王梅香，趙偉華，黃宇，潘聰，彭永臻，王淑瑩

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N-SBR單元硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

王梅香，趙偉華，黃宇，潘聰，彭永臻，王淑瑩

（北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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）

以低C/N實(shí)際生活污水為處理對(duì)象，重點(diǎn)考察了N-SBR單元硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。在A2/O-SBR單元厭氧1.5 h，缺氧2 h，好氧0.5 h，A2/O-SBR和N-SBR單元的曝氣量分別恒定在100、120 L·h-1的條件下，將硝化時(shí)間分配比分別設(shè)定為5:1、4:1、3.5:1、3:1、7:1、8:1進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)在A2/O-SBR單元可實(shí)現(xiàn)碳源的高效利用，有機(jī)物的去除受硝化時(shí)間分配比影響不大；為保證系統(tǒng)良好的硝化和反硝化除磷性能，一次硝化時(shí)間必須≥3.5 h；在總曝氣時(shí)間一定的條件下，適當(dāng)增加一次硝化時(shí)間，更有利于提高系統(tǒng)TN去除率；適當(dāng)增加二次硝化時(shí)間，可以降低出水濃度，使出水達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)硝化時(shí)間分配比為4:1時(shí)，系統(tǒng)脫氮除磷效果最好。TN、平均出水濃度分別為11.5、0 mg·L-1，平均去除率分別為75%、100%。

低C/N生活污水；反硝化除磷；A2N2系統(tǒng)；同步脫氮除磷；硝化時(shí)間分配比

引 言

強(qiáng)化生物除磷技術(shù)（enhance biological phosphorus removal，EBPR）被普遍認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的除磷方法，已成為目前生物除磷的重要途徑。而反硝化除磷工藝作為EBPR中的新興領(lǐng)域，已逐漸成為學(xué)者研究的焦點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝在處理低C/N比的城市污水時(shí)，由于聚磷菌和反硝化菌對(duì)有機(jī)物基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，難以協(xié)調(diào)脫氮除磷的矛盾[2]。反硝化除磷技術(shù)的提出與開發(fā)，將“反硝化脫氮”和“生物吸磷”兩個(gè)獨(dú)立過程合二為一，利用反硝化聚磷菌在厭氧/缺氧（Ana/Ano）交替的環(huán)境下，以代替O2作為電子受體，同時(shí)完成過量吸磷和反硝化過程，從而達(dá)到同步除磷脫氮的目的。該技術(shù)避免了碳源損耗于普通反硝化過程和好氧過程，可節(jié)省50%的碳源需求，改變了傳統(tǒng)污水處理工藝“以能耗能”這一事實(shí)[3-4]，同時(shí)強(qiáng)化聚磷菌的缺氧攝磷能力，節(jié)省了曝氣量，減少了污泥產(chǎn)量和運(yùn)行費(fèi)用，是實(shí)現(xiàn)污水處理廠脫氮除磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的有效方法，為有效解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中存在的矛盾提供了新的思路[3,5-8]。由于SBR生物除磷工藝具有流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行方式靈活的特點(diǎn)，通過對(duì)運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)，即可形成厭氧/缺氧/好氧交替的條件，在單一的生化反應(yīng)池內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)生物脫氮和除磷的目的，相比于其他的運(yùn)行工藝有很大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在小型規(guī)模污水處理廠中[9]。同時(shí)，近年來隨著自動(dòng)化程度不斷加深，SBR的操作變得更加便捷，使SBR生物除磷工藝更加完善，更具系統(tǒng)化。

基于上述研究背景，本文作者提出了一種新型雙污泥反硝化除磷工藝——A2N2工藝，其運(yùn)行方式為“厭氧/硝化/缺氧/硝化”。該工藝具有如下特點(diǎn)：（1）擁有富集反硝化聚磷菌（DPB）的“活性污泥（A2/O-SBR）”和“好氧硝化生物膜（N-SBR）”雙污泥系統(tǒng)，將聚磷菌和硝化菌獨(dú)立于兩個(gè)不同的系統(tǒng)中使之分別在最適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)，解決了它們之間污泥齡和溶解氧競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，使除磷和脫氮更易達(dá)到穩(wěn)定、高效、可控；（2）利用反硝化聚磷菌“一碳兩用”的特性，解決了低C/N生活污水碳源不足的問題，可望實(shí)現(xiàn)低C/N生活污水同步深度脫氮除磷；（3）N-SBR單元二次硝化出水作為系統(tǒng)最終出水排放，因此出水幾乎不含氨氮，徹底解決了傳統(tǒng)A2NSBR工藝出水氨氮過高的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷。

研究表明[10]，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)控和優(yōu)化是工藝運(yùn)行和推廣應(yīng)用的前提和關(guān)鍵。而A2N2工藝作為一種反硝化除磷新工藝，各運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響尚不明確。N-SBR單元硝化時(shí)間分配比是A2N2反硝化除磷工藝中最重要的參數(shù)之一。該參數(shù)控制效果的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)出水水質(zhì)和運(yùn)行能耗的高低。良好的硝化是實(shí)現(xiàn)高效反硝化脫氮除磷的必要條件，同時(shí)在實(shí)際污水處理廠運(yùn)行中，需要考慮好氧曝氣所需要的能耗。因此，在實(shí)際污水處理廠中硝化時(shí)間的控制，既要滿足生物處理單元?jiǎng)討B(tài)變化的氨氮濃度的需要并維持一個(gè)期望的穩(wěn)定值，又要在此基礎(chǔ)上最大程度地降低曝氣能耗[11]。結(jié)合A2N2工藝的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，N-SBR單元硝化時(shí)間不足將無法完成氨氮的完全氧化，從而影響硝化、反硝化除磷及有機(jī)物去除作用；相反，硝化時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)也不利于生物除磷。因此，優(yōu)化N-SBR單元兩次硝化時(shí)間分配比不僅能在保證系統(tǒng)硝化完全的條件下縮短反應(yīng)時(shí)間，提高脫氮除磷效率，而且對(duì)污水處理的節(jié)能降耗也具有重大意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

A2N2生化系統(tǒng)包括進(jìn)水水箱、A2/O-SBR（厭/缺/好氧除磷SBR）、N-SBR（生物膜硝化SBR），試驗(yàn)裝置如圖1(a)所示。試驗(yàn)用序批次反應(yīng)器（SBR）均為有機(jī)玻璃制成的圓柱型、平底、敞口式反應(yīng)器，直徑20 cm，高45 cm，總?cè)莘e為12 L，有效容積為10 L，并在反應(yīng)器有機(jī)玻璃壁的垂直方向設(shè)置一排取樣口，用于取樣和排水。為了使活性污泥在厭氧和缺氧階段處于懸浮狀態(tài)，A2/O-SBR反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有可調(diào)速攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌速度為90 r·min-1；N-SBR采用生物膜法，放置聚乙烯蜂窩式活性生物懸浮填料（空床填充率50%），掛好氧硝化菌生物膜，在反應(yīng)器底部設(shè)有黏砂塊作為微孔曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，為保證填料處于流化狀態(tài)，使其與底物充分接觸，DO控制在≥4 mg·L-1，DO、和pH傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程各參數(shù)值的變化。進(jìn)水量、硝化液回流量均由蠕動(dòng)泵控制，曝氣量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)上的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)制。試驗(yàn)研究過程均在室溫下進(jìn)行，SBR反應(yīng)器采用間歇進(jìn)、出水方式運(yùn)行，充水比和排水比均為0.7，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行人工排泥，使反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）維持在2500～3000 mg·L-1，控制污泥齡SRT為15 d；SBR反應(yīng)系統(tǒng)通過微電腦時(shí)控開關(guān)實(shí)現(xiàn)進(jìn)水、攪拌、曝氣、沉淀、排水等過程的自動(dòng)切換。

圖1 A2N2反硝化除磷試驗(yàn)裝置和工藝流程

生活污水首先進(jìn)入A2/O-SBR反應(yīng)器，在厭氧階段吸收外碳源轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存PHA和釋磷，然后靜沉排水，富含氨氮的上清液進(jìn)入N-SBR反應(yīng)器完成硝化反應(yīng)，硝化出水回流到A2/O-SBR反應(yīng)器進(jìn)行缺氧反硝化除磷反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行短暫的好氧吸磷，完成剩余磷的吸收，同時(shí)吹脫反硝化除磷過程中產(chǎn)生的氮?dú)?，然后靜止沉淀，生物除磷后的上清液再次進(jìn)入N-SBR反應(yīng)器完成剩余氨氮的硝化，二次硝化出水作為最終出水排放，因此出水幾乎不含氨氮，徹底解決了傳統(tǒng)A2NSBR工藝出水氨氮過高的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷，其工藝流程圖如圖1(b)所示。

1.2 試驗(yàn)污泥與試驗(yàn)用水

試驗(yàn)初始接種污泥取自北京高碑店污水處理廠二沉池剩余污泥，此污泥具有一定脫氮除磷功能，有利于A2N2反硝化除磷系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。經(jīng)過4個(gè)多月的連續(xù)運(yùn)行馴化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并獲得良好的反硝化除磷性能，啟動(dòng)成功并穩(wěn)定運(yùn)行20d后開始進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。在上述工況條件下，試驗(yàn)用生活污水來源于北京工業(yè)大學(xué)西區(qū)家屬院化糞池的實(shí)際生活污水，經(jīng)過化糞池預(yù)處理后，泵入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)水水箱，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)見表1。從表中可以看出，該污水屬于典型的低C/N比生活污水。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

為了探究N-SBR硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)反硝化除磷性能的影響，整個(gè)試驗(yàn)過程分成6個(gè)階段進(jìn)行，分別記為Run 1～6。在試驗(yàn)前4個(gè)階段，控制N-SBR單元二次硝化時(shí)間，將其設(shè)定為1 h，根據(jù)本工藝的運(yùn)行特點(diǎn)和以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化一次硝化時(shí)間，將其從5.0 h逐漸減少至3.0 h，最終根據(jù)出水水質(zhì)確定最佳的一次硝化時(shí)間；為了判斷二次硝化1 h是否為最優(yōu)曝氣時(shí)間，能否進(jìn)一步減少，繼續(xù)尋找最佳的硝化時(shí)間分配比，在后續(xù)的2個(gè)階段設(shè)計(jì)了兩組對(duì)照試驗(yàn)（即Run 5、Run 6）：控制總曝氣時(shí)間相同，并將二次硝化時(shí)間設(shè)定為0.5 h，使Run 5與Run 4對(duì)照，Run 6與Run 3對(duì)照。各階段各反應(yīng)器運(yùn)行條件見表2。

表2 A2N2系統(tǒng)各階段的運(yùn)行條件

1.4 檢測(cè)指標(biāo)與分析方法

水質(zhì)分析前，所有水樣均經(jīng)過0.45 μm定量濾紙過濾。常規(guī)水質(zhì)分析項(xiàng)目有、、、、TN、TP、COD、MLSS、SV等。通過幾次測(cè)樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原水采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)得的TN和用三氮相加所得的數(shù)值接近，故TN采用以下公式計(jì)算[12]：TN≈；除TN外其他指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；pH、DO和采用WTW Multi 340i測(cè)定儀(德國(guó))在線測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 A2N2工藝穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)效果

污泥經(jīng)過4個(gè)多月的馴化，實(shí)現(xiàn)了A2N2反硝化除磷系統(tǒng)的啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)成功后穩(wěn)定運(yùn)行20 d。圖2為SBR反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行第20 d 1個(gè)典型周期內(nèi)各污染物、pH及DO的變化。此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行條件及控制參數(shù)與Run 1相同（表2）。分析圖2(a)數(shù)據(jù)可知：進(jìn)水COD、、濃度分別為230、51、3.84 mg·L-1，、濃度均小于0.6 mg·L-1。進(jìn)水10 min內(nèi)，由于反應(yīng)器內(nèi)沉淀污泥層的稀釋作用，系統(tǒng)內(nèi)COD、、濃度均大幅度下降。厭氧段濃度基本不變，厭氧段前30 min內(nèi)COD從185 mg·L-1急劇下降到88.7 mg·L-1，比降解速率為141.3 mg·( g VSS)-1·h-1；濃度從2.6 mg·L-1迅速上升到16.5 mg·L-1，比厭氧釋磷速率高達(dá)12.62 mg·( g VSS)-1·h-1，這表明DPB能夠高效利用COD合成PHB進(jìn)行磷的釋放，厭氧末系統(tǒng)中COD和濃度分別為61.46和20.59 mg·L-1；一次硝化過程中，原水中的COD被進(jìn)一步降解，約有20 mg·L-1的COD被好氧曝氣去除。由于填料上生物膜的吸附過濾和微生物的同化作用，濃度有所降低。不斷被氧化生成，硝化末和濃度分別為0.27和23.54 mg·L-1；缺氧段，由于污水經(jīng)厭氧釋磷后，部分殘留在DPB污泥中未經(jīng)硝化，濃度從0.3 mg·L-1增加至12 mg·L-1，并在后續(xù)的好氧吸磷和二次硝化過程中被完全去除。和濃度同時(shí)逐漸降低，濃度呈輕微上升趨勢(shì)，說明反硝化除磷過程中一部分轉(zhuǎn)化成，有少量的積累[1-2,12-14]。缺氧末系統(tǒng)、、濃度分別為0、2.6、0.86 mg·L-1，這說明厭氧段釋放的磷全部被反硝化除磷途徑去除，系統(tǒng)反硝化除磷率為100%，電子受體有剩余。趙璐等[15]發(fā)現(xiàn)作為電子受體時(shí)，在反硝化除磷過程中有一定的產(chǎn)生，隨后逐漸減少。系統(tǒng)最終出水COD、、、、濃度分別為40、0、0、0.44、14 mg·L-1。

圖2 系統(tǒng)典型周期各污染物、pH及DO的變化

圖2(b)反映了系統(tǒng)內(nèi)DO、pH的變化。在厭氧段和缺氧段，系統(tǒng)DO平均濃度為0.1 mg·L-1，為DPB提供了較好的厭氧釋磷、反硝化吸磷的環(huán)境。硝化過程N(yùn)-SBR單元曝氣量恒定在120 L·h-1，DO濃度始終穩(wěn)定維持在8 mg·L-1左右，保證了生物膜上硝化菌的硝化效果。大量研究表明[16-21]，厭氧釋磷過程會(huì)產(chǎn)生H+，理論上厭氧段pH應(yīng)該呈下降趨勢(shì)，而由圖2(b)可知：系統(tǒng)厭氧段pH在7.35～7.43范圍內(nèi)波動(dòng)，并略呈先下降后上升的趨勢(shì)。王亞宜等[3]在研究EBPR厭氧放磷過程pH的變化時(shí)同樣也發(fā)現(xiàn)pH上升的現(xiàn)象。分析原因可能有兩個(gè)：其一，原水在化糞池預(yù)處理過程中停留時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)生水解酸化程度較大，當(dāng)原水進(jìn)入系統(tǒng)厭氧段時(shí)主要發(fā)生吸收有機(jī)酸反應(yīng)，系統(tǒng)中酸類物質(zhì)逐漸減少使得pH上升；其二，系統(tǒng)中可能存在聚糖菌（GAO），它們將直接吸收乙酸分子，而不釋放相同數(shù)量的質(zhì)子產(chǎn)物[22]。上述兩種可能原因最終使得本系統(tǒng)厭氧段pH變化不大或有升高的趨勢(shì)。一次硝化過程中，pH呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，這是由于在曝氣的前30 min，N-SBR單元以去除有機(jī)物為主，而大多數(shù)可生物降解的有機(jī)物均屬于揮發(fā)性脂肪酸，揮發(fā)性脂肪酸的減少使系統(tǒng)pH升高；在后續(xù)的3.5 h系統(tǒng)以硝化反應(yīng)為主，硝化反應(yīng)產(chǎn)生H+消耗堿度使pH下降。當(dāng)反應(yīng)到360 min時(shí)，pH下降到最低點(diǎn)（即圖中的“氨谷點(diǎn)”），此時(shí)濃度接近零（0.46 mg·L-1），標(biāo)志硝化反應(yīng)結(jié)束。此后繼續(xù)曝氣，系統(tǒng)pH和DO值逐漸升高。曾薇等[23]發(fā)現(xiàn)：DO、pH的突然升高可以作為傳統(tǒng)SBR硝化反應(yīng)結(jié)束的控制信號(hào)。因此，DO聯(lián)合pH可以作為N-SBR單元硝化結(jié)束的指示參數(shù)。缺氧段，隨著反硝化除磷的進(jìn)行，系統(tǒng)pH呈逐漸上升趨勢(shì)，當(dāng)系統(tǒng)反硝化吸磷結(jié)束時(shí)，pH變化趨于平緩。由此可知：缺氧段pH變化可以作為反硝化吸磷結(jié)束的指示參數(shù)，對(duì)工藝的運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化控制。

2.2 硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)COD去除性能的影響

圖3呈現(xiàn)了A2N2系統(tǒng)在Run1～6六個(gè)階段COD濃度的變化。從圖中可以看出，盡管進(jìn)水COD濃度在170～290 mg·L-1波動(dòng)，但系統(tǒng)COD去除率一直維持在80%左右，出水COD濃度穩(wěn)定在50 mg·L-1左右，平均為46.9 mg·L-1，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918－2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，這說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力。分析圖3數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)COD的去除由A2/O-SBR和N-SBR單元共同完成，在進(jìn)水平均COD濃度為237.6 mg·L-1的條件下，厭氧末系統(tǒng)平均COD濃度降為80 mg·L-1，一次硝化末系統(tǒng)平均COD濃度為48.5 mg·L-1，與系統(tǒng)平均出水COD濃度47.7 mg·L-1相接近。厭氧段COD去除量占總?cè)コ康?9.1%～73.3%，平均為66.4%，一次硝化過程中COD去除量占總?cè)コ康?%～28.5%，平均為14.9%，這說明A2/O-SBR單元厭氧段是有機(jī)物被吸收和利用的主要場(chǎng)所[8,24-25]，進(jìn)水中有限的有機(jī)物在A2/O-SBR單元內(nèi)得到了有效利用，并在一次硝化過程中被進(jìn)一步徹底降解。由于改變N-SBR單元硝化時(shí)間分配比不影響A2/O-SBR單元厭氧段對(duì)系統(tǒng)COD去除的貢獻(xiàn)率，好氧異養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)氧氣的能力強(qiáng)于好氧自養(yǎng)型硝化菌，所以當(dāng)N-SBR單元的進(jìn)水含有可生物降解的有機(jī)物時(shí)，在好氧曝氣過程中首先被去除。因此，硝化時(shí)間分配比對(duì)系統(tǒng)COD的去除性能影響較小。

圖3 A2N2系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除性能

2.3 硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)脫氮性能的影響

2.3.1 A2N2系統(tǒng)去除特性 與傳統(tǒng)AAO工藝相比有所不同，在A2N2組合系統(tǒng)中原污水中的氧化基本是在N-SBR單元的硝化過程中完成的，A2/O-SBR反應(yīng)器的好氧區(qū)幾乎不發(fā)生的氧化。張為堂等[27]、張淼等[10]分別在A2/O-BAF、A2/O-BCO工藝均發(fā)現(xiàn)A2/O反應(yīng)器的容積分配比不會(huì)影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

如圖4所示，進(jìn)水氨氮濃度為38.4～76.4 mg·L-1，平均為50.1 mg·L-1。經(jīng)過好氧硝化主要被氧化為（圖5）。假設(shè)系統(tǒng)在一次硝化、二次硝化過程中的去除量分別記作和。結(jié)合圖4(a)、(b)可知：當(dāng)硝化時(shí)間分配比分別為5:1、4:1、3.5:1時(shí)（即Run 1～3），系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的硝化性能，一次硝化末和系統(tǒng)出水濃度較穩(wěn)定且相差不大，進(jìn)入N-SBR單元內(nèi)的氨氮均基本被硝化完全，平均去除率分別為99.6%、99.2%和98.3%，平均出水濃度分別為0.2、0.4、1.0 mg·L-1。在Run 4（硝化時(shí)間分配比為3:1），由于進(jìn)水氨氮濃度不斷升高和的減少，使系統(tǒng)缺氧初和出水濃度不斷增加，平均氨氮去除率下降至80%，平均增加至Run 1～6最高值9.6 mg·L-1。由上述結(jié)果可知：為保證系統(tǒng)良好的硝化性能，一次硝化時(shí)間必須≥3.5 h；N-SBR單元的硝化速率約為10 mg·L-1·h-1。

圖4 A2N2系統(tǒng)對(duì)的去除性能

在Run 1～4試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Run 5～6將二次硝化時(shí)間設(shè)定為0.5 h，分別控制總曝氣時(shí)間為4.0 h、4.5 h，與Run 3和Run 4形成對(duì)照，對(duì)應(yīng)的硝化時(shí)間分配比分別為7:1、8:1。從圖4(b)中可以看出：在Run 5、Run 6，平均DNH4+-N1分別增加為31、34 mg·L-1，平均均減少為Run 3的一半（約為5 mg·L-1），平均出水氨氮濃度分別為11.7、8.2 mg·L-1，平均氨氮去除率分別為80%、84%。此外，Run 3的平均（30 mg·L-1）大于Run 2（28 mg·L-1）并接近于Run 1（31.8 mg·L-1），分析其原因可能是：在Run 1～2，由于N-SBR單元中大量富集硝化菌的生物膜脫落嚴(yán)重，活性較低，同時(shí)進(jìn)水氨氮負(fù)荷較Run 3～4低，硝化動(dòng)力不足，影響了硝化效果。在Run 1～4平均大致呈逐漸增加的趨勢(shì)，分別為6.5、6、8.6、9.6 mg·L-1。此結(jié)果表明：在曝氣量恒定的條件下，N-SBR單元硝化過程去除量不僅與硝化時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，還受N-SBR單元進(jìn)水氨氮負(fù)荷和硝化菌的數(shù)量與活性的影響。

2.3.2 A2N2系統(tǒng)TN去除特性 分析本工藝的運(yùn)行特點(diǎn)和生物脫氮途徑可知，系統(tǒng)中的TN主要通過反硝化攝磷過程去除，缺氧反硝化效果決定TN的去除率，同時(shí)N-SBR單元中同步硝化反硝化（SND）作用在一定程度上強(qiáng)化了TN的去除效果，但由于進(jìn)入N-SBR單元的COD濃度較低，碳源的缺乏限制了SND效果。因此，影響本系統(tǒng)脫氮效果的主要因素有3個(gè)：一是進(jìn)入缺氧段的可利用有機(jī)碳源的量，包括外碳源和內(nèi)碳源聚羥基鏈烷酸酯（PHAs）；二是缺氧段提供的濃度，在曝氣量一定的條件下，硝化效果越好，TN去除率越高；三是系統(tǒng)SND效果。

從圖5可以看出，進(jìn)水TN濃度為39.2～76.4 mg·L-1，平均為50.5 mg·L-1；不同硝化時(shí)間分配比條件下系統(tǒng)平均出水TN濃度分別為13.5、11.5、15.7、24.6、17.6、21.6 mg·L-1，平均TN去除率分別為73.7%、75%、67.4%、57.2%、65.2%、55.4%。從脫氮角度來看，系統(tǒng)最佳硝化時(shí)間分配比為4:1。此外，在整個(gè)試驗(yàn)期間，除Run 4外系統(tǒng)出水TN成分主要為，Run 4由于進(jìn)水C/N低，氨氮氧化不徹底，回流到A2/O-SBR單元缺氧初的量較少，導(dǎo)致TN去除率急劇下降，出水濃度較高并成為出水TN的主要成分。Run 5與Run 4相比，系統(tǒng)表現(xiàn)出更加穩(wěn)定、高效的TN去除效果，說明在N-SBR單元總硝化時(shí)間相同（4 h）的情況下，適當(dāng)增加一次硝化時(shí)間，更有利于提高系統(tǒng)TN去除率；Run 6與Run 3相比，系統(tǒng)出水TN中和濃度增加，濃度減少，說明在N-SBR單元總硝化時(shí)間相同（4.5 h）的情況下，適當(dāng)增加二次硝化時(shí)間，可以降低出水氨氮濃度，使出水達(dá)標(biāo)排放。

圖5 A2N2系統(tǒng)對(duì)TN的去除性能

2.4 硝化時(shí)間分配比對(duì)A2N2系統(tǒng)除磷性能的影響

不同硝化時(shí)間分配比對(duì)系統(tǒng)除磷性能的影響如圖6所示。進(jìn)水磷濃度為2.96～7.19 mg·L-1，平均為4.58 mg·L-1。從圖6(a)中可以看到典型的DPBs特征：厭氧釋磷和缺氧超量吸磷。Run 1～6厭氧末系統(tǒng)平均磷濃度分別為28.09、24.09、22.53、25.73、27.09、24.57 mg·L-1；缺氧末平均磷濃度分別為0.07、0.28、0.33、2.4、0.33、0.09 mg·L-1；出水磷濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918－2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5 mg·L-1）。結(jié)合圖6(a)和圖4分析可知：Run 4由于一次硝化時(shí)間不足，硝化不充分，回流的N限制了反硝化除磷效果。

圖6 A2N2系統(tǒng)對(duì)磷的去除性能

假定凈釋磷量（ΔP釋）為厭氧末與厭氧初磷濃度的差值；總吸磷量（）為厭氧末與好氧末磷濃度的差值；反硝化除磷量（）為厭氧末與缺氧末磷濃度的差值；反硝化除磷率（）為反硝化除磷量與總吸磷量的比值，該值從本質(zhì)上反映了系統(tǒng)的反硝化除磷能力。由圖6(b)分析可知：硝化時(shí)間分配比為5:1、4:1、3.5:1、3:1、7:1、8:1時(shí)（即Run 1～6），系統(tǒng)ΔP釋分別為25.03、19.5、18.23、21.33、23.2、21.25 mg·L-1；分別為28.4、23.81、22.2、23.33、27.36、24.6 mg·L-1；分別為28.45、23.96、22.42、25.51、27.59、24.66 mg·L-1；分別為99.9%、99.4%、99%、91.6%、99.2%、99.8%，A2N2系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定、高效的反硝化除磷性能。此外，ΔP釋、和在Run 1～3逐漸降低，在Run 4～5逐漸增加，這是由于試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，Run 1～3恰逢冬季，室內(nèi)環(huán)境溫度逐漸降低，平均室溫分別只有14.1、13.7、11.4℃，在此溫度下系統(tǒng)的厭氧釋磷能力和反硝化除磷能力下降。吉方英等[28]認(rèn)為反硝化除磷適宜溫度范圍為18～37℃。低于14℃或高于37℃，反硝化聚磷菌的活性受到抑制，反硝化除磷速率降低。

3 結(jié) 論

（1）有機(jī)物在系統(tǒng)A2/O-SBR單元中被高效利用，N-SBR單元硝化時(shí)間分配比對(duì)COD及磷的去除效果影響不大，平均去除率分別為80%、98.7%。

（2）在曝氣量恒定（120 L·h-1）的條件下，N-SBR單元硝化過程去除量不僅與硝化時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，還受N-SBR單元進(jìn)水氨氮負(fù)荷和硝化菌的數(shù)量與活性的影響。為保證系統(tǒng)良好的硝化性能，一次硝化時(shí)間必須≥3.5 h；N-SBR單元的硝化速率約為10 mg·L-1·h-1。

（3）硝化時(shí)間分配比對(duì)系統(tǒng)TN去除性能和出水TN成分影響很大。在總曝氣時(shí)間一定的條件下，適當(dāng)增加一次硝化時(shí)間，更有利于提高系統(tǒng)TN去除率；適當(dāng)增加二次硝化時(shí)間，可以降低出水濃度，使出水達(dá)標(biāo)排放。

（4）當(dāng)硝化時(shí)間分配比為4:1時(shí)，系統(tǒng)脫氮除磷效果最好。TN、平均去除率分別為75%、100%，平均出水濃度分別為11.5、0 mg·L-1。

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Effect of nitrification duration distribution ratio in N-SBR unit on performance of A2N2 system operation

WANG Meixiang, ZHAO Weihua, HUANG Yu, PAN Cong, PENG Yongzhen, WANG Shuying

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, 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)

A novel A2N2system was developed to deal with low C/N domestic wastewater. The operating performance under different nitrification duration distribution ratio in N-SBR unit was investigated. The experiment was conducted as follows: under the condition of A2/O-SBR unit anaerobic was set as 1.5 h, anoxic 2 h, aerobic 0.5 h and the aeration flow rate of A2/O-SBR and N-SBR units was 100 and 120 L·h-1, respectively, and then the nitrification time distribution ratios were set as 5:1, 4:1, 3.5:1, 3:1, 7:1 and 8:1 to determine the optimal operation parameter. The results indicated that the efficient utilization of carbon sources was achieved in the A2/O-SBR unit, while the nitrification duration distribution ratio had little impact on the removal of organic substances. In order to ensure a better nitrification and denitrification and phosphorus removal performance, the first nitrification duration time must be ≥3.5 h. Under the condition of total nitrification time was unchanged, an appropriate increase in the first nitrification time would greatly improve the system TN removal. An appropriate increase in the secondary nitrification time can reduce the effluentconcentration to meet the first A discharge standard in China (GB 18918—2002). When nitrification time allocation ratio was 4:1, the system achieved the optimal nitrogen and phosphorus removal performance with average effluent concentrations of TN andof 11.5 and 0 mg·L-1, respectively, and the corresponding average removal efficiency was 75% and 100%, respectively.

low C/N ratio domestic wastewater; denitrifying phosphorus removal; A2N2system; simultaneous biological nitrogen and phosphorus removal; nitrification duration distribution ratio

date: 2016-06-27.

Prof. WANG Shuying, wsy@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160861

X 703.1

A

0438—1157（2016）12—5259—09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51578014）；北京市教委資助項(xiàng)目。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51578014) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.

2016-06-27收到初稿，2016-09-08收到修改稿。

聯(lián)系人：王淑瑩。第一作者：王梅香（1991—），女，碩士研究生。