沈翼軍 吳 瑒 楊殿海 張 浩 張新喜

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 馬鞍山 243002；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

目前，巢湖水域由于氮磷濃度過(guò)高引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)污水處理廠出水營(yíng)養(yǎng)元素濃度過(guò)高對(duì)水體污染的影響強(qiáng)于非點(diǎn)源[1]，因此城鎮(zhèn)污水處理廠無(wú)論在設(shè)計(jì)或者改造中都要注重氮磷的去除。由于我國(guó)南方城市的污水水質(zhì)具有低碳、高氮磷的特點(diǎn)，傳統(tǒng)生物處理工藝由于碳源不足，脫氮除磷效果較差[2]。目前，關(guān)于碳源的優(yōu)化利用研究主要集中于分段進(jìn)水技術(shù)，即優(yōu)化碳源在污水處理流程中的分配，使有限的碳源合理地分配到脫氮和除磷的反應(yīng)器內(nèi)，避免了碳源進(jìn)入好氧區(qū)被無(wú)效氧化，以求碳源的有效利用率達(dá)到最大化[3-5]。分段進(jìn)水工藝始于20世紀(jì)90年代，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[6]。

關(guān)于分段進(jìn)水的原水流量分配，GE等[7]通過(guò)改造三段分流式A/O工藝，控制每段的流量分配比(體積比，下同)依次為40%∶35%∶25%，出水TN、TP質(zhì)量濃度從原先的20.8、1.98 mg/L分別降到14.2、0.57 mg/L。BOYLE等[8]則采用四段A/O工藝，控制每段的流量分配比依次為20%∶30%∶25%∶25%，處理效果較好。曹貴華等[9]1252-1256研究改良A/O脫氮除磷工藝，發(fā)現(xiàn)控制四段反應(yīng)器流量分配比為20%∶35%∶35%∶10%時(shí)，COD、氨氮、TN、TP出水質(zhì)量濃度分別為33.05、0.58、9.26、0.46 mg/L。以上試驗(yàn)均是從原水進(jìn)行碳源分流，因而本研究在此基礎(chǔ)上提出了厭氧區(qū)碳源分流。一方面，厭氧區(qū)碳源分流可以使原水中碳源被除磷菌優(yōu)先利用，增強(qiáng)除磷效果；其次，厭氧區(qū)中緩慢降解的COD可以通過(guò)厭氧區(qū)反應(yīng)變成溶解性COD，提升碳源品質(zhì)；再者，厭氧區(qū)污泥也可以作為一部分碳源供給微生物利用。

注：1～6分別為沿程測(cè)量點(diǎn)位;1—厭氧區(qū)；2—缺氧1區(qū)始端；3—好氧1區(qū)始端；4—缺氧2區(qū)始端；5—好氧2區(qū)始端；6—消氧區(qū)。圖1 碳源分流多級(jí)A/O分段工藝流程Fig.1 Step-feed A/O system process with flow distribution of carbon source

本研究通過(guò)厭氧區(qū)碳源分流多級(jí)A/O工藝中試裝置，對(duì)某污水處理廠低碳源、高氮磷的生活污水進(jìn)行處理，考察每段流量分配比、回流方式、污泥負(fù)荷對(duì)該工藝脫氮除磷的影響，以期得出優(yōu)化運(yùn)行處理的控制參數(shù)，為污水處理廠的升級(jí)改造提供理論依據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

在厭氧區(qū)碳源分流多級(jí)A/O中試裝置中進(jìn)行市政污水處理試驗(yàn)，工藝流程如圖1所示。預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)(包括缺氧1區(qū)與缺氧2區(qū))、好氧區(qū)(包括好氧1區(qū)與好氧2區(qū))、消氧區(qū)的體積比為1.0∶4.0∶4.8∶6.5∶2.6，總水力停留時(shí)間為17 h。

1.2 原水水質(zhì)與接種污泥

試驗(yàn)原水取自合肥某污水處理廠旋流沉砂池出水，原水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。此外，原水碳氮比(質(zhì)量比)為6.2，碳磷比(質(zhì)量比)為70.0。

試驗(yàn)所用污泥也取自該廠，經(jīng)過(guò)15 d馴化培養(yǎng)后，污泥活性良好。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目與分析方法

常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：溶解氧(DO)、水溫、pH、氧化還原電位(ORP)、COD以及TN、TP、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽等，均參考文獻(xiàn)[10]進(jìn)行測(cè)定。DO與ORP、水溫為在線監(jiān)測(cè)；pH采用哈希HQ40d便攜式多參數(shù)分析儀測(cè)定；COD采用快速消解分光光度法測(cè)定；硝酸鹽氮及TN均采用紫外分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；亞硝酸鹽氮采用分光光度法測(cè)定；TP和磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1.4 試驗(yàn)運(yùn)行方案

試驗(yàn)運(yùn)行周期較長(zhǎng)，在10～25 ℃條件下運(yùn)行。試驗(yàn)進(jìn)水流量控制為2 m3/h，內(nèi)回流比為200%，污泥回流比為50%。好氧區(qū)采用池底曝氣圓盤(pán)進(jìn)行曝氣，DO質(zhì)量濃度控制為2.0 mg/L。試驗(yàn)共分為7個(gè)階段，在其他條件不變的情況下，考察各個(gè)階段不同流量分配比對(duì)污染物的處理情況。各階段的運(yùn)行模式以及控制參數(shù)如表2所示，其中階段Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ為加泥后階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 流量分配比對(duì)處理效果的影響

2.1.1 流量分配比對(duì)COD去除效果的影響

由圖2可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水COD平均質(zhì)量濃度分別為24.7、21.7、53.4、32.9、42.9、28.7、20.8 mg/L，COD去除率為分別為84.4%、88.7%、81.6%、84.6%、82.1%、86.4%、88.0%。除階段Ⅲ外，其余出水均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/L)。在階段Ⅲ，原水分流比為25%∶75%，大部分COD直接流向缺氧2區(qū)，厭氧區(qū)以及缺氧1區(qū)獲得的COD較少，COD消耗不完全，最終隨出水排出，造成出水COD濃度較高。但總體上看，流量分配比對(duì)于COD去除效果影響不大，系統(tǒng)對(duì)COD具有高效穩(wěn)定的去除能力。

表2 各階段運(yùn)行模式以及控制參數(shù)

注：1)原水分流比基于水流占進(jìn)水流量的比例計(jì)算得出，厭氧區(qū)分流比基于水流占混合液(進(jìn)水與回流污泥的總和)流量的比例計(jì)算得出；2)由于階段V重新?lián)Q泥，屬于污泥馴化階段，因此未對(duì)該階段污染物濃度沿程變化進(jìn)行測(cè)量。

圖2 流量分配比對(duì)COD去除效果的影響Fig.2 Effect of flow distribution ratios on COD removal efficiency

由圖3可以看出，沿程COD濃度基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，同時(shí)厭氧區(qū)和缺氧區(qū)COD濃度的降低比好氧區(qū)明顯。這可能是原水中的碳源首先進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)和缺氧區(qū)用于釋磷和反硝化，接著再流入好氧區(qū)，避免了好氧區(qū)對(duì)碳源的無(wú)效利用，降低了好氧區(qū)的異養(yǎng)菌對(duì)有機(jī)物的競(jìng)爭(zhēng)。由此可體現(xiàn)出厭氧區(qū)碳源分流多級(jí)A/O工藝的優(yōu)越性。

圖3 不同階段下COD質(zhì)量濃度的沿程變化Fig.3 Variation of COD concentrations along the path under different stages

2.1.2 流量分配比對(duì)氮去除效果的影響

由圖4可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水氨氮平均質(zhì)量濃度分別為1.37、0.83、2.80、1.91、0.56、0.85、0.64 mg/L，氨氮去除率分別為95.0%、96.9%、91.0%、93.1%、97.1%、96.8%、96.5%，均符合GB 18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(8 mg/L)。

由圖5可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水TN平均質(zhì)量濃度分別為21.0、20.9、19.3、18.7、15.4、16.3、14.2 mg/L，TN去除率分別為37.8%、43.1%、47.4%、50.8%、50.1%、50.1%、50.8%。階段Ⅶ的出水符合GB 18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L)。由此可見(jiàn)，流量分配比對(duì)氨氮的去除效果影響不大，但對(duì)于TN的去除效果有較明顯影響。

圖4 流量分配比對(duì)氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of flow distribution ratios on ammonia nitrogen removal efficiency

圖5 流量分配比對(duì)TN去除效果的影響Fig.5 Effect of flow distribution ratios on TN removal efficiency

如圖6所示，沿程氨氮濃度總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，氨氮濃度的下降在厭氧區(qū)最明顯。一方面是由于原水在厭氧區(qū)進(jìn)行分配，氨氮同樣按照流量分配比分別被分配到各個(gè)反應(yīng)區(qū)中，從而稀釋了氨氮濃度；另一方面是由于回流污泥的不斷稀釋?zhuān)档土税钡獫舛取?/p>

圖6 不同階段下氨氮質(zhì)量濃度的沿程變化Fig.6 Variation of ammonia nitrogen concentrations along the path under different stages

系統(tǒng)出水氨氮質(zhì)量濃度總體上小于2 mg/L(見(jiàn)圖4)，系統(tǒng)硝化容量充足，硝化效果較好，因而TN的去除效果可能主要取決于反硝化效果。從圖7可以看出，對(duì)于階段Ⅱ、Ⅲ，脫氮效果較差，主要是由于缺氧1區(qū)中第一級(jí)碳源不足，反硝化作用較差，硝酸鹽氮大量積累，導(dǎo)致后續(xù)階段處理效果不佳。階段Ⅵ、Ⅶ處理效果較好，主要是由于缺氧1區(qū)中第一級(jí)碳源較為充足，反硝化效果較為徹底。同時(shí)由于好氧1區(qū)內(nèi)回流作用，缺氧1區(qū)的硝酸鹽氮有小部分積累。然而階段Ⅵ在缺氧2區(qū)的碳源含量不足，此時(shí)反硝化作用幾乎完全受到抑制；階段Ⅶ則由于從厭氧區(qū)進(jìn)行分流，缺氧2區(qū)碳源含量較為充足，反硝化作用繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)而出水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在9 mg/L左右，脫氮效果較好。對(duì)于階段Ⅵ、Ⅶ，消氧區(qū)的硝酸鹽氮濃度均出現(xiàn)了下降，可能是發(fā)生了內(nèi)源反硝化作用，即利用微生物自身作為碳源進(jìn)行反硝化作用，一方面可以降低碳源需求，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)污泥減量化。

2.1.3 流量分配比對(duì)磷去除效果的影響

由圖8可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水TP平均質(zhì)量濃度分別為1.58、1.67、1.68、1.67、2.18、0.90、0.89 mg/L，TP去除率分別為40.7%、48.1%、50.4%、56.0%、37.7%、67.3%、58.9%。除階段Ⅴ外，其他階段在厭氧區(qū)所去除的TN依次占進(jìn)水TN的34.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、21.6%、27.6%、28.0%、15.7%、13.9%。由于回流污泥中的硝酸鹽氮濃度較高，厭氧區(qū)反硝化菌優(yōu)先于聚磷菌利用原水中的碳源進(jìn)行反硝化作用，進(jìn)而導(dǎo)致用于厭氧釋磷的碳源量減少，抑制厭氧釋磷過(guò)程，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的除磷效果。階段Ⅵ和Ⅶ去除效果最好，可能正是厭氧區(qū)反硝化量相對(duì)較低的結(jié)果。溫度較低可能也是造成系統(tǒng)整體除磷效果不佳的原因之一。溫度較低導(dǎo)致聚磷菌活性降低，污泥最大釋磷速率以及最大缺磷速率均有所下降，進(jìn)而抑制除磷效果[11]。根據(jù)相關(guān)研究，縮短并控制污泥齡在8～12 d可以有效提高除磷效果[12]10-11,[13-14]。一方面，較短污泥齡的污泥生物活性較高，體內(nèi)含磷水平較高，因此除磷效果較好；另一方面，由于除磷菌屬于短泥齡異養(yǎng)微生物，通過(guò)排出富磷污泥實(shí)現(xiàn)除磷，因此污泥齡越短，剩余污泥的排放量越大，相應(yīng)的除磷效果就越好。而本試驗(yàn)中的污泥齡普遍在20 d以上，導(dǎo)致系統(tǒng)的除磷效果不理想。

圖7 不同階段下硝酸鹽氮質(zhì)量濃度的沿程變化Fig.7 Variation of nitrate nitrogen concentrations along the path under different stages

圖8 流量分配比對(duì)TP去除效果的影響Fig.8 Effect of flow distribution ratios on TP removal efficiency

通過(guò)圖9可分析不同階段下磷酸鹽的沿程變化情況。磷酸鹽濃度大體上在厭氧區(qū)下降最快。階段Ⅵ、Ⅶ整體除磷效果較好，主要是由于聚磷菌在厭氧區(qū)有相對(duì)充足的碳源進(jìn)行厭氧釋磷[12]8-9。同時(shí)，隨著厭氧釋磷量的增加，好氧吸磷量也隨之增加，TP去除效果得到提高。其中，最大厭氧釋磷率為448%，該結(jié)論與曹貴華等[9]1254-1255得出的415%和GE等[15]得出的495%接近。因此，通過(guò)調(diào)整流量分配比以及內(nèi)回流比等參數(shù)，控制厭氧區(qū)硝酸鹽氮濃度，可以在保持TN較優(yōu)處理基礎(chǔ)上，提高TP的去除效果。

圖9 不同階段下磷酸鹽質(zhì)量濃度的沿程變化Fig.9 Variation of phosphate concentrations along the path under different stages

從圖9還可以發(fā)現(xiàn)，各階段在缺氧區(qū)基本均發(fā)生了一定程度的除磷，可能是反硝化除磷菌利用硝酸鹽氮作為電子供體進(jìn)行反硝化除磷；同時(shí)當(dāng)流量分配比為75%∶25%時(shí)，系統(tǒng)反硝化除磷效果較好。

2.2 內(nèi)回流位置對(duì)處理效果的影響

控制階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的內(nèi)回流位置在消氧區(qū)，階段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的內(nèi)回流位置在好氧1區(qū)末端，分別考察氨氮、硝酸鹽氮、磷酸鹽質(zhì)量濃度的沿程變化情況。內(nèi)回流通過(guò)回流大量含有硝酸鹽氮的硝化液至缺氧1區(qū)，便于在缺氧區(qū)進(jìn)行以硝酸鹽氮為電子受體的反硝化作用。

通過(guò)圖10可以看出，內(nèi)回流位置對(duì)氨氮處理效果影響不大，內(nèi)回流位置在好氧1區(qū)末端或者在消氧區(qū)，氨氮沿程濃度相差不大。內(nèi)回流位置在消氧區(qū)的反硝化效果較好，可能是內(nèi)回流位置在好氧1區(qū)末端時(shí)，混合液中硝酸鹽氮濃度不足，無(wú)法提供足夠的電子受體進(jìn)行反硝化作用，導(dǎo)致反硝化效果不佳。磷酸鹽濃度在缺氧區(qū)(尤其是缺氧1區(qū))出現(xiàn)下降，一方面可能是由于混合液的稀釋作用，另一方面可能是由于反硝化除磷作用。內(nèi)回流位置在消氧區(qū)相比在好氧1區(qū)末端磷酸鹽下降的幅度更大，說(shuō)明內(nèi)回流位置在消氧區(qū)對(duì)于整體除磷有更大的幫助。

圖10 不同內(nèi)回流位置對(duì)污染物沿程質(zhì)量濃度的影響Fig.10 Effect of different internal reflux positions on pollutant concentrations

2.3 進(jìn)水污泥負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

2.3.1 進(jìn)水污泥負(fù)荷對(duì)COD處理效果的影響

由圖11可以看出，進(jìn)水COD污泥負(fù)荷主要集中于0.1～0.4 kg/(kg·d)，總體負(fù)荷較低，COD去除率基本穩(wěn)定在90%，同時(shí)出水COD濃度隨著進(jìn)水COD污泥負(fù)荷的增加而增加。當(dāng)進(jìn)水COD污泥負(fù)荷接近0.5 kg/(kg·d)時(shí)，出水COD質(zhì)量濃度基本上仍小于50 mg/L，說(shuō)明進(jìn)水COD污泥負(fù)荷還有一定的提升空間，可以通過(guò)縮短水力停留時(shí)間以及處理更高濃度碳源的污水實(shí)現(xiàn)COD污泥負(fù)荷的提升。

圖11 進(jìn)水COD污泥負(fù)荷對(duì)COD處理效果的影響Fig.11 Effect of influent COD loads on COD removal efficiency

2.3.2 進(jìn)水污泥負(fù)荷對(duì)氨氮處理效果的影響

由圖12可知，進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷主要集中在0.01～0.05 kg/(kg·d)，同時(shí)出水氨氮濃度隨著進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷的增加而增加。研究進(jìn)水氨氮負(fù)荷與氨氮去除率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷為0.05 kg/(kg·d)為系統(tǒng)的去除拐點(diǎn)：當(dāng)進(jìn)水氨氮<0.05 kg/(kg·d)時(shí)，總體處理效果較好，系統(tǒng)出水氨氮質(zhì)量濃度基本小于4 mg/L，去除率在90%以上；當(dāng)進(jìn)水氨氮≥0.05 kg/(kg·d)時(shí)，去除率隨著氨氮污泥負(fù)荷的增加而下降。然而，當(dāng)進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷接近0.09 kg/(kg·d)時(shí)，系統(tǒng)氨氮出水質(zhì)量濃度仍舊低于8 mg/L，可見(jiàn)進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷仍舊有很大的提升空間。

圖12 進(jìn)水氨氮污泥負(fù)荷對(duì)氨氮處理效果的影響Fig.12 Effect of influent ammonia nitrogen loads on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3.3 進(jìn)水污泥負(fù)荷對(duì)TN處理效果的影響

由圖13可以看出，進(jìn)水TN污泥負(fù)荷主要集中在0.018～0.088 kg/(kg·d)，同時(shí)出水TN濃度隨著進(jìn)水TN污泥負(fù)荷的增加而增加。研究進(jìn)水TN污泥負(fù)荷與TN去除率的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水TN污泥負(fù)荷為0.040 kg/(kg·d)為系統(tǒng)的去除拐點(diǎn)：當(dāng)進(jìn)水TN<0.040 kg/(kg·d)時(shí)，系統(tǒng)去除率隨著進(jìn)水TN污泥負(fù)荷的增加而增加；當(dāng)進(jìn)水TN≥0.040 kg/(kg·d)時(shí)，去除率則隨著TN污泥負(fù)荷的增加而下降。當(dāng)進(jìn)水TN污泥負(fù)荷在拐點(diǎn)附近時(shí)，出水TN濃度較低，因此控制進(jìn)水TN污泥負(fù)荷在0.040 kg/(kg·d)，能得到較好的TN去除效果。

圖13 進(jìn)水TN污泥負(fù)荷對(duì)TN處理效果的影響Fig.13 Effect of influent TN loads on TN removal efficiency

2.3.4 進(jìn)水污泥負(fù)荷對(duì)TP處理效果的影響

由圖14可以看出，TP污泥負(fù)荷主要集中在0.002～0.003 kg/(kg·d)。隨著TP污泥負(fù)荷的不斷增加，出水TP濃度也隨之增加，但是TP去除率與TP污泥負(fù)荷之間并沒(méi)有明顯的關(guān)系。

圖14 進(jìn)水TP污泥負(fù)荷對(duì)TP處理效果的影響Fig.14 Effect of influent TP loads on TP removal efficiency

3 結(jié) 論

(1) 采用厭氧區(qū)碳源分流多級(jí)A/O工藝處理低碳、高氮磷市政污水，得到系統(tǒng)最優(yōu)流量分配比為厭氧區(qū)分流75%∶25%，該工況下最終出水COD、氨氮、TN、TP濃度分別為20.8、0.64、14.2、0.89 mg/L，基本滿(mǎn)足GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 流量分配比對(duì)COD、氨氮去除效果基本沒(méi)有影響，對(duì)TN、TP去除效果影響較大。

(3) 內(nèi)回流位置在消氧區(qū)更有利于處理效果的提升。

(4) 進(jìn)水COD以及氨氮污泥負(fù)荷還有很大的提升空間，控制TN污泥負(fù)荷為0.040 kg/(kg·d)對(duì)TN的處理效果較好。

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