令云芳,王淑瀅,王亞宜,等.A2N反硝化脫氮除磷工藝的影響因素分析[J].工業(yè)用水與廢水,2006,37(2):7-11.

[4]HENZE M.Characterization of wastewater for modeling of activated sludge processes[J].Water Science and Technology,1992,25(6):1-15.

[5]黃滿紅,李詠梅,顧國維.城市污水活性污泥處理系統(tǒng)中有機(jī)物分子量的分布及其變化[J].環(huán)境化學(xué),2006,25(6):726-729.

[6]沈國,李茵.廢水處理系統(tǒng)中有機(jī)物分子量分布及其變化[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),33(11):43-45.

[7]李發(fā)站,呂錫武,李彬,等.有機(jī)物分子量分布特點(diǎn)對BAF-O3-BAC凈水工藝的評價[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,37(5):873-877.