尤俊豪，郭明哲，宗永臣,*，郝凱越，黃德才

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏林芝 860000；2.西藏土木水利電力工程技術(shù)研究中心，西藏林芝 860000)

隨著西藏自治區(qū)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，生活污水和工業(yè)污水的排放量在不斷增加。目前主要的污水處理工藝有AAO、SBBR、氧化溝等[1]。其中AAO工藝因具有同步脫氮除磷、結(jié)構(gòu)簡單、不易產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)被污水處理廠廣泛應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國城鎮(zhèn)污水處理廠中AAO工藝占據(jù)約50%[2-3]，同時也是青藏高原地區(qū)主要的污水處理工藝之一[4]。

由于AAO工藝受多方面因素的影響，脫氮除磷的效果并不穩(wěn)定[5]。水力停留時間(HRT)作為AAO工藝重要的參數(shù)，對脫氮除磷的效果有重要的影響。歐陽海等[6]研究表明HRT對CODCr去除率的影響小，對總氮(TN)、總磷(TP)的去除率影響大，并隨HRT的增加呈先增后減的趨勢,當(dāng)HRT為8 h處理效果最佳。潘欣語等[7]研究表明HRT對TN、TP、氨氮去除率的影響大，TN、氨氮的去除率隨HRT的增加而增加，TP的去除率隨HRT的增加呈先增后減趨勢，此時最佳HRT為5～8 h。HRT的過長過短都會對脫氮除磷造成影響。HRT過長會影響污泥齡(sludge retention time，SRT)，進(jìn)而影響釋磷作用，同時會增加剩余污泥的排放量，造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的增加。HRT過短，反應(yīng)池中各微生物種群沒有充分的時間生長，污泥流失過快，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)都沒有得到充分的進(jìn)行。本試驗(yàn)以高原地區(qū)為背景，研究了HRT對AAO工藝脫氮除磷的影響，為高原地區(qū)AAO工藝在不同HRT工況下的運(yùn)行提供相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，利用傳統(tǒng)AAO工藝城市污水處理模擬裝置[4]，在厭氧池與缺氧池中都設(shè)有攪拌裝置，設(shè)定攪拌速度為110 r/min，在好氧池底部設(shè)有膜片式微孔曝氣頭為其供氧。試驗(yàn)進(jìn)水和污泥回流均采用磁力驅(qū)動循環(huán)泵，并借助浮子流量計(jì)及球式閥門進(jìn)行流量控制，硝化液回流采用蠕動泵控制。用恒溫循環(huán)器控制試驗(yàn)用水溫度，硝化液回流比、污泥回流比分別控制為150%、100%。用好氧池進(jìn)行35 d的污泥培養(yǎng)，控制溫度為(20.0±1.0)℃，溶解氧(DO)質(zhì)量濃度為2～3 mg/L，pH值為6～8。當(dāng)測得污泥沉降比(SV30)為28%和活性污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為3 716 mg/L時，正式開展試驗(yàn)。

圖1 AAO工藝流程

本試驗(yàn)直接采用西藏農(nóng)牧學(xué)院辦公樓區(qū)生活污水為試驗(yàn)用水，主要進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如下。pH值為8.25～8.51，CODCr質(zhì)量濃度為102.82～464.06 mg/L，TN質(zhì)量濃度為37.70～121.50 mg/L，TP質(zhì)量濃度為1.58～31.45 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為32.93～162.93 mg/L。

1.2 試驗(yàn)操作

研究不同HRT下AAO工藝對各污染物去除的相關(guān)性，保持培養(yǎng)階段控制指標(biāo)不變，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量分別為8、12、14、16 L/h，即HRT為26.25、21.00、17.50、15.00 h。各工況條件下運(yùn)行72 h后開展正式試驗(yàn)，分別取水樣和污泥樣品進(jìn)行檢測。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定

采用連續(xù)性進(jìn)水模式，各工況下間隔24 h取各反應(yīng)池中水樣，持續(xù)9 d。所有水樣經(jīng)靜置沉淀后取上清液，進(jìn)行CODCr、氨氮、TN、TP等污染物指標(biāo)檢測，檢測方法參照水和廢水檢測分析方法[8]進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel處理后，使用主成分分析法[9]，利用SPSS對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以公共因子解釋的累計(jì)方差不小于85%，提取公共因子，并通過因子得分矩陣和旋轉(zhuǎn)后的公共因子的方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，算出每組的綜合評價得分，最后使用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同HRT對CODCr的影響

不同HRT對CODCr去除率的影響如圖2所示。CODCr平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為130～330 mg/L，波動較大。進(jìn)水濃度與去除率的趨勢大致相同，表明CODCr進(jìn)水濃度與去除率之間有正相關(guān)性。在HRT為15.00、17.50 h時，CODCr的出水平均質(zhì)量濃度為20～50 mg/L，滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，波動也較穩(wěn)定。由圖2可知，隨HRT的增加，出水CODCr的濃度整體呈上升趨勢。CODCr的平均去除率隨HRT從15.00 h時的85.50%降為26.25 h時的76.53%，可見CODCr去除率變化不大，不同HRT條件下的CODCr平均去除率整體在70%～90%。

圖2 不同HRT條件下CODCr的去除效果

由上述分析可知，不同HRT條件下的CODCr去除率都較高且穩(wěn)定，這說明HRT在15.00～26.25 h的變化對CODCr的去除率幾乎沒影響，這與潘欣語等[7]研究結(jié)果表明HRT的變化對CODCr的去除率影響小相同。CODCr在HRT為17.0 h時的出水濃度低于HRT為15.0 h時，兩者都滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，同時HRT的增加會導(dǎo)致運(yùn)行成本增加，當(dāng)去除效果一定時，HRT越小，單位時間內(nèi)處理的污水量越多，處理效率越高[10]。因此，綜合考慮最佳HRT為15.00 h。

2.2 不同HRT對氨氮的影響

由圖3可知，氨氮的進(jìn)水平均質(zhì)量濃度為10～38 mg/L，變化幅度大。隨HRT的變化，氨氮的出水質(zhì)量濃度變化較穩(wěn)定，且小于5.00 mg/L。雖進(jìn)水濃度波動大，但出水濃度穩(wěn)定，去除率達(dá)到93%。這說明試驗(yàn)裝置對氨氮有較好去除效果，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。當(dāng)HRT為17.50、21.00、26.25 h時，進(jìn)水平均質(zhì)量濃度從10 mg/L增至38 mg/L，出水平均質(zhì)量濃度是1.20、2.86、3.36 mg/L，此時平均去除率由89.49%升至91.11%。表明較長的HRT對氨氮的出水濃度與去除率有一定的影響。較長的HRT會導(dǎo)致出水濃度上升，并且對氨氮的去除率有小幅度提高，同時也表明進(jìn)水濃度與出水濃度和去除率呈正相關(guān)。隨HRT的上升，氨氮平均去除率由92.94%降至91.11%，下降幅度較小。這說明HRT為15.00 h時，可以使各反應(yīng)池進(jìn)行充分反應(yīng)，此時氨氮的去除率已達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖3 不同HRT條件下氨氮的去除效果

2.3 不同HRT對TN的影響

氨氮進(jìn)水質(zhì)量濃度在10～38 mg/L，TN進(jìn)水質(zhì)量濃度在24～40 mg/L，氨氮進(jìn)水濃度約占TN進(jìn)水濃度的90%，說明污水中TN的主要組成部分是氨氮[10]。在HRT為15.00～21.00 h時，氨氮與TN的進(jìn)水濃度變化趨勢較相似。

由圖4可知，TN的出水質(zhì)量濃度為5～15 mg/L，滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。在不同HRT下，TN的平均去除率為58.00%～80.00%，其波動幅度較大。當(dāng)HRT為15.00、17.50、21.00、26.25 h時，TN平均去除率分別為69.70%、79.20%、76.30%、58.81%，可看出15.00、26.25 h的TN平均去除率均小于17.50、21.00 h。說明HRT過長或過短都不利于TN的去除，HRT過短，水流較快，不利于好氧池中的硝化反應(yīng)，進(jìn)而使缺氧池硝態(tài)氮濃度過低，無法進(jìn)行反硝化反應(yīng)，影響脫氮去除率[10]；HRT過長，系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷率降低，會使生物的內(nèi)源呼吸加劇，影響污泥的活性，最終降低系統(tǒng)對污染物去除效果。4組HRT對TN的去除率整體并未達(dá)到預(yù)期效果，分析可能是高原地區(qū)海拔高、溫度低、紫外線強(qiáng)所導(dǎo)致。由于處在高原地區(qū)，本次試驗(yàn)溫度在(20.0±1.0)℃，王榮昌等[11]研究表明當(dāng)系統(tǒng)溫度在20～30 ℃，TN的去除率在90%左右，同樣羅憶涵等[12]在采用AAO模式運(yùn)行下，表明溫度在30 ℃時，TN的平均去除率在90%以上。溫度的升高，微生物生長繁殖速率加快，同化作用效率提高，使更多的氮轉(zhuǎn)化為微生物體內(nèi)的氮化合物，同時溫度升高也加快硝化反硝化速率，促進(jìn)微生物代謝能力，增加脫氮效率[13]。研究表明硝化細(xì)菌最適生長溫度在25～30 ℃[14]，而低溫將會影響硝化反硝化菌的活性，進(jìn)而影響脫氮性能。而本次試驗(yàn)有模擬高原紫外線照射工況，方德新等[15]在對比高原與非高原污水處理系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，受紫外線照射，高原污水處理系統(tǒng)微生物多樣性顯著低于非高原，而較低微生物多樣性又是脫氮效果不佳的重要原因。因此，TN的去除率不僅受HRT的影響，還受溫度和紫外線的影響。TN的去除率隨HRT的增加，整體呈先增后減的趨勢。單考慮TN去除效果，當(dāng)HRT為17.50 h時最佳。

圖4 不同HRT條件下TN的去除效果

2.4 不同HRT對TP的影響

由圖5可知，TP的進(jìn)水質(zhì)量濃度為3～8 mg/L，在HRT為26.25 h最高。在不同HRT條件下，出水TP質(zhì)量濃度在0～2 mg/L，但4組TP的出水濃度均都未達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。一方面因?yàn)楦咴貐^(qū)海拔高、氣壓低，大氣中氧濃度較低，使污水處理系統(tǒng)中的DO含量低[16]，實(shí)際在試驗(yàn)中，好氧池DO質(zhì)量濃度多數(shù)在2.4 mg/L左右，低DO會抑制聚磷菌的活性，影響聚磷菌好氧吸磷。另一方面原因是碳源，反硝化菌與聚磷菌存在碳源競爭，在AAO工藝中進(jìn)水碳源不足時，會造成3個池子形成營養(yǎng)遞減區(qū)，好氧池聚磷菌因缺少碳源而影響吸磷。

圖5 不同HRT條件下TP的去除效果

當(dāng)HRT為15.00、17.50、21.00、26.25 h時，TP的平均去除率分別是80.92%、77.62%、64.04%、80.67%。隨HRT的增加，TP的去除率呈先減后增趨勢，并與出水濃度趨勢相同，表明TP去除率和出水濃度同時受HRT的影響。其中最佳HRT為15.00 h，說明較長的HRT不利于TP的去除。一方面因?yàn)榇藭rHRT較長，硝化細(xì)菌與聚磷菌之間存在激烈競爭，而聚磷菌的生存能力低于硝化細(xì)菌，會導(dǎo)致聚磷菌的死亡，不利于吸磷的進(jìn)行，影響TP的去除效果[11]。另一個原因可能是SRT，本次4組HRT對應(yīng)的SRT是8、12、16、20 d。SRT過長，會造成在消化過程中活性污泥的活性下降，而且會影響聚磷菌對磷的吸收，從而導(dǎo)致活性污泥中糖類物質(zhì)的累積及非聚磷菌的增長，使除磷效果降低，同時有研究表明最佳SRT處于3.5～7 d[17-18]。

2.5 不同HRT對系統(tǒng)脫氮除磷的影響

在AAO工藝中脫氮主要通過硝化反硝化，除磷主要通過聚磷菌的厭氧釋磷和好氧吸磷，都需要一定的HRT。首先是聚磷菌的釋磷，如果HRT不能滿足，將會影響后續(xù)的吸磷；在反硝化脫氮(硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?時，需要的HRT較短，一般反硝化與硝化的HRT之比為1∶3[19]；而在硝化階段需要較長的HRT來滿足硝化反應(yīng)(有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽)和滿足聚磷菌有充分的時間吸磷，提高除磷效果。由表1可知，當(dāng)HRT在15.00～26.25 h，氨氮的平均去除率均高于其他3個指標(biāo)，CODCr、TP的平均去除率相對高于TN。說明AAO工藝對氨氮的去除具有良好的效果，且處理效果穩(wěn)定，同時也表明AAO工藝在運(yùn)行良好時，可以實(shí)現(xiàn)脫氮與除磷同時超過60%，但不能同時實(shí)現(xiàn)高效率的脫氮與除磷。例如當(dāng)HRT為26.25 h時，TP的平均去除率達(dá)到80.67%，而TN的平均去除率只有58.81%。在綜合對比不同HRT下，當(dāng)HRT為15.00 h時，系統(tǒng)中CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率效果最好，但是此時系統(tǒng)平均MLSS只有493 mg/L，并低于其他3組HRT下的污泥濃度，這與污泥濃度低、微生物數(shù)量少，從而影響系統(tǒng)功能發(fā)揮[20-21]的理論相反，可能是高原地區(qū)特殊的環(huán)境所造成，但具體原因有待研究。

表1 不同HRT下各污染物的平均去除率和MLSS

為了更科學(xué)、更準(zhǔn)確地得出4組HRT在綜合CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率條件下的最佳HRT，由圖6可知，當(dāng)HRT為15.00 h時的綜合評價得分最高，這也驗(yàn)證了上述分析的最佳HRT是正確的，其次是26.25、17.50、21.00 h。這表明HRT對系統(tǒng)脫氮除磷的發(fā)揮有很大的影響。

圖6 PCA分析不同HRT條件下的綜合評價得分

3 結(jié)論與建議

本次試驗(yàn)結(jié)果表明HRT對CODCr、氨氮的去除影響小，對TN、TP的影響大。隨HRT的增加，TN的去除率先增后減，TP的去除率先減后增。綜合考慮各污染物的去除效果，最佳HRT是15.00 h，此時CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率分別為85.50%、92.94%、69.70%、80.92%，其中CODCr、氨氮、TN出水濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，TP出水濃度滿足二級排放標(biāo)準(zhǔn)。

本次試驗(yàn)以高原地區(qū)為背景，討論了海拔高、氣壓低、溫度低、紫外線強(qiáng)等原因?qū)AO工藝脫氮除磷效果的影響，因此，這些因素可作為提高高原地區(qū)AAO工藝脫氮除磷效率的研究方向。同時，本次試驗(yàn)結(jié)果顯示脫氮效率不高，建議通過調(diào)整合適的DO、pH、回流比等工況來提高脫氮效率。