張 淼,彭永臻,張建華,王 聰,王淑瑩,曾 薇

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進水C/N對A2/O-BCO工藝反硝化除磷特性的影響

張 淼,彭永臻*,張建華,王 聰,王淑瑩,曾 薇

(北京工業(yè)大學北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

采用厭氧/缺氧/好氧與生物接觸氧化工藝組成的雙污泥系統(tǒng)(A2/O-BCO)處理實際生活污水.通過投加乙酸鈉調(diào)節(jié)進水碳氮比(C/N=2.44~8.85),考察了系統(tǒng)的反硝化除磷特性.試驗結果表明:進水有機物主要是通過改變硝化性能(即缺氧段反硝化負荷)以及聚-β-羥基鏈烷酸脂(PHA)的貯存和利用,進而影響系統(tǒng)的脫氮除磷效果.當進水C/N為4~5時,COD、TN和PO43--P去除率分別達到88%,80%和96%,實現(xiàn)了有機物、氮和磷的同步高效去除.碳平衡分析表明,A2/O反應器去除的COD占去除總量的71.86%~77.28%,BCO反應器去除的COD僅占2%~12%,碳源的高效利用是A2/O-BCO工藝在低C/N條件下實現(xiàn)深度脫氮除磷的重要原因.此外,通過進水C/N與曝氣量、硝化液回流比、厭/缺氧反應時間等相關性的分析,提出了系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略.

A2/O-BCO；C/N；反硝化除磷；生活污水；優(yōu)化運行

隨著水體富營養(yǎng)化的日益嚴重以及排放標準的不斷提高,厭氧/缺氧/好氧(A2/O)工藝,分段進水,多級厭氧/缺氧(A/O)串聯(lián),開普敦大學研發(fā)的UCT工藝以及改良UCT(MUCT)等多種脫氮除磷工藝應運而生[1-4].傳統(tǒng)脫氮除磷(BNR)工藝中存在異養(yǎng)菌、反硝化菌和聚磷菌對進水碳源的競爭,在單污泥系統(tǒng)中聚磷菌和硝化菌還存在泥齡上的矛盾,使得污水處理中氮、磷很難同時穩(wěn)定達標[5].

在實際工程應用中,由于水質波動大、技術管理復雜、處理效果不穩(wěn)定等問題,使得有機碳源成為影響B(tài)NR工藝同步脫氮除磷效果的關鍵因素[6].有研究表明制革廢水實現(xiàn)完全反硝化,進

水碳氮比(C/N)需要大于8[7],而實際生活污水的進水C/N往往低于6[8].絕大多數(shù)污水處理廠主要考慮外加碳源(如甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等)或者將富含可生物降解有機物的工業(yè)廢水投加到城市污水中,MacDonal等調(diào)查研究表明:采用甲醇作為外加碳源的處理成本占污水廠運行管理成本的70%之多[9],大大增加了污水處理的運行費用.因此,對于低C/N(C/N<5)污水,傳統(tǒng)工藝往往不能滿足排放標準的要求,再加上低溫問題[10],許多污水處理廠的升級改造面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[11].

反硝化聚磷菌(DNPAOs)的發(fā)現(xiàn)使生物除磷和同步反硝化脫氮成為可能,為解決上述問題提供了新的思路[12].在厭/缺氧交替運行條件下,DNPAOs與傳統(tǒng)聚磷菌(PAOs)有相似的代謝機理[13],可節(jié)省30%的曝氣能耗,同時減少50%的碳源和污泥產(chǎn)量[14],具有很好的應用前景.反硝化除磷技術主要分為單污泥工藝和雙污泥工藝兩大類,雖然單污泥系統(tǒng)(如UCT、MUCT等工藝)也存在反硝化除磷現(xiàn)象,但研究表明DEPHANOX、A2N、A2/O-BAF、A2/O-生物接觸氧化(BCO)等雙污泥系統(tǒng)更有優(yōu)勢[15-18].筆者前期對改良型雙污泥A2/O-BCO工藝的容積分配比,硝化液回流比,基質轉化利用規(guī)律以及微生物特性進行了考察[19-21],與A2/O-BAF相比[22-23],該工藝是一種脫氮除磷效果穩(wěn)定,無污泥膨脹之虞,運行管理方便并深度節(jié)能降耗的反硝化除磷系統(tǒng),一體化廊道式的構造可用于新建污水廠及舊污水廠的改造.

A2/O-BCO系統(tǒng)通過長短泥齡分離,實現(xiàn)“一碳兩用”,緩解了不同微生物菌群對碳源的競爭,但作為一種新工藝,碳源對系統(tǒng)長期運行的影響尚不明確.此外,由于環(huán)境因素,研究條件以及污泥特性的差異,碳源類型及碳源濃度對脫氮除磷影響的結論也并不統(tǒng)一,且目前對反硝化除磷的研究較少.Lee、葛士建等[24-25]研究發(fā)現(xiàn),采用乙酸或乙酸鈉作為外加碳源,具有較高的反硝化速率和較低的污泥產(chǎn)率,當溫度為10℃,C/N為2:1時即可實現(xiàn)完全反硝化[26],遠遠高于甲醇、乙醇、葡萄糖等的比反硝化速率.Oehmen證實與乙酸相比,丙酸是實現(xiàn)PAOs富集的優(yōu)質碳源[27],但是相比單純以丙酸作為碳源,少量乙酸的存在能提高60%的丙酸利用率[28].鑒于上述分析,綜合考慮選擇乙酸鈉作為外加碳源.

本文以實際生活污水為處理對象,在前期試驗研究的基礎上,通過長達137d的連續(xù)運行,考察了投加乙酸鈉條件下的進水C/N 對系統(tǒng)反硝化除磷性能的影響;同時考察了運行策略,為A2/O - BCO系統(tǒng)的推廣應用以及反硝化除磷性能優(yōu)化提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

A2/O - BCO系統(tǒng)由原水水箱、A2/O反應器、中間沉淀池(MS)、BCO反應器以及沉淀區(qū)順序連接組成,其中主體反應器材質均為有機玻璃,工藝流程如圖1所示.A2/O反應器有效容積42L,進水流量126L/d,均分為7個格室,分別為厭氧區(qū)(An),缺氧區(qū)(A1~ A5)和好氧區(qū)(O),即容積分配比為1:5:1.厭氧區(qū)和缺氧區(qū)設有攪拌,好氧區(qū)停留時間較短,溶解氧1.0 ~ 1.5mg/L,進一步吸磷的同時用于吹脫反硝化過程產(chǎn)生的氮氣,便于后續(xù)的泥水分離.反應器平均污泥濃度為1800 ~ 2000mg/L,污泥齡(SRT)為(12±2)d. A2/O反應器出水進入中間沉淀池實現(xiàn)泥水分離,中間沉淀池有效容積15L,沉淀污泥回流到A2/O反應器的厭氧區(qū),污泥回流比= 100%

中間沉淀池的上清液經(jīng)中間提升泵進入BCO反應器,實現(xiàn)氨氮的氧化,硝化液經(jīng)沉淀區(qū)回流到A2/O反應器的缺氧區(qū),硝化液回流比= 400%.BCO反應器3格串聯(lián)(記為N1,N2,N3),總有效容積18L,內(nèi)設聚丙烯懸浮填料,填料形狀為圓柱體(尺寸×: 25mm×10mm),填充率為45%;三格溶解氧為3.5~4.5mg/L,總氣量為0.18~ 0.20m3/h,生物膜平均生物量為1000~1200mg/L.

1.2 試驗安排及污水水質

試驗用水取自北京工業(yè)大學化糞池的實際生活污水(Run1),屬于典型的低C/N污水.本試驗連續(xù)運行137d,水溫(20±2)℃.在監(jiān)測原水COD和TN濃度后,向原水水箱投加乙酸鈉來調(diào)節(jié)進水C/N,使其在2.44~8.85范圍內(nèi)波動(Run1~Run5),主要考察進水C/N對系統(tǒng)同步脫氮除磷性能的影響.在調(diào)節(jié)進水C/N的同時,C/P也在隨之改變(25.36~84.15),具體的水質特征見表1.

表1 進水水質Table 1 Characteristics of influent wastewater

1.3 常規(guī)項目監(jiān)測

COD的測定采用蘭州連華5B - 1型快速測定儀;NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P在水樣經(jīng)0.45μm中速濾紙過濾后,由流動注射分析儀(Lachat Quik-Chem8000,Lachat Instrument, Milwaukee, USA)測定;TN采用TN/TOC分析儀(MultiN/C3100,Analytik Jena, AG)測定;混合液懸浮固體濃度(MLSS)和揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)根據(jù)國家標準方法測定[29];聚-β-羥基鏈烷酸脂(poly-β-hydroxyalkanoates, PHA)采用氣相色譜(Agilent 6890N)及DB-1型色譜柱檢測[30].

1.4 碳平衡分析方法

采用COD間接表示系統(tǒng)中的碳指標,以穩(wěn)態(tài)條件下的試驗數(shù)據(jù)為基礎,對不同工況下的A2/O-BCO系統(tǒng)進行物料平衡分析.進入系統(tǒng)COD(inf)的去除途徑主要包括以下幾個方面[31]: A2/O反應器厭氧段去除(An),缺氧段反硝化和好氧段氧化(A-O),BCO反應器氧化(BCO),剩余污泥排放(WS),出水殘留(eff).具體計算過程如下:

infinfinf(1)

AninfinfinfRS(1)infAn(2)

A-O= (1+)inf·An+·inf·eff-

(1++)·inf·O(3)

BCO(1)infMSinfeffeffeff(4)

WSWSWSCV(5)

effeffeff(6)

式中:inf,WS,eff分別是進水流量,剩余污泥排放量,出水流量(即進水流量),L/d;inf,RS,An,O,MS,eff分別是進水COD濃度,回流污泥攜帶的COD濃度(即沉淀池COD濃度),厭氧段COD濃度,好氧段COD濃度,沉淀池COD濃度,出水COD濃度,mg/L;為污泥回流比,100%;為硝化液回流比,400%;WS為剩余污泥濃度,mg/L;為MLVSS/MLSS;CV為活性污泥中有機物COD的化學計量系數(shù),計算中取1.48mgCOD/mgMLVSS[32].

2 結果與討論

2.1 C/N對有機物去除性能的影響

不同進水C/N條件下,系統(tǒng)各階段COD的去除情況如圖2(a)所示.當C/N在2.44 ~ 4.28范圍內(nèi)波動時(Run1,Run2和Run5),厭氧段出水的平均COD濃度為56.9 ~ 68.3mg/L,再經(jīng)過缺氧區(qū)的部分反硝化作用,最終出水的COD濃度可穩(wěn)定達城鎮(zhèn)污水處理廠的一級A排放標準(GB18918 - 2002).但隨著C/N的增加(Run3和Run4),厭氧段COD濃度偏高,平均值為108.31,126.42mg/L,導致A2/O反應器出水的COD濃度也呈現(xiàn)上升的趨勢;經(jīng)過BCO反應器中異養(yǎng)菌的進一步同化作用,系統(tǒng)最終出水的COD濃度為48.97, 59.93mg/L.

從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),Run1~Run5厭氧段COD去除率為63.63%~75.48%,與之前的研究結論相似[19],作為缺氧吸磷的能量儲備,厭氧段是有機物被吸收用于PHA合成的重要場所[33].同時5種工況下A2/O反應器中COD的平均去除率分別為79.09%, 82.84%, 81.98%, 82.56%和79.05%. Cao等[1]研究表明,分段進水工藝在進水C/N<5時可達到74%的碳源利用率,而在改良UCT工藝中,當進水C/N為3.5~5.0用于反硝化除磷的COD僅占(62±6)%[34].相比之下,本研究的雙污泥系統(tǒng)在處理低C/N污水,強化碳源利用方面具有明顯的優(yōu)勢.

然而,對于C/N為5.92和8.85,COD在厭氧段的去除率、A2/O反應器的去除率和系統(tǒng)的總去除率三者相差較大,部分易降解的COD是在A2/O反應器的缺氧區(qū)和BCO反應器中被去除的.上述2種工況對于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行存在隱患:一方面,缺氧區(qū)反硝化菌會優(yōu)先利用外碳源進行反硝化,使得DNPAOs的生長受到抑制[35];另一方面,BCO反應器中外碳源的剩余會刺激異養(yǎng)菌大量繁殖,削弱生長速率較低的自養(yǎng)型硝化菌的競爭能力,對硝化性能的穩(wěn)定是極其不利的[17,36].因此,從有機物去除的角度來說,進水C/N不宜超過5.92.

表2 碳平衡分析Table 2 Material balance analysis of carbon

注: COD平衡百分比= (AnA-OBCOWSeff)/inf.

此外,根據(jù)COD的遷移途徑可知(表2),5個不同進水C/N條件下,COD平衡百分比均超過95%,可能是由于數(shù)據(jù)測量誤差造成的部分碳損失,但該平衡值遠遠高于UCT工藝(67%~89.7%)和MUCT工藝(60.7%~87.6%)[37].其中厭氧段去除的COD占總量的百分比分別為49%, 61%, 59%, 64%, 62%.同樣在A2/O - BCO系統(tǒng)中,王聰?shù)萚31]考察了不同硝化液回流比條件下COD的物料平衡,得出厭氧段利用的COD占57.9%~78.5%,比本研究結果偏高.分析原因可能是由于本研究中厭氧停留時間僅為1.14h (小于文獻中的1.6h),較短的反應時間來不及充分利用原水碳源,另外試驗條件和經(jīng)驗值取值的不同也可能導致數(shù)據(jù)的偏差.盡管如此,A2/O反應器去除的COD占71.86%~77.28%,BCO反應器氧化的COD僅占2%~12%,絕大多數(shù)碳源還是優(yōu)先被聚磷菌或反硝化菌利用,很大程度上減少了曝氣能耗同時強化了硝化菌的富集,這也是該工藝在低C/N條件下可實現(xiàn)一級A排放標準的原因所在[17].綜上所述,A2/O - BCO工藝可實現(xiàn)原水中有機碳源的高效利用,尤其適用于處理低C/N生活污水;而對于高C/N污水,為了強化COD去除效果,可適當延長厭/缺氧水力停留時間.

2.2 C/N對氮去除性能的影響

由圖3(a)可知,NH4+-N和TN的去除率密切相關,這主要是由于硝化過程為反硝化除磷提供電子受體(NO--N=NO2--N+NO3--N,其中NO3--N占絕大比例),在硝化液回流比恒定的條件下,NH4+-N的完全氧化是實現(xiàn)TN高效去除的基礎和關鍵[38].Run1~Run3工況下,平均NH4+-N去除率為98.28%,98.55%和95.40%,且前2種工況下出水NH4+-N濃度基本小于1.0mg/L;在此基礎上,TN去除率也隨著C/N的增加呈上升趨勢,當C/N為5.92時,出水TN濃度11.32mg/L,TN去除率高達82%.傳統(tǒng)SBR工藝中脫氮過程C/N往往大于8[7],Vaiopoulou等[39]采用改良UCT工藝,在進水C/N為9.27時實現(xiàn)了最優(yōu)的脫氮效果(TN去除率83%),本研究結果再次體現(xiàn)了A2/O - BCO工藝節(jié)省碳源的優(yōu)勢.

當C/N進一步增加到8.85,硝化效果出現(xiàn)惡化,出水NH4+-N濃度逐步累積,最高可達17.18mg/L,平均TN去除率僅為49.50%.結合COD的利用情況可知,氮去除效果的惡化,主要是由于進水有機物負荷過高導致的硝化不完全,進而引起TN去除率的下降.張為堂等[40]研究也發(fā)現(xiàn),進水C/N增加到9.5時,NH4+-N去除率迅速下降至70%,出水NH4+-N濃度最高可達30mg/L.隨后把進水C/N降為3.71,經(jīng)過15d的恢復,NH4+-N去除率上升到96.51%,TN去除率也穩(wěn)定在75%左右.上述現(xiàn)象表明,在一定范圍內(nèi),增加進水C/N是改善TN去除率的有力措施,但是必須建立在NH4+-N氧化完全的基礎上;否則,過高的C/N不僅造成碳源的浪費還會導致脫氮效果的惡化.這也意味著在高C/N條件下,對BCO反應器的曝氣量、水力停留時間、NH4+-N負荷等運行參數(shù)的控制尤為重要.

為了進一步分析各工況下氮的去除特性,圖3(b)給出了NO--N的沿程變化情況.對于Run1(C/N為2.44),由于C/N相對較低,A2/O反應器中缺氧段出水,好氧段出水,中間沉淀池出水的NO--N濃度普遍偏高(6.92~7.29mg/L),對比Run5(C/N增加為3.71),NO--N濃度降為3.09~ 3.85mg/L,說明碳源不足成為限制反硝化脫氮的主要因素.隨著C/N從4.28增加到8.85,反應器沿程的NO--N濃度從0.95~2.98mg/L降為0.36~ 0.86mg/L,系統(tǒng)最終出水的NO--N也逐步降低,表明增加進水C/N確實有利于強化反硝化作用.

同時,通過對缺氧區(qū)反硝化負荷分析發(fā)現(xiàn),Run1 ~ Run5,反硝化負荷分別為0.136, 0.152, 0.128, 0.110, 0.121kgN/(kgMLVSS·d).在高C/N運行條件下,Run3和Run4反硝化負荷的降低,表明電子受體不足限制了TN去除率的進一步提高,這一結論與NH4+-N去除率的下降吻合.筆者前期在硝化液回流比300%,進水C/N為3.50條件下,對不同容積分配比進行了優(yōu)化[19],發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)的反硝化負荷為0.104kgN/(kgMLVSS·d)時,系統(tǒng)達到了最優(yōu)的TN去除率(75.22% ~ 78.70%).本研究在硝化液回流比400%,進水C/N為4.28時,反硝化負荷達到了0.152kgN/ (kgMLVSS·d),進一步激發(fā)了DNPAOs反硝化潛能,TN去除率提高為80.5%.因此,為了實現(xiàn)TN的高效去除,充足的碳源和電子受體缺一不可.

2.3 C/N對磷去除性能的影響

由圖4(a)可知,C/N較低時(<4.28)有利于實現(xiàn)PO43--P的穩(wěn)定去除,其中C/N為2.44和4.28時,平均出水PO43--P濃度為0.22, 0.31mg/L,尤其在TN不能達標的情況下(當C/N為2.44,出水平均濃度18.13mg/L),PO43--P去除率超過95%.在A2N - SBR反硝化除磷系統(tǒng)中[41],同樣發(fā)現(xiàn)低C/N不會影響除磷效果,C/N為3.50時,TN去除率只有66%,但PO43--P去除率可維持88%.與此不同的是,傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中,反硝化菌、聚磷菌在利用碳源方面存在矛盾和競爭[42],有限的碳源會優(yōu)先滿足反硝化再除磷,這也是傳統(tǒng)BNR工藝脫氮除磷效率難以同步提高的主要原因.

隨著C/N的繼續(xù)增大,C/N達到5.29時,出水PO43--P濃度略有升高,當C/N增加到8.85,除磷效果逐步惡化,最終出水PO43--P濃度高達3.30mg/L,去除率僅為46.89%.當C/N降為3.71,僅經(jīng)過10d,PO43--P去除率恢復到82%,出水濃度小于1mg/L.與脫氮性能相比,除磷效果恢復相對較快,主要原因在于:①A2/O反應器好氧區(qū)的存在有利于除磷性能的恢復[43];②DNPAOs的缺氧吸磷速率比好氧吸磷速率低[44],即意味著DNPAOs的恢復速率比PAOs慢;③反硝化菌在20℃時的最大比增長速率為0.30d-1[45],Sun等[46]對反硝化聚磷菌屬進行富集培養(yǎng),得出15℃時最大比增長速率為0.71d-1,聚磷菌較大的比增長速率使其在短期內(nèi)可得到快速恢復.

除此之外,在試驗期間的23d (Run1),56d (Run2),77d (Run3),119d (Run5)分別考察了除磷過程中內(nèi)碳源PHA的利用情況(鑒于除磷效果不穩(wěn)定,Run4期間未進行PHA的測定),見圖4(b).當C/N為2.44時,厭氧段合成的PHA含量(An-PHA)為75.16mgCOD/gMLVSS,缺氧段剩余的PHA含量(A-PHA)為22.89mgCOD/gMLVSS, PHA的利用率為69.54%;當C/N增加到4.28, An-PHA和A-PHA分別為92.44, 22.02mgCOD/ gMLVSS, PHA利用率達到76.18%;當C/N繼續(xù)上升到5.92, An-PHA增加為109.86mgCOD/ gMLVSS,但A-PHA仍殘留25.89mgCOD/ gMLVSS, PHA利用率(76.43%)已沒有太大的變化.PHA利用率的分析進一步驗證了TN的去除特性.葛士建等[47]研究發(fā)現(xiàn),在分段進水工藝中,約38%的PHA在缺氧段用來吸磷,對比結果表明本系統(tǒng)中存在較明顯的反硝化除磷現(xiàn)象.此外,在脫氮除磷性能尚未恢復的119d, An-PHA和A-PHA分別為66.13, 30.63mgCOD/gMLVSS, PHA利用率僅為53.68%,表明DNPAOs的厭氧釋磷和缺氧吸磷的代謝性能均有大幅度下降,因此導致了除磷效果的惡化.

圖4(b)中PO43--P沿程變化,更加具體地闡釋了不同進水C/N對除磷性能的影響.首先,隨著C/N增加(2.44到4.28),與An-PHA變化趨勢相同,厭氧段釋磷量從19.85mg/L上升為32.31mg/L,缺氧吸磷占磷總去除量的百分比從92.34%上升為97.14%,表明有機物含量的增加強化了DNPAOs的代謝活性.但是當C/N為5.92時,厭氧釋磷量高達41.13mg/L,電子受體不足使得缺氧段出水PO43--P濃度為3.24mg/L,殘留的PO43--P在好氧段被進一步去除,缺氧吸磷百分比下降為90.12%.隨后當C/N繼續(xù)增加到8.85,厭氧釋磷效果進一步惡化,到運行的110d,厭氧釋磷量僅為14.91mg/L,到好氧吸磷結束仍有2.28mg/L剩余,除磷性能瀕臨崩潰.

此外,當C/N為5.92和8.85時,發(fā)現(xiàn)中間沉淀池有不同程度的二次釋磷現(xiàn)象,結合系統(tǒng)的脫氮除磷機理[20],可知PO43--P與NO--N的去除特性密不可分.上述2種工況下,中間沉淀池的NO--N濃度為0.79, 0.36mg/L,較低的NO--N濃度促進了二次釋磷現(xiàn)象的發(fā)生.結合圖4(b)中PHA的變化過程可知:增加進水C/N促進了厭氧段PHA的合成,但是缺氧段NO--N不足是導致PHA利用率和除磷效率不高的根本原因,因此調(diào)節(jié)硝化液回流比保證反硝化過程中充足的電子受體顯得很有必要.但是較高的NO--N濃度殘留(Run1和Run5)又難以實現(xiàn)TN的高效去除.因此,為了實現(xiàn)氮、磷的同步高效去除,中間沉淀池的NO--N濃度應控制在2.20mg/L左右,該結果與前期的研究結論(中間沉淀池的NO--N濃度保持在1.95 ~ 2.75mg/L)[19]相吻合.

2.4 不同C/N下的同步脫氮除磷效果

綜上分析,氮、磷的去除與進水C/N有明顯的相關性,主要原因是由于在A2/O-BCO系統(tǒng)中,TN和PO43--P是在反硝化除磷這一單元同步完成的,均需要碳源的參與.本研究中發(fā)現(xiàn),進水C/N的改變,對COD去除效果影響不大,但是受硝化性能的影響,氮磷的同步高效去除必須建立在電子受體充足的基礎上.

如圖5所示,從C/N和C/P的角度出發(fā),對TN和PO43--P去除率的相關性進行了比較.當C/N小于4或者C/P小于40時,TN去除率不超過70%,但PO43--P的去除率基本保持在95%左右;當C/N超過7或者C/P超過80,TN和PO43--P的去除率均呈現(xiàn)下降趨勢,去除率不超過60%.當C/N=4 ~ 5或者C/P=30 ~ 50范圍內(nèi),TN和PO43--P去除率分別達到80%和96%以上,實現(xiàn)了氮和磷的同步高效去除.

考慮到工藝系統(tǒng)和運行條件的差異,不同的微生物菌群結構和代謝特性導致脫氮除磷效果千差萬別[48-49],有關最佳的C/N和C/P,目前尚沒有統(tǒng)一的定論.Wang等[41]研究發(fā)現(xiàn)在A2N - SBR系統(tǒng)中,C/N和C/P為5.8和30.8時,最優(yōu)的TN和PO43--P去除率分別為79.4%和97%.在MUCT分段進水工藝中,C/N為7.42時,TN去除率高達89.2%;C/P>35時,系統(tǒng)可保持90%以上的磷去除率[36].Chen等[50]考察了進水C/N和硝化液回流比對A2/O-BAF系統(tǒng)的影響,C/N為5.5時,TN去除率最高為90.1%.盡管結論不盡相同,有關進水C/N對其他工藝的優(yōu)化運行仍具有一定的借鑒意義和參考價值.

2.5 系統(tǒng)的控制策略和優(yōu)化運行

本試驗研究條件下,當C/N=4 ~ 5或者C/P=30 ~ 50,TN和PO43--P去除率最高可達80%和96%,實現(xiàn)了氮、磷的同步高效去除.基于不同進水C/N對A2/O-BCO系統(tǒng)反硝化除磷性能的研究,對工程實踐具有指導意義:(1)進水C/N對COD的去除效果影響不大,厭氧段基本上實現(xiàn)了對絕大多數(shù)碳源的利用;在低C/N運行條件下,A2/O反應器可適當縮短水力停留時間,進一步減少基建費用;(2)強化硝化效果是提高系統(tǒng)氮、磷去除率的前提和保證,研究BCO反應器的抗NH4+-N沖擊能力,探索 NH4+-N負荷與曝氣量、水力停留時間、填料填充率等相關性,對進一步降低能耗很有必要;(3)低C/N條件下, PO43--P的去除效果相對穩(wěn)定,但為了實現(xiàn)TN的高效去除,可延長厭氧反應時間,強化內(nèi)碳源的貯存;同時減少硝化液回流比,防止過高的硝態(tài)氮負荷抑制了DNPAOs的活性;(4)高C/N條件下,可通過延長BCO反應器的水力停留時間或增大曝氣量來強化硝化效果,增大硝化液回流比的同時調(diào)整缺氧反應時間,保持缺氧段合適的硝態(tài)氮負荷;同時為了保證磷的穩(wěn)定去除,可適當增加A2/O中好氧區(qū)的曝氣量.

3 結論

3.1 碳平衡分析表明系統(tǒng)絕大多數(shù)碳源是在A2/O反應器中去除,COD利用率達79.09%~ 82.84%,但為了防止過多的易降解有機物在缺氧區(qū)和BCO反應器被反硝化菌和異養(yǎng)菌利用,進水C/N不宜超過5.92.

3.2 進水C/N超過5.92時,NH4+-N去除率的下降導致電子供體不足,脫氮除磷效率均發(fā)生惡化;進水C/N低于3.71時,碳源不足限制了TN去除率的提高.進水C/N為4~5或者C/P為30~50時, TN和PO43--P去除率分別達到80%和96%.

3.3 進水C/N的優(yōu)化與污泥特性,硝化液回流比,BCO反應器的硝化特性,各反應區(qū)的水力停留時間等多種因素密切相關.實際工程應用中,各運行參數(shù)的優(yōu)化控制應因地制宜.

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* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn

Effect of influent C/N ratios on denitrifying phosphorus removal characteristics in the A2/O-BCO process

ZHANG Miao, PENG Yong-zhen*, ZHANG Jian-hua, WANG Cong, WANG Shu-ying, ZENG Wei

(Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2016,36(5)：1366~1375

A two-sludge system combined anaerobic/anoxic/oxic with biological contact oxidation process (A2/O-BCO) was used to treat domestic wastewater. By adding sodium acetate to adjust influent carbon/nitrogen ratio (C/N=2.44 ~ 8.85), the denitrifying phosphorus removal characteristics of the system were investigated. The results showed that nitrification performance (anoxic denitrifying loading) and poly-β-hydroxyalkanoates (PHA) storage and utilization were mainly influenced by organic matter, which further effected the nitrogen and phosphorus removals. When the influent C/N ratio was 4 ~ 5, COD, TN and PO43--P removals reached to 88%, 80% and 96% respectively, which achieved high-efficiency removal of organic matter, nitrogen and phosphorus simultaneously. The material balance analysis of carbon revealed that COD removal in the A2/O reactor was 71.86% ~ 77.28% of the total COD removal, and COD removal in the BCO reactor only accounted for 2% ~ 12%, where the efficient utilization of carbon source in the A2/O- BCO process was the main reason to achieve deep denitrification and phosphorus removal under the condition of low C/N. In addition, through the correlation analysis of C/N with aeration rate, nitrate recycling ratio and anaerobic/anoxic reaction time, the optimal operation strategy of the A2/O-BCO process was proposed.

A2/O-BCO；C/N；denitrifying phosphorus removal；domestic wastewater；optimal operation

X703.5

A

1000-6923(2016)05-1366-10

張 淼(1989-),女,江蘇徐州人,北京工業(yè)大學博士研究生,主要從事污水生物處理理論與應用研究.發(fā)表論文4篇.

2015-11-02

國家自然科學基金(51578014);北京市教委資助項目