趙偉華，王梅香，呂冬梅，張 勇，潘 聰，黃 宇，彭永臻（北京工業(yè)大學，北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京 100124）

前置A2NSBR工藝系統(tǒng)的啟動特性研究

趙偉華，王梅香，呂冬梅，張 勇，潘 聰，黃 宇，彭永臻*（北京工業(yè)大學，北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京 100124）

以實際低C/N生活污水（C/N為3.85）為研究對象，重點研究了按照厭氧/缺氧/硝化時序運行的新型前置A2NSBR工藝系統(tǒng)的啟動特性.結(jié)果表明，采用除磷 A2SBR和硝化 N-SBR先單獨啟動后耦合運行的方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動，系統(tǒng)在 N-SBR中維持穩(wěn)定的硝化，在A2SBR中實現(xiàn)了以NO3-N為電子受體的反硝化除磷，系統(tǒng)連續(xù)運行45d后達到穩(wěn)定，各項出水指標COD、NH4+-N、TN、TP平均值分別為33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L，、0.3mg/L，相應的去除率分別為 84.31%、98.41%、76.81%、93.87%，各項出水指標達到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準 GB 18918-2002》中的一級 A標準.FISH實驗表明，PAOs成為 A2SBR系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群，占全菌比例上升到14.77%.

前置A2NSBR工藝；反硝化除磷；快速啟動；雙污泥系統(tǒng)；生物膜

我國市政污水C/N普遍較低，往往不能滿足同步脫氮除磷的需要，而傳統(tǒng)工藝存在聚磷菌和硝化菌的污泥齡矛盾，聚磷菌和異養(yǎng)菌的碳源競爭，脫氮除磷效率不高［1-3］.反硝化聚磷菌以 NO-

3或NO2-為電子受體，以細胞內(nèi)儲存的PHA為電子供體，以一碳兩用的方式進行同步脫氮除磷［4-5］，可節(jié)省50%的COD耗量，30%的氧氣耗量，減少50%的污泥產(chǎn)量［6］，適合我國低C/N城市生活污水現(xiàn)狀.

傳統(tǒng)的A2NSBR工藝采用反硝化除磷技術(shù)，并且聚磷菌和硝化菌污泥齡分離，反硝化除磷效果良好，但由于運行方式屬后置反硝化除磷，一部分氨氮沒有經(jīng)過硝化直接排放，造成出水氨氮濃度較高，給應用帶來瓶頸［6-7］.針對傳統(tǒng)后置A2NSBR工藝存在的問題，Kuba［6］通過將污泥齡從14d縮短為8d以試圖提高氨氮同化作用但效果不明顯，Zhou［8］通過培養(yǎng)顆粒污泥，提高污泥沉降性，將容積交換比增大到0.75達到了81%的氨氮去除率，劉雪飛［9］采用階段式氨氮投加方式和缺氧連續(xù)性進水方式獲得 72.6%的總氮去除率，李勇智［10］通過降低 SBR系統(tǒng)的充水比和提高容積交換比將氨氮去除率最大能夠提高到 95%但出水氨氮濃度仍有 3.3mg/L，史靜等［11］利用改進的A2N-IC-SBR大大提高了氨氮去除率將氨氮出水濃度降低到 3.5mg/L以下.而對于連續(xù)流A2N 工藝，王猛［12］通過增加二級 BAF構(gòu)建A2N/BAF工藝處理生活污水可以將出水氨氮濃度降低到5mg/L以下，王希明等［13］通過增加后曝氣池構(gòu)建改進型A2N工藝并對后曝氣池HRT進行優(yōu)化可以把出水氨氮降低到平均為 2.2mg/L.在此基礎(chǔ)上，作者首次提出前置反硝化除磷A2NSBR工藝系統(tǒng)，將傳統(tǒng)A2NSBR工藝的硝化反應段和缺氧反硝化除磷段反應段順序置換，先進行反硝化除磷后進行硝化反應，以硝化出水作為系統(tǒng)最終出水，所以出水中幾乎不含有氨氮，在本次實驗中達到了98.41%的氨氮去除率，出水濃度僅為0.85mg/L，與傳統(tǒng)A2NSBR工藝及基于此工藝的其他改良模式相比，前置反硝化除磷運行模式最大程度的降低了出水氨氮濃度.

雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)快速啟動成功的關(guān)鍵是富集培養(yǎng)各自反應器內(nèi)的反硝化聚磷菌和硝化菌［14］，因此本研究按照先單獨啟動后耦合運行的方式進行，并以實際低C/N生活污水為研究對象，研究了新型前置A2NSBR工藝系統(tǒng)的啟動特性，重點包括考察系統(tǒng)內(nèi)聚磷菌富集特性和硝化菌掛膜特性，以及主要污染物的去除變化規(guī)律，以期為實際工程應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行時序

圖1為前置A2NSBR工藝裝置系統(tǒng)，該試驗裝置是由原水水箱、A2SBR、中間水箱、N-SBR、出水水箱組成的雙污泥系統(tǒng)，A2SBR裝置內(nèi)接種活性污泥，N-SBR反應器內(nèi)填充有 2.5L懸浮填料，填充率為 27.7%，填料掛膜前后密度 0.97～1.01kg/m3比表面積為600～700m2/m3，VSS/MLSS在 87.3%左右.主體反應器材質(zhì)均為有機玻璃，其中A2SBR和N-SBR裝置總?cè)莘e皆為10L.兩個SBR反應器厭氧、缺氧段安裝攪拌器并輕緩攪拌，好氧段以黏砂塊為微孔曝氣器，采用鼓風曝氣，轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量.系統(tǒng)進水流量、硝化液回流量均由如東泵控制.前置A2NSBR工藝運行時序分3個階段.

圖1 前置A2NSBR工藝系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of pre-A2NSBR process

第1階段（1～20d）：生活污水從原水箱首先進入 A2SBR反應器，進行厭氧階段的吸碳合成PHA并釋磷，厭氧反應結(jié)束后進行好氧曝氣吸磷反應，反應結(jié)束后沉淀排水，富含氨氮的出水進入N-SBR反應器對填料進行掛膜.此階段控制A2SBR反應器厭氧/好氧=2h/1h，好氧段 DO= 2～3mg/L，并通過控制短污泥齡（SRT=9d）逐漸淘洗硝化菌使得好氧段幾乎不發(fā)生硝化反應.N-SBR反應器接種硝化污泥，泥膜混合運行，不排泥，每周期曝氣3h，DO≥3mg/L.前置A2NSBR工藝系統(tǒng)4h為一個周期，每天6個周期.在每個周期中，A2SBR按照厭氧 2h、好氧 1h、靜沉排水0.5h、閑置0.5h的方式運行，N-SBR按照好氧硝化3h，靜沉排水0.5h、閑置0.5h的方式運行.兩個反應器每周期開始均進水5L，每周期排水結(jié)束剩余3L沉淀污泥.

第 2階段（21～35d）：運行方式和控制參數(shù)等同第一階段相同，只是把N-SBR污泥排空，只剩余懸浮填料，對填料上的硝化菌進行富集馴化.

第3階段（36～55d）：N-SBR反應器掛膜成熟后，硝化出水一部分排出系統(tǒng)，另一部分注入A2SBR反應器缺氧段，即厭氧段釋磷反應結(jié)束后，注入來自N-SBR的含有NO3-的硝化回流液進行反硝化除磷反應，缺氧反應結(jié)束后快速曝氣吹脫氮氣并進行剩余磷的好氧吸收，然后靜止沉淀，富含氨氮的排水進入 N-SBR反應器進行硝化，反應結(jié)束后靜沉，上清液一部分繼續(xù)回流至A2SBR反應器的缺氧階段，另一部分排放.A2SBR按照厭氧/缺氧/好氧=1h/3h/0.5h運行，好氧段DO=2mg/L左右，N-SBR曝氣2h，DO≥3mg/L.前置A2NSBR工藝系統(tǒng)6h為一個周期，每天4個周期.在每個周期中，A2SBR按照厭氧1h、缺氧3h、好氧0.5h、靜沉排水0.5h、閑置1h的方式運行，其中厭氧階段的前5min注入2L生活污水，缺氧階段的前10min注入4L來自N-SBR的硝化液出水，靜沉排水結(jié)束后剩余3L沉淀污泥；N-SBR按照曝氣2h、閑置4h的方式運行，其中曝氣的前10min注入來自A2SBR富含氨氮的出水6L，硝化結(jié)束后4L硝化液回流到A2SBR的缺氧段，2L硝化液排出系統(tǒng)，每周期排水結(jié)束剩余 3L沉淀污泥，此階段控制A2SBR污泥齡為12d.

表1 每個階段的運行方式Table 1 operation mode of each phase

1.2 接種污泥和試驗污水

A2SBR和N-SBR裝置內(nèi)接種污泥取自北京高碑店污水處理廠A2O工藝二沉池剩余污泥.實驗用水采用北京工業(yè)大學教工住宅小區(qū)化糞池生活污水，試驗期間的原水水質(zhì)特點見表 2，原水pH均為7.4，試驗均在室溫下進行.

表2 原水水質(zhì)特點Table 2 The influent characteristics

1.3 分析方法

MLSS、COD（本研究中提到的COD皆指溶解態(tài)，顆粒態(tài)不做討論）等指標采用標準方法測定（APHA，1998），水樣采用0.45 μm中速濾紙過濾，PO43--P， NH4+-N， NO2--N， NO3

--N 由 Lachat Quikchem8500 型流動注射儀測定（Lachat Instrument， Milwaukee， wiscosin）；TN 通 過TN/TOC 分析儀（MultiN/C3100，Analytik Jena，AG）測定；采用WTW，Multi 340i pH/DO儀測定pH值、氧化還原電位（ORP）值和溶解氧（DO）.

PAOs的相對定量分析采用熒光原位雜交（FISH）技術(shù)，通過Zilles等［15］和Crocetti等［16］提供的方法進行測算，圖片采用OLYMPUS DP72數(shù)字成像系統(tǒng)采集，本實驗均采集 35張照片，探針采用 EUBMix （EUB338，EUB338-II and EUB338-III， specific for all bacteria）， PAOs（PAO462， PAO651and PAO846）.

根據(jù) Wachtmeister等［17］推薦的方法計算DPAOs占PAOs的比例具體方法是，從A2SBR反應器的好氧段取 1L活性污泥，離心分離后用去離子水清洗兩遍，然后定容到 1L的錐形瓶中，投加無水乙酸時間 2h；反應結(jié)束后，離心分離，再用去離子水將鈉使初始COD濃度為100mg/L，厭氧攪拌，反應活性污泥清洗兩遍，去除剩余COD和磷等物質(zhì)，添加磷酸氫二鉀使得初始磷濃度為40mg/L，然后定容至1L后均分為2份，1份好氧曝氣，使DO濃度維持在2mg/L作用，另一份加入NaNO3，使初始NO3--N濃度均為30mg/L，缺氧攪拌，反應時間 2h，實驗測得的缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率即系統(tǒng)中DPAOs占PAOs的比例.

2 結(jié)果與討論

2.1 對COD的去除特性

原水中的有機物進入A2SBR反應器后首先被稀釋，然后進行厭氧階段的吸碳合成PHA反應并釋磷.從圖 2可以看出，啟動初期，A2SBR厭氧末COD出水逐漸降低，厭氧段去除COD量逐漸增加，厭氧末出水COD由第1d的108.9mg/L下降到第12d的70.4mg/L，此時厭氧段去除COD的量已到達84.05%，

圖2 前置A2NSBR系統(tǒng)啟動期間COD去除變化規(guī)律Fig.2 Removal characteristics of COD during start-up period in the pre-A2NSBR

同時由圖 8典型周期污染物去除變化曲線圖可以看出大部分的有機物在厭氧段被消耗掉，表明聚磷菌利用COD合成PHA的能力逐步增強，聚磷菌逐漸得到富集.出水COD在第12d便下降到43.20mg/L，此后一直穩(wěn)定低于50mg/L，其中第3階段平均出水COD濃度36.14mg/L，去除率為82.3%，滿足國家一級A排放標準.通過分析計算得出，在整個實驗期間，厭氧段去除的 COD占總COD去除總量的87.78%，COD大部分在厭氧段被反硝化聚磷菌有效利用合成PHA，增強了反硝化聚磷菌的反硝化潛力，同時使得進入缺氧段能被反硝化菌利用 COD很少，有利于反硝化聚磷菌淘汰反硝化菌成為優(yōu)勢菌群.魏玉［18］利用SBR反應器考察反硝化除磷顆粒污泥的活性恢復，其中COD去除能力恢復歷時14d，去除率穩(wěn)定在 80.32%以上，與本研究結(jié)果相近，說明除磷反應器對COD的去除效率比較高，這與COD能夠在厭氧階段被充分利用有關(guān).

2.2 對氮的去除特性

階段1：由于控制短污泥齡，A2SBR中的硝化菌逐漸被淘洗掉，其好氧段硝化作用越來越弱.原水中的氨氮進入A2SBR反應器后在厭氧/好氧段濃度基本維持不變，除微生物同化作用利用一部分氨氮外，剩余的氨氮幾乎全部在 N-SBR反應器中通過硝化反應去除.由圖4可以看出，啟動初期在 N-SBR反應器中觀測到明顯的亞硝積累（亞硝積累率為 88.5%），這是因為接種污泥經(jīng)過十幾天閑置導致NOB衰減遠遠超過AOB，造成硝化過程中亞硝酸鹽積累［19-20］，后期亞硝積累便逐漸消失.此階段 N-SBR反應器內(nèi)泥膜混合，由于接種城市污水處理廠污泥，硝化效果良好，階段1后期氨氮去除率達到98.6%（圖3）.由圖5可以看出，在此階段由于沒有回流硝化液進行反硝化，TN去除率僅為26.84%，主要是由微生物自身同化作用和N-SBR反應器內(nèi)同步硝化反硝化作用去除［21］.

圖3 前置A2NSBR啟動期間氨氮去除變化規(guī)律Fig.3 Removal characteristics of NH4+-N during start-up period in the pre-A2NSBR

階段2：在實驗的第20d排空N-SBR反應器內(nèi)的污泥，可以發(fā)現(xiàn)硝化效果馬上減弱，氨氮去除率下降，但仍然保持 63.5%的硝化效果，這說明通過階段1的泥膜混合運行，填料上已經(jīng)掛有硝化菌，但僅靠填料上的硝化菌數(shù)量還不足以完成硝化，本研究采用白色聚丙烯塑料環(huán)，此時通過肉眼可以看見填料顏色已發(fā)生變化，呈黃褐色（圖 6）.隨著實驗的進行，硝化菌不斷快速繁殖，對氨氮的處理效率不斷提高，第 31d氨氮去除率上升到98.23%，表明硝化菌得到富集，N-SBR反應器啟動成功.在本系統(tǒng)中，進入N-SBR反應器可被微生物利用的COD很少，異養(yǎng)菌較少，導致生物膜厚度小，生物量低，掛膜成功后測得附著在填料上的平均生物膜濃度為570mg/L，但是N-SBR中進入COD含量低有利于硝化反應的進行和硝化菌富集，因此生物膜中硝化菌數(shù)量很高，此外生物膜系統(tǒng)采用懸浮生物填料，傳質(zhì)好，比表面積大，污泥齡更長，有利于長污泥齡的硝化菌附著生長，并且污泥產(chǎn)量少，運行管理更加方便.張淼等［22］20d成功啟動BCO反應器，氨氮去除率達到98.63%，本研究與之相比，啟動過程耗時略長可能是因為填料填充比僅為27.7%，遠遠低于張淼BCO反應器45%的填料填充比，這說明后續(xù)填充比有待提高.

圖4 前置A2NSBR啟動期間亞硝酸鹽和硝酸鹽出水變化Fig.4 Variations of NO2--N and NO3--N during start-up period in the pre-A2NSBR

階段3：由圖7可以看到，N-SBR掛膜成功后，出水一部分回流到A2SBR反應器的缺氧段對聚磷菌進行馴化，一部分排出系統(tǒng).此時原水中的氨氮進入 A2SBR反應器后在厭氧段首先被稀釋，然后缺氧段硝化液回流后再度被稀釋，最后進入N-SBR進行硝化反應.而在缺氧段，回流的硝態(tài)氮和磷酸鹽同步減少，系統(tǒng)發(fā)生了反硝化除磷作用.增加硝化液回流后，TN去除率由23.45%上升到 72.4%，說明反硝化聚磷菌得到富集和馴化，由于反硝化除磷“一碳兩用”對碳源利用率更高，提高了系統(tǒng)脫氮效果.同時此階段 N-SBR硝化時間由3h減少為2h，系統(tǒng)仍然維持了98.6%的氨氮去除率，說明生物膜系統(tǒng)具有穩(wěn)定的硝化性能，具備一定的抗符合沖擊能力.

圖5 N-SBR掛膜期間的總氮去除規(guī)律Fig.5 Removal characteristics of total nitrogen during N-SBR start-up period

圖6 N-SBR 填料掛膜前后變化Fig.6 Variation of plastic carriers in N-SBR during start-up period

2.3對磷的去除特性

階段1：系統(tǒng)以好氧吸磷為主要除磷方式，啟動初期，聚磷菌并不是優(yōu)勢菌群，反硝化菌等其他異養(yǎng)菌同聚磷菌競爭碳源，所以厭氧釋磷量較低［23］，聚磷菌PHA貯存量有限，吸磷能力不足，隨著厭氧/好氧方式以及短污泥齡的馴化運行，硝化菌、反硝化逐漸被淘洗出系統(tǒng)，系統(tǒng)不再有硝化和反硝化作用，保證了嚴格的厭氧環(huán)境，聚磷菌逐漸富集，COD被聚磷菌有效利用合成 PHA，釋磷量和吸磷能力增強，厭氧釋磷量由第2d的5.6mg/L上升到第19d的 21.25mg/L（圖 8），此時出水 TP濃度降低到0.39mg/L，滿足國家一級A排放標準.

圖7 前置A2NSBR典型周期污染物去除變化（階段3）Fig.7 nutrient removal characteristics of typical cycle during phase 3 in the pre-A2NSBR

階段2：厭氧釋磷量繼續(xù)上升，第29d釋磷量為29.97mg/L，N-SBR排空污泥后只剩余填料，此階段A2SBR平均出水磷濃度0.29mg/L，同時觀測到出水TP濃度在N-SBR基本沒有變化.

圖8 前置A2NSBR啟動期間P去除變化規(guī)律Fig.8 Removal characteristics of phosphorus during start-up period

階段3：A2SBR增加硝化液回流后，缺氧時間為3h，而好氧時間僅有0.5h，好氧吸磷受到減弱和抑制，隨著缺氧段回流硝酸鹽對聚磷菌反硝化能力的馴化，聚磷菌缺氧吸磷能力逐步增強，由圖 7可以看到，磷主要在缺氧段被去除，除磷方式由好氧吸磷轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖跷?，實驗后期缺氧段吸磷量占總吸磷量的比例上升?90%以上，成為主要的吸磷方式.

根據(jù)除磷批次實驗的結(jié)果，好氧吸磷速率是18.73mg P/（g·VSS·h），缺氧吸磷速率是 11.48mg P/（g·VSS·h），根據(jù)計算方法，缺氧聚磷菌占總聚磷菌的比例大約是 61.3%，與張為堂等［24］的實驗結(jié)果相近，反硝化聚磷菌富集程度較高.而0.5h的后曝氣可以進一步吸磷，在硝酸鹽不足時后曝氣的存在可以保證除磷效果［25］，并且還有吹脫氮氣提高污泥沉降性的作用，此階段平均出水 TP濃度為0.32mg/L.

2.4 聚磷菌特性

系統(tǒng)運行50d后，通過fish實驗（圖9）得到A2SBR反應器中聚磷菌占全菌比例從啟動初期的6.32%±1.26%上升到14.77%±1.57%（每張圖片左側(cè)綠色圖代表全菌bacteria，右側(cè)紅色圖代表聚磷菌PAO），此時系統(tǒng)出水良好，完全達一級A排放標準，運行逐漸穩(wěn)定，表明聚磷菌成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群，同時也證明本啟動方式能夠快速有效的富集功能菌群.

圖9 前置A2NSBR系統(tǒng)啟動第2d（a）和第50d（b）的聚磷菌的FISH檢測結(jié)果Fig.9 The FISH results of PAO at the Day 2 （a） and Day 50 （b） of the start-up period in the A2NSBR

3 結(jié)論

3.1 通過除磷系統(tǒng)和硝化系統(tǒng)分開獨立啟動的方式，可以創(chuàng)造各自適合聚磷菌和硝化菌生長的最佳條件，通過厭氧/好氧運行方式并縮短污泥齡可以快速富集聚磷菌，使聚磷菌所占比例從啟動初期的6.32%迅速上升到14.77%，通過泥膜混合運行可以對填料實現(xiàn)快速掛膜.

3.2 系統(tǒng)啟動45d后，出水COD、氨氮、TN、TP平均值分別為 33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L、0.3mg/L，相應的去除率分別為84.31%、98.41%、76.81%、93.87%，系統(tǒng)通過反硝化除磷作用實現(xiàn)污染物深度去除，同時與A2NSBR工藝及基于此工藝的其他改良模式相比，前置反硝化除磷運行模式能夠最大程度的降低出水氨氮濃度，各項出水指標達到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準GB 18918-2002》中的一級A標準.

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Start-up characteristics of the pre-A2NSBR Process.

ZHAO Wei-hua1， WANG Mei-xiang， Lü Dong-mei， ZHANG Yong， PAN Cong， HUANG Yu， PENG Yong-zhen*（Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Engineering Research Center of Beijing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）. China Environmental Science， 2016，36（9）：2689～2695

The start-up characteristics of the pre-A2NSBR （anaerobic/anoxic/aerobic nitrification） system were investigated to treat low C/N municipal wastewater （C/N=3.85）. The start-up of the system could be quickly achieved by the strategy that the A2SBR and the N-SBR was first started separately then was operated jointly， the nitrification was well achieved in the N-SBR， and denitrifying phosphorus removal was realized in the A2SBR with the NO3-N as the electronic accepter. The effluent quality index of COD、NH4+-N、TN、TP was 33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L、0.3mg/L，with corresponding removal efficiency was 84.31%、98.41%、76.81%、93.87%， respectively， which meet the first A discharge standard in china （GB 18918～2002） after continuous operation of 45days. FISH confirmed that PAOs was the dominant bacteria in the pre-A2NSBR system and accounted for 14.77% of the total bacteria.

pre-A2NSBR process；denitrifying phosphorus removal；quick start-up；two-sludge system；biofilm

X703

A

1000-6923（2016）09-2689-07

2016-01-18

國家自然科學基金（51578014）；北京市教委資助項目

* 責任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn

趙偉華（1988-），男，山東濰坊人，博士，主要從事污水生物處理研究.