李志華，秋 亮，吳曉婷，張玥穎，劉勝軍

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；2.西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，陜西 西安 710086；3.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

傳統(tǒng)的脫氮除磷技術(shù)由于工藝形式的限制，在處理低碳氮比污水時(shí)脫氮和除磷往往無法兼得[1].分段進(jìn)水突破了傳統(tǒng)AAO工藝的單點(diǎn)進(jìn)水，具有有機(jī)物去除率高、污泥濃度較高等優(yōu)點(diǎn)[2-3].國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者從工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行影響因素[4-6]、模型模擬[7]、性能優(yōu)化[8-11]等角度對(duì)分段進(jìn)水進(jìn)行了大量的研究.在此基礎(chǔ)上，劉勝軍[12]等人提出了MAAO( multilevel anaerobic/anoxic/oxic process)工藝.該工藝有著優(yōu)化利用碳源、減少曝氣能耗，降低污泥產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在西安市某污水處理廠投入使用.不過由于該工藝調(diào)節(jié)參數(shù)復(fù)雜，具體的運(yùn)行機(jī)理尚不十分明確，因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)該工藝的運(yùn)行優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究.本研究以實(shí)驗(yàn)室配水模擬的污水廠進(jìn)水為處理對(duì)象，優(yōu)化改良MAAO工藝的運(yùn)行條件，研究該工藝的脫氮除磷性能和各污染物的去除機(jī)制.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案

MAAO系統(tǒng)由原水箱、反應(yīng)器、終沉池三部分連接組成.原水箱容積75 L.MAAO系統(tǒng)由有機(jī)玻璃構(gòu)成，有效容積14 L，共分為4級(jí)，每一級(jí)由厭氧、缺氧、好氧3個(gè)區(qū)域組成，厭氧/缺氧/好氧體積比為1∶2∶4，從第一級(jí)到第四級(jí)共分為12個(gè)區(qū)域.二沉池為豎流式，總體積為9 L.系統(tǒng)通過反應(yīng)器好氧區(qū)底部安裝的砂芯曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，通過調(diào)整玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)整曝氣量.各池頂部設(shè)有恒速攪拌裝置.攪拌電機(jī)為24 V直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速為200 rpm.進(jìn)水和分流通過小型蠕動(dòng)泵控制，污泥回流由蠕動(dòng)泵控制.

如圖1所示，系統(tǒng)共有4級(jí)進(jìn)水，3級(jí)分流，進(jìn)水比為本級(jí)進(jìn)水量與整個(gè)系統(tǒng)的總進(jìn)水量之比，分流比為去往下一級(jí)厭氧池的污泥量與本級(jí)缺氧池總流出污泥量之比.

圖.1 MAAO工藝原理(A、A′、O分別為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū))Fig.1 Schematic diagram of MAAO step feed process(A、A′、O means anaerobic zone, anoxic zone, aerbic zone)

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水

用于MAAO反應(yīng)器接種的活性污泥取自西安市某處理廠二期工程(MAAO工藝)的第四級(jí)好氧區(qū)污泥進(jìn)行自然馴化.污水處理廠長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水為城市生活污水，出水水質(zhì)長(zhǎng)期達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).馴化三周后反應(yīng)器二沉池出水懸浮物(SS)小于20 mg·L-1，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)使用人工配水模擬生活污水，總體上保持進(jìn)水基質(zhì)濃度為定值，配水使用無水乙酸鈉和葡萄糖按照提供COD 1∶1的比例做為碳源，以氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，具體配水水質(zhì)為見表1.每升配水中添加0.4 mL微量元素[13].

1.3 分析項(xiàng)目與方法

1.4 實(shí)驗(yàn)條件與運(yùn)行方案

MAAO系統(tǒng)在室溫(19～22 ℃)條件下運(yùn)行.整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間總進(jìn)水流量為28.8 L·d-1，污泥齡控制為10 ～12 d，污泥回流比為100%，混合液回流比為75%.具體運(yùn)行條件見表2.厭氧、缺氧段DO控制在0～0.35 mg·L-1，好氧區(qū)DO維持在0.5～1.2 mg·L-1.

表1 原水水質(zhì)

1.5 系統(tǒng)SND脫氮計(jì)算方法

系統(tǒng)通過SND(Simultaneous nitrification and denitrification)途徑去除的氮量和SND率可以通過公式(1)～(4)計(jì)算.

NSND=Nin-Nde-Nass-Neff

(1)

Nde=Ndn1+Ndn2+Ndn3+Ndn4+Nsec

(2)

Nass=MLSSwaste×fVSS/SS×Vwaste×fN/bio

(3)

(4)

式中：NSND、Nde、和Nass分別為系統(tǒng)每天通過同步硝化反硝化、反硝化過程和同化作用去除的氮量，g·d-1；Nin和Neff為每天進(jìn)入和排出系統(tǒng)的氮量，g·d-1；Ndn1、Ndn2、Ndn3、Ndn4、Nsec分別為各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量，g·d-1；MLSSwaste為剩余污泥濃度，g·L-1；fVSS/SS為揮發(fā)性污泥濃度與MLVSS與MLSS的比值；Vwaste是每天的剩余污泥排放量，L；fN/bio為活性污泥中氮的含量，取12.39%[11].

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況及運(yùn)行參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 MAAO系統(tǒng)脫氮特性

各種工況條件下進(jìn)出水氮濃度和去除率見圖2.5種工況下的平均出水氨氮濃度分別為4.41 mg·L-1、0.45 mg·L-1、9.65 mg·L-1、8.03 mg·L-1、0.74 mg·L-1，去除率分別為91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%.其中工況一、工況二和工況五的出水氨氮較低，符合國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而工況二和工況五的氨氮去除率最高，出水氨氮量接近于零，硝化反應(yīng)徹底.對(duì)比表2可以看出，從工況五到工況二，總好氧區(qū)HRT變化為從125 ～113 min，實(shí)際出水氨氮濃度相差不大，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的高效去除，說明工況五浪費(fèi)了一定的剩余硝化容量.而工況三和工況四的總好氧區(qū)HRT則下降至101 min，由于水力停留時(shí)間的限制，使得好氧區(qū)微生物沒有足夠的時(shí)間對(duì)進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行完全的氨化作用，導(dǎo)致出水氨氮濃度較高.

圖3為沿程各種存在形式的氮在工藝中的沿程濃度變化，表3為五種工況下的氮元素物料衡算結(jié)果.工況三和工況四的第一級(jí)和最后一級(jí)進(jìn)水量均為25%，從圖3(c)～(d)可以看出，最后一級(jí)的好氧區(qū)無法氧化較多的氨氮，導(dǎo)致出水氨氮含量較高，而硝氮含量比起其他工況則沒有很大的變化，所以出水總氮含量偏高是由于系統(tǒng)最后一級(jí)硝化能力不足引起的.同時(shí)工況三的總氮去除率也明顯高于工況四，這說明在第一級(jí)的分流比增大時(shí)，對(duì)于MAAO系統(tǒng)的總體脫氮是有負(fù)面影響的.當(dāng)?shù)谝患?jí)進(jìn)水量上升為30%，第四級(jí)進(jìn)水量下降為20%(工況一)時(shí)，分流比相對(duì)于工況三和工況四也提高了，此時(shí)，系統(tǒng)硝化效果和總氮去除性能均得到加強(qiáng)，出水氨氮和總氮分別為4.41 mg·L-1和11.87 mg·L-1.繼續(xù)提高首段進(jìn)水比例到35%，末端降至15%(工況二).此時(shí)，好氧HRT和缺氧HRT都有較大提升，硝化能力和反硝化能力繼續(xù)上升，總氮去除率達(dá)到84.2%.然而當(dāng)首段進(jìn)水比例過高(50%)，即在工況五時(shí)，雖然總好氧HRT極大增加，但是從圖3(e)可以看出，第四級(jí)出水中的氨氮含量接近于零，系統(tǒng)浪費(fèi)了一定的硝化余量，同時(shí)由于第一級(jí)厭氧池和缺氧池并不能完全消耗掉50%進(jìn)水中的COD，進(jìn)水碳源也沒有被有效利用，所以，雖然從氮的去除角度來說，該工況處于最佳工況，但是會(huì)有大量的COD沒有被有效利用，對(duì)系統(tǒng)的其他功能有嚴(yán)重影響.對(duì)于多段進(jìn)水工藝來說，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，各段的進(jìn)水量比例和缺氧池分流比例將直接影響系統(tǒng)的脫氮除磷效率[7,15].

圖2 5種工況下的氮元素變化趨勢(shì)Fig.2 Variation profiles of netrogen element with five conditions

表3 五種工況下的氮元素物料衡算結(jié)果

從圖3中可以看出，MAAO系統(tǒng)中除了傳統(tǒng)的硝化反硝化過程和微生物的同化作用脫氮以外，在好氧區(qū)存在明顯的總氮損失,好氧區(qū)氨氮的氧化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝氮的產(chǎn)生量，因此MAAO系統(tǒng)存在一定的同步硝化反硝化現(xiàn)象.如表3所示，系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的硝化反硝化過程去除的氮量在21%～39%，5種工況條件下的SND作用去除的氮含量占進(jìn)水總氮比例依次為28%、25%、10%、7%、29%.即在各個(gè)工況下，系統(tǒng)均出現(xiàn)明顯的SND現(xiàn)象，而且在SND效率較高時(shí)，系統(tǒng)的總氮去除量也較高，可見SND在一定程度上有利于總氮的去除.同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，同化作用在MAAO系統(tǒng)中占比也較大，分別為27%、30%、28%、32%、18%.

目前對(duì)SND理論有宏觀缺氧理論、微觀缺氧理論和生物學(xué)理論.而本研究中出現(xiàn)SND現(xiàn)象的原因可能有以下2點(diǎn)：(1)由于好氧池物理外形為長(zhǎng)條形，在單點(diǎn)曝氣的情況下，存在曝氣不均勻現(xiàn)象，這會(huì)在一定的程度上使得好氧池存在局部區(qū)域DO較低甚至處于缺氧狀態(tài)，而且還會(huì)導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部出現(xiàn)DO的梯度變化，由外到內(nèi)DO濃度依次減少，絮體內(nèi)部可能會(huì)處于缺氧環(huán)境；(2)系統(tǒng)中可能存在好氧反硝化細(xì)菌，這會(huì)導(dǎo)致好氧池同步硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生[16].

圖3 各工況下沿程變化規(guī)律 concentration in different levelunder different operational conditions

2.2 MAAO系統(tǒng)除磷特性

圖4為系統(tǒng)進(jìn)出水TP濃度和TP去除率變化情況.5個(gè)工況下的平均出水TP濃度分別為0.39 mg·L-1、0.15 mg·L-1、2.49 mg·L-1、2.13 mg·L-1、1.09 mg·L-1，平均去除率分別為91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%.

圖5為不同工況下TP沿程變化和各池凈去除量，從中可以看出，第一級(jí)厭氧池的TP釋磷量從工況一到工況五并無明顯變化，這是因?yàn)榈谝患?jí)厭氧池承接了來自二沉池的回流污泥導(dǎo)致HRT太小.第一級(jí)厭氧池的厭氧HRT分別是19.08 min，18.52 min，20.00 min，20.00 min，16.67 min，而厭氧釋磷量較高的厭氧池，其HRT都在25 min以上，所以第一級(jí)厭氧池的釋磷效率低是由回流污泥量過大，HRT不足引起的.

圖4 5種工況下TP變化趨勢(shì)Fig.4 Variation profiles of TP with five conditions

圖5 5種工況下TP沿程變化和各池凈去除量Fig.5 Change along the way of TP and net removal with five conditions

工況三和工況四的第四級(jí)厭氧池的TP量較高，從圖5(a)可以看出，工況三和工況四的第四級(jí)厭氧池釋磷量沒有很大提升，所以第四級(jí)厭氧池TP升高是由厭氧池進(jìn)水TP太多引起的，有大量的TP沒有經(jīng)過處理就直接排出，導(dǎo)致工況三和工況四出水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo).而工況五在系統(tǒng)前端進(jìn)入較多原水，第四級(jí)只有7%的進(jìn)水.通過圖5(b)可以看出，工況五的第四級(jí)厭氧池有很多的釋磷潛力沒有發(fā)揮，所以它的釋磷效率低于工況一和工況二.對(duì)于活性污泥法除磷工藝來說如果厭氧時(shí)無法完成大量釋磷，那么在后續(xù)的工藝處理中，即使在非常符合好氧吸磷的環(huán)境下，也是無法完成聚磷菌好氧大量吸磷的[17].在圖5(b)中，我們?cè)O(shè)定厭氧池TP上升取正值，缺氧池TP濃度上升取負(fù)值，下降取正值，好氧池TP下降為負(fù)值.大多缺氧池都發(fā)生了TP下降，這說明MAAO系統(tǒng)中發(fā)生了反硝化除磷.

3 結(jié)論

(1)當(dāng)MAAO脫氮效率優(yōu)先時(shí)，可以采用前端進(jìn)水，同時(shí)減少分流量的策略，增加好氧和缺氧HRT，整個(gè)系統(tǒng)偏向多段AO工藝，此時(shí)的脫氮效率較高.但是從TP的去除來說，第一級(jí)進(jìn)水量不能太高，進(jìn)水最好分配在第二級(jí)和第三極.所以本工藝在參數(shù)設(shè)定上無法同時(shí)達(dá)到TN和TP的理論最高去除效率.因此，對(duì)于一個(gè)固定水質(zhì)的系統(tǒng)，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)有所選擇.

(2)交替運(yùn)行的缺氧好氧運(yùn)行方式和進(jìn)水流量的合理分配對(duì)于硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行和總氮的高效去除有著非常重要的作用，MAAO工藝中除了通過好氧硝化、缺氧反硝化之外，同步硝化反硝化和污泥的同化作用也對(duì)氮元素的去除貢獻(xiàn)了非常大的作用，使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行深度脫氮.

(3)MAAO工藝除了通過傳統(tǒng)的厭氧釋磷、好氧吸磷來完成除磷之外，還在各個(gè)缺氧區(qū)通過反硝化除磷去除了一部分的TP.