張國珍 明 駒 武福平 馬宏琛 吳 勇

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430000)

懸浮復(fù)合填料對改良多級A/O工藝處理低碳氮比生活污水同步脫氮除磷的影響*

張國珍1明 駒2#武福平1馬宏琛1吳 勇1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430000)

針對改良多級A/O工藝處理低碳氮比生活污水難以同時兼顧脫氮除磷的問題，考察了內(nèi)置式懸浮球中填加海綿塊(填料A)和內(nèi)置式懸浮球中填加海綿塊、海綿鐵和聚氯乙烯泡沫(填料B)兩種懸浮復(fù)合填料的效果。結(jié)果表明，懸浮復(fù)合填料的添加可以在保證COD去除效果的基礎(chǔ)上同時兼顧脫氮除磷。出水COD和氨氮可以達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)。填料B的脫氮除磷效果均優(yōu)于填料A。可以通過添加外加碳源增強脫氮的主要限制步驟(反硝化作用)，從而進一步提高脫氮效果，有望出水TN達到GB18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

懸浮復(fù)合填料 改良多級A/O工藝 低碳氮比 生活污水 同步脫氮除磷

COD/TN低于7.5(質(zhì)量比)的生活污水屬于低碳氮比生活污水，傳統(tǒng)生物處理工藝在無外加碳源的情況下，脫氮除磷效率不高[1-2]。多級A/O工藝具有無硝化液內(nèi)回流、碳源利用率高等優(yōu)點[3-4]，但對于低碳氮比生活污水仍難以穩(wěn)定脫氮除磷。研究發(fā)現(xiàn)，填料的添加能有效改善多級A/O工藝對低碳氮比生活污水的同步脫氮除磷效果。楊敏等[5]利用新型SPR-1懸浮填料作為生物載體強化硝化作用，發(fā)現(xiàn)硝化效率顯著提高。李杰等[6]也指出，生物海綿鐵填料能有效提高除磷能力。但是，單種填料往往難以同時兼顧脫氮和除磷，目前有關(guān)不同懸浮復(fù)合填料對多級A/O工藝處理低碳氮比生活污水進行同步脫氮除磷的研究還鮮見報道。本研究以低碳氮比生活污水為研究對象，在帶前置厭氧段的改良多級A/O工藝各級好氧段投加懸浮復(fù)合填料，考察不同懸浮復(fù)合填料的同步脫氮除磷效果。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

改良多級A/O工藝流程如圖1所示，改良多級A/O裝置尺寸(長×寬×高)為105 cm×20 cm×40 cm，總有效容積為67.2 L，由前置厭氧段(A0)、一級缺氧段(A1)和一級好氧段(O1)、二級缺氧段(A2)和二級好氧段(O2)、三級缺氧段(A3)和三級好氧段(O3)組成。A0、A1、O1、A2、O2、A3、O3的有效容積分別為10.2、6.6、13.2、6.4、12.8、6.0、12.0 L。厭氧段和缺氧段采用電動攪拌器進行攪拌，好氧段采用曝氣機配合微孔曝氣管曝氣。二沉池為圓形豎流式沉淀池，中心管進水，有效容積為5.5 L，高度為600 mm，直徑為130 mm，污泥斗呈截頭倒錐體，傾角為60°，污泥回流通過蠕動泵輸送。

圖1 改良多級A/O工藝流程Fig.1 Modified multi-stage A/O process

1.2 實驗原水及水質(zhì)指標(biāo)測定

實驗原水為蘭州交通大學(xué)校園辦公樓生活污水，COD/TN平均值為3.8。

COD采用快速消解分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基) -乙二胺分光光度法測定，硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法測定，混合液懸浮固體(MLSS)采用重量法測定，沉降比(SV)采用量筒靜置法測定，生物膜量采用堿洗法測定。

1.3 懸浮復(fù)合填料的制備

根據(jù)《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》(CJ/T 461—2014)，利用內(nèi)徑80 mm的空心內(nèi)置式懸浮球、體積6～8 cm3的海綿塊、粒徑5～8 mm的海綿鐵、聚氯乙烯(PVC)泡沫等材料制備懸浮復(fù)合填料。按內(nèi)置式懸浮球中空體積填加海綿塊，海綿塊填加量為2.6 g/L，制得的復(fù)合填料可以懸浮于水中，記作填料A；按內(nèi)置式懸浮球中空體積填加海綿塊和海綿鐵，海綿塊填加量為2.6 g/L，海綿鐵填加量為45.0 g/L，再加適量PVC泡沫以使復(fù)合填料能夠懸浮于水中，記作填料B。

1.4 實驗方法

接種污泥取自蘭州市某污水處理廠二沉池，將其接種至改良多級A/O工藝的各厭氧、缺氧、好氧段中，厭氧段DO控制在0～0.2 mg/L、缺氧段控制在0.2～0.5 mg/L、好氧段控制在1.8～2.2 mg/L，經(jīng)18 d的馴化培養(yǎng)，氨氮和COD的去除率均達到80%以上，SV為28%～35%，菌膠團緊密，有絲狀菌貫穿菌膠團，并出現(xiàn)鐘蟲，表明系統(tǒng)已穩(wěn)定運行。

從穩(wěn)定運行的改良多級A/O工藝的O1、O2、O3中各取出共4 L的活性污泥，混合后污泥MLSS為2 996 mg/L，SV為30%，均分到2個設(shè)有曝氣系統(tǒng)的塑料容器(分別裝有填料A、填料B)中，補充實驗原水至總體積為10 L，填料A和填料B的填充率按30%(體積分數(shù))進行投加。前7天控制DO質(zhì)量濃度為1.0～2.0 mg/L，第8天至第28天控制為3.0～4.0 mg/L。水力停留時間(HRT)設(shè)為8 h，每8 h暫停曝氣并換水50%(即5 L)。污泥停留時間(SRT)為14 d。第16、22天時，填料A和填料B的生物膜量分別達到最大，表明預(yù)掛膜過程完成。

在O1、O2、O3中分別投加填料A和填料B的情況下進行污水處理，A0、A2、A3的流量體積比為6∶3∶1，好氧段MLSS維持在1 750～2 500 mg/L，曝氣保證懸浮復(fù)合填料處于流化狀態(tài)，厭氧段DO控制在0～0.2 mg/L、缺氧段控制在0.2～0.5 mg/L、好氧段控制在3.0～4.0 mg/L，溫度控制為17～23 ℃，污泥回流比為75%(體積分數(shù))，HRT為10 h，SRT為14 d，每天計算系統(tǒng)所需排泥量后定時排放剩余污泥。在其他條件保持不變的情況下，以不加填料作為對照。

2 結(jié)果與討論

2.1 對COD的去除效果

COD在改良多級A/O工藝中的沿程變化如圖2所示。COD的去除主要集中在A0和A1。A2和A3由于有原水補充，因此COD濃度略有上升。在無填料、填料A和填料B 3種條件下，出水COD質(zhì)量濃度分別為27.09、19.57、33.11 mg/L，去除率分別為87.24%、90.78%、84.41%，能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/L)?？傮w而言，投加懸浮復(fù)合填料對提高COD的去除率影響不大。

圖2 COD沿程變化Fig.2 Variation of COD along the process

2.2 脫氮效果

2.2.1 對TN的去除效果

TN在改良多級A/O工藝中的變化如圖3所示。在無填料、填料A和填料B 3種條件下，出水TN質(zhì)量濃度分別為29.41、25.27、24.49 mg/L，去除率分別為47.42%、54.82%、56.21%。投加填料A或填料B對TN的去除率有較大的提高。填料B條件下TN去除率最高，較無填料時提高了8.79百分點，原因可能是海綿鐵能促進硝酸鹽的還原[7]。

圖3 TN沿程變化Fig.3 Variation of TN along the process

2.2.2 對氨氮的去除效果

氨氮在改良多級A/O工藝中的沿程變化如圖4所示。A0和A1處于厭氧或缺氧狀態(tài)，這兩個工藝段氨氮濃度降低主要歸因于原水進水和回流污泥的稀釋作用。O1、O2、O3在好氧條件下，硝化細菌活性增強，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮，才真正實現(xiàn)對氨氮的去除。在無填料、填料A和填料B 3種條件下，出水氨氮質(zhì)量濃度分別為1.90、0.22、1.73 mg/L，去除率分別為96.64%、99.57%、97.44%，能夠達到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/L)?？梢?，3種條件下改良多級A/O工藝硝化能力充足，填料對硝化作用影響不大，說明硝化作用不是限制改良多級A/O工藝脫氮的主要原因。

圖4 氨氮沿程變化Fig.4 Variation of ammonia nitrogen along the process

2.2.3 對硝酸鹽氮的去除效果

硝酸鹽氮在改良多級A/O工藝中的沿程變化如圖5所示。A0、A1和O1中硝酸鹽氮濃度大幅度增加，主要是由于A0、A1中厭氧或缺氧條件下硝化作用把大量氨氮轉(zhuǎn)化成了硝酸鹽氮，但實驗原水的碳氮比低導(dǎo)致反硝化作用明顯不足。

圖5 硝酸鹽氮沿程變化Fig.5 Variation of nitrate nitrogen along the process

通過向?qū)嶒炘刑砑颖姿嵴{(diào)節(jié)COD/TN為7.5，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硝化作用明顯增強，在無填料、填料A和填料B 3種條件下，出水TN質(zhì)量濃度分別降到了17.61、15.34、9.49 mg/L，去除率分別達到了70.03%、79.97%、84.99%，已經(jīng)達到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)(20 mg/L)，添加懸浮復(fù)合填料的條件下甚至可以達到一級A標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L)。

因此，改良多級A/O工藝處理低碳氮比生活污水脫氮效率不高的主要限制步驟是反硝化作用受到限制，可以通過添加外加碳源增強。

2.3 除磷效果

TP在改良多級A/O工藝中的沿程變化如圖6所示。在無填料、填料A和填料B 3種條件下，TP的沿程變化趨勢基本一致，出水TP質(zhì)量濃度分別為3.51、3.28、2.64 mg/L，去除率分別為27.03%、25.34%、52.49%。填料A條件下較無填料條件時，TP去除率基本相當(dāng)。填料B條件下，系統(tǒng)對TP的去除率有了明顯提高，主要原因是海綿鐵填料表面發(fā)生電極反應(yīng)產(chǎn)生鐵離子，能夠和磷酸鹽反應(yīng)形成堿式磷酸鐵沉淀，可通過剩余污泥排放實現(xiàn)對TP的去除。

圖6 TP沿程變化Fig.6 Variation of TP along the process

3 結(jié) 論

懸浮復(fù)合填料的添加可以使改良多級A/O工藝處理低碳氮比生活污水時，在保證COD去除效果的基礎(chǔ)上同時兼顧脫氮除磷。出水COD和氨氮可以達到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。填料B的脫氮除磷效果均優(yōu)于填料A?？梢酝ㄟ^添加外加碳源增強脫氮的主要限制步驟(反硝化作用)，從而進一步提高脫氮效果。

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Influenceofsuspendedcompositefillersonsimultaneousdenitrificationanddephosphorizationofdomesticwastewaterwithlowcarbonnitrogenratiotreatedbymodifiedmulti-stageA/Oprocess

ZHANGGuozhen1,MINGJu2,WUFuping1,MAHongchen1,WUYong1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070;2.WuhanMetroGroupCo.,Ltd.,WuhanHubei430000)

Domestic wastewater with low carbon nitrogen ratio was hard to be denitrified and dephosphorized simultaneously by modified multi-stage A/O process. Suspended composite fillers of Filler A (built-in suspended ball and sponge) and Filler B (built-in suspended ball,sponge,sponge iron and polyvinyl chloride foam) were tested to solve this problem. Results showed that suspended composite fillers was promising for simultaneous denitrification and dephosphorization without sacrifice of COD removal. COD and ammonia nitrogen in effluent could meet Grade 1A of “Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant” (GB 18918-2002). Filler B was much better than Filler A. TN removal rate could be enhanced to meet Grade 1A of GB 18918-2002 by adding additional carbon resource.

suspended composite filler; modified multi-stage A/O process; low carbon nitrogen ratio; domestic wastewater; simultaneous denitrification and dephosphorization

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.013

張國珍，男，1969年生，博士，教授，主要從事飲用水處理與水污染治理。#

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*甘肅省重點研發(fā)計劃項目(No.17YF1NA056)；國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51068014、No.51468033)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(No.IRT0966)。

2016-11-16)