金 羽，李建政，任南琪，赫俊國

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030)

社會經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，污水集中排放量日益增加，給環(huán)境帶來了越來越大的壓力.如何更好地解決污水處理問題，成為和諧社會與生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容.以活性污泥法為主體的各種污水生物處理技術(shù)得到廣泛研究和應(yīng)用，但仍有一些問題未能得到很好解決.溫度是影響微生物活性的重要因素，低溫會顯著降低活性污泥的活性，污水生物處理系統(tǒng)的效能和運(yùn)行穩(wěn)定性也會因此受到很大影響[1-2].我國北方地區(qū)進(jìn)入寒冷季節(jié)時(shí)，水溫迅速下降，污水生物處理系統(tǒng)中的活性污泥性能變差，處理效果顯著下降，尤其是造成水體富營養(yǎng)化的植物性營養(yǎng)元素N和P難以達(dá)標(biāo)排放，成為污水處理領(lǐng)域亟待解決的問題[3-4].

厭氧-缺氧-好氧(A2/O)工藝具有碳、氮、磷同步去除的功能，在城鎮(zhèn)污水處理中得到了越來越多的應(yīng)用.然而，在我國北方地區(qū)寒冷季節(jié)，其效能同樣受到溫度降低的威脅[5].目前，關(guān)于溫度對污水生物處理系統(tǒng)運(yùn)行效果影響的研究，多集中在特定溫度下系統(tǒng)運(yùn)行效能或高溫與低溫運(yùn)行效果對比研究方面，對溫度階段性變化與運(yùn)行效果的相應(yīng)關(guān)系缺乏足夠認(rèn)識[6-7].本文以A2/O工藝運(yùn)行為基礎(chǔ)，根據(jù)我國北方地區(qū)城市污水處理系統(tǒng)一年四季水溫變化規(guī)律設(shè)計(jì)溫度梯度，考查水溫從23 ℃分階段下降到11 ℃的過程中系統(tǒng)對生化需氧量(COD)、氨氮(NH3—N)、總氮(TN)和總磷(TP)的去除效果，以期為北方地區(qū)污水處理廠在低溫季節(jié)的調(diào)控運(yùn)行提供指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

A2/O污水處理反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，包括厭氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池，其流程如圖1所示.反應(yīng)器有效容積為40 L，分為8個(gè)格室，前2個(gè)格室為厭氧池，中間2個(gè)格室為缺氧池，后4個(gè)格室為好氧池，厭氧池、缺氧池、好氧池的體積比為1∶1∶3，沉淀池有效容積為14 L.厭氧池和缺氧池設(shè)有攪拌裝置，好氧池通過底端曝氣頭供氧，試驗(yàn)進(jìn)水、回流污泥和硝化液回流均采用蠕動(dòng)泵控制.A2/O反應(yīng)器安置于恒溫水浴箱中，水浴箱的水通過恒溫循環(huán)器(DTY-15B，四川中浪)制冷或加熱并將溫度控制在設(shè)定溫度，溫度誤差為(±1) ℃.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)污水取自哈爾濱市某生活小區(qū)，其水質(zhì)主要指標(biāo)為：COD 160～330 mg/L，NH3—N 37～50 mg/L，NO3-—N 0.24～1.0 mg/L，TN 38～65 mg/L，TP 4～6 mg/L.

1.3 接種污泥

用于啟動(dòng)A2/O反應(yīng)器的種泥取自哈爾濱市某污水處理廠的二沉池.該污泥沉降性良好，絮體密實(shí)，SV30為80 %，MLSS為7.29 g/L. 污泥經(jīng)淘洗后投入到反應(yīng)器中，接種量MLSS約為3.0 g/L.

1.4 反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行控制

在A2/O反應(yīng)器正式啟動(dòng)前，進(jìn)行了為期3 d的間歇運(yùn)行以培養(yǎng)活性污泥，其操作為：污泥接種完成以后，向A2/O反應(yīng)器泵入生活污水至有效水深，在23 ℃下曝氣1 d后靜沉2 h，排出2/3上清液，再進(jìn)水至有效水深，如此循環(huán)操作.在間歇運(yùn)行3 d后，好氧池和厭氧池分別表現(xiàn)出了顯著的硝化作用和釋磷現(xiàn)象，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入連續(xù)流運(yùn)行模式，正式啟動(dòng).在啟動(dòng)運(yùn)行階段，A2/O系統(tǒng)的運(yùn)行控制參數(shù)如下：進(jìn)水流量4.0 L/h，水力停留時(shí)間(HRT)10 h，污泥量MLSS 2.8～3.0 g/L，缺氧池溶解氧(DO)控制在0.5 mg/L以下，好氧池DO控制為2～3 mg/L，污泥回流比50 %～75 %，硝化液回流比200 %～250 %.

當(dāng)A2/O反應(yīng)器在23 ℃條件下達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定后，將溫度分階段降低為18 ℃、14 ℃和11 ℃，各溫度條件下的運(yùn)行均達(dá)到相對穩(wěn)定并維系7 d后再轉(zhuǎn)入下一溫度條件下運(yùn)行.在改變溫度時(shí)，控制每天的降溫幅度不超過2 ℃，直到下一個(gè)設(shè)定值.除啟動(dòng)期外，A2/O反應(yīng)器在各溫度條件下對COD、NH3—N、TN及TP的去除效率，均按穩(wěn)定運(yùn)行7 d的平均值計(jì)算.

1.5 分析方法

在A2/O系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每天定時(shí)從進(jìn)水口和厭氧池末端、缺氧池末端及沉淀池出水管采集水樣.水樣采用高速離心機(jī)離心后進(jìn)行水質(zhì)分析，主要分析指標(biāo)包括COD、NH3—N、NO3-—N、 TN、TP和MLSS，其中TN采用島津TN分析儀(日本)檢測，其他指標(biāo)的分析均依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行[8].

圖1 反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行

以間歇運(yùn)行方式培養(yǎng)污泥3 d后，A2/O反應(yīng)系統(tǒng)在23℃條件下正式啟動(dòng).系統(tǒng)在進(jìn)入連續(xù)流運(yùn)行之后，其NH3—N及TP的去除率隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)而持續(xù)上升.這一現(xiàn)象在前14 d表現(xiàn)的尤為明顯(圖2)，系統(tǒng)的NH3—N和TP去除率分別從啟動(dòng)之初的13.9%、23.4%提高到了第14 d的85.2%和83.2%.然而，系統(tǒng)對COD的去除卻在運(yùn)行的前10 d表現(xiàn)出一個(gè)顯著的停滯期，保持在73.2%上下，此后呈現(xiàn)迅速增加趨勢，至14 d達(dá)到85.4%后趨緩.在第14 天之后的運(yùn)行中，系統(tǒng)對COD、NH3—N和TP的去除率仍呈緩慢上升趨勢，但在最后5 d表現(xiàn)出了相對穩(wěn)定狀態(tài)，其出水質(zhì)量濃度分別保持在26.7、1.27、0.22 mg/L左右，平均去除率分別達(dá)到91.4%、96.4%和95.6%.

經(jīng)過32 d的運(yùn)行，A2/O反應(yīng)系統(tǒng)在23℃條件下達(dá)到了運(yùn)行穩(wěn)定，對COD、NH3—N和TP的去除率均維持在90%以上，說明污泥馴化已經(jīng)完成，系統(tǒng)啟動(dòng)成功.

2.2 溫度階段性下降對系統(tǒng)COD去除效能的影響

為了考察季節(jié)性溫度變化對A2/O反應(yīng)系統(tǒng)去除效能的影響，系統(tǒng)在23 ℃條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并維持運(yùn)行7 d后，分階段將溫度下降為18、、14、11 ℃條件下運(yùn)行.運(yùn)行結(jié)果顯示，溫度每下降一次，系統(tǒng)再一次達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(COD、NH3—N及TP的去除率保持相對穩(wěn)定)所需要的運(yùn)行時(shí)間會更長.從23℃分階段降低為18、14、11 ℃后，系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)分別需要15、25、32 d(歷時(shí)曲線略).在每個(gè)溫度條件下的穩(wěn)定狀態(tài)，維持運(yùn)行7 d，以COD、NH3—N及TP的平均去除效果為標(biāo)準(zhǔn)，就溫度階段性下降對A2/O工藝處理生活污水的效能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如表1～4所示.

研究表明[9]，在一定范圍內(nèi)，溫度每下降10 ℃，微生物的代謝活性就會降低1.5倍左右.對A2/O反應(yīng)系統(tǒng)在不同溫度條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期的檢測數(shù)據(jù)分析(表1)表明，盡管進(jìn)水COD均維持在271 mg/L左右，但在23、18、14、11 ℃條件下的出水COD隨溫度下降而升高，分別為28、33、37、40 mg/L，COD去除率依次降低為90.2%，88.3%，86.1%、85.2%.雖然溫度下降對A2/O系統(tǒng)的COD去除能力產(chǎn)生了較為顯著的影響，但系統(tǒng)的出水COD(最高為40 mg/L)依然能夠滿足“城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)”要求的Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤ 50 mg/L)，可以保障出水COD的達(dá)標(biāo)率.

表1溫度階段性下降對A2/O系統(tǒng)COD去除率的影響

溫度/℃運(yùn)行時(shí)間/d進(jìn)水/(mg·L-1)厭氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%總?cè)コ?/%23±17283±2.12131±0.5853.851±0.5261.228±0.2845.290.218±122280±1.67135±1.1251.655±0.1059.533±0.0740.688.314±132265±1.33141±0.6246.763±1.4355.737±0.2241.286.111±139273±1.55150±1.1545.371±0.5552.840±0.0642.885.2

對各處理單元COD去除率的計(jì)算與比較發(fā)現(xiàn)，盡管溫度下降從整體上降低了A2/O系統(tǒng)對COD的去除率，但COD質(zhì)量濃度在系統(tǒng)內(nèi)各單元的變化規(guī)律卻并未因溫度的下降而改變.由于硝化液稀釋和污泥吸附作用，以及可能存在的反硝化作用，使厭氧反應(yīng)單元和缺氧反應(yīng)單元在各溫度下均表現(xiàn)出了較高的COD去除率，分別維持在45.3%～53.8%和52.8%～61.2%，而好氧工藝段的COD去除率并不算高，僅為40.6%～45.2%.分析認(rèn)為，厭氧和缺氧反應(yīng)單元對COD的大量去除，嚴(yán)重限制了好氧工藝段的營養(yǎng)水平，迫使活性污泥微生物更多地依靠內(nèi)源呼吸供給能量.微生物處于內(nèi)源呼吸期雖然在一定程度上限制了好氧工藝段的COD去除率，但可促使活性污泥更多地進(jìn)行吸磷和氨氮氧化代謝，有助于系統(tǒng)對NH3—N和TP去除率的提高[10].

2.3 溫度階段性下降對系統(tǒng)NH3—N去除效能的影響

如表2所示，當(dāng)溫度由23 ℃下降為18 ℃時(shí)，A2/O系統(tǒng)對NH3—N去除率未出現(xiàn)明顯變化，其出水質(zhì)量濃度和去除率分別為0.8、0.9 mg/L和98.0%、98.2%.當(dāng)溫度下降為14 ℃時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)對NH3—N的去除率仍能穩(wěn)定在90.9%左右，出水NH3—N質(zhì)量濃度維持在4.6 mg/L，可達(dá)到Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤ 5 mg/L).然而，當(dāng)溫度繼續(xù)下降到11 ℃后，系統(tǒng)對NH3—N的去除率大幅下降為84.1%，出水NH3—N質(zhì)量濃度達(dá)到7.6 mg/L，已不能滿足Ⅰ級A標(biāo)準(zhǔn).

表2溫度階段性下降對A2/O系統(tǒng)NH3—N去除率的影響

溫度/℃運(yùn)行時(shí)間/d進(jìn)水/(mg·L-1)厭氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%總?cè)コ?/%23±1739.2±1.2230.3±0.0722.810.7±0.3664.70.8±0.0092.598.018±12246.5±0.8530.1±0.4235.310.2±0.5566.00.9±0.0391.698.214±13250.3±0.4730.5±0.6339.314.3±1.2453.34.6±0.0267.890.911±13947.7±0.7434.9±0.7326.816.2±0.0453.57.6±0.0853.384.1

分析認(rèn)為，在好氧工藝段，NH3—N的去除主要是通過氨氧化作用，即硝化作用實(shí)現(xiàn)的.而在厭氧工藝段和缺氧工藝段，氨氮的去除更多地依賴于厭氧氨氧化途徑.研究表明，硝化反應(yīng)的最適溫度為22～37 ℃，當(dāng)水溫低于15 ℃時(shí)，硝化反應(yīng)會受到顯著抑制，導(dǎo)致出水NH3—N質(zhì)量濃度明顯上升[11-12].而厭氧氨氧化可以在6～43℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生[13]，適宜厭氧氨氧化的溫度范圍為30～40 ℃，低于15 ℃，厭氧氨氧化速率較低[14].可見，溫度的下降，不僅降低了好氧工藝段的硝化反應(yīng)效率，同時(shí)也顯著削弱了厭氧工藝段和缺氧工藝段的厭氧氨氧化效率，導(dǎo)致了A2/O系統(tǒng)NH3—N去除率的總體下降.

2.4 溫度階段性下降對TN去除效能的影響

由表3所示運(yùn)行效果可見，溫度下降對A2/O污水處理系統(tǒng)的TN去除效能具有較為顯著的影響.在水溫由23℃下降到18 ℃時(shí)，系統(tǒng)對TN的去除率由76.9%變?yōu)?5.5%，只有少許下降.而當(dāng)水溫繼續(xù)下降到15 ℃以下時(shí)，系統(tǒng)的TN去除效能受到顯著影響，在14 ℃和11 ℃時(shí)大幅下降為70.6%和66.5%.在水溫23℃和18℃條件下，A2/O系統(tǒng)出水TN質(zhì)量濃度分別維持在11.5、11.9 mg/L，完全可以滿足Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤15 mg/L)的要求.水溫在14 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)出水TN質(zhì)量濃度平均為15.1 mg/L，達(dá)標(biāo)排放保證率顯著降低.在更低溫度11 ℃條件下，系統(tǒng)出水TN只能維持在16.6 mg/L上下，明顯高于Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn)的要求.可見，在水溫低于14 ℃時(shí)，A2/O污水處理系統(tǒng)出水TN的達(dá)標(biāo)排放難以保障.

表3溫度階段性下降對A2/O系統(tǒng)TN去除率的影響

溫度/℃運(yùn)行時(shí)間/d進(jìn)水/(mg·L-1)厭氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%總?cè)コ?/%23±1749.7±1.3344.3±1.1110.913.5±0.8369.611.5±0.2714.976.918±12248.6±0.9644.5±0.228.513.6±0.1269.511. 9±0.0812.475.514±13251.4±0.3243.3±0.2115.717.0±1.1160.815.1±0.5910.970.611±13949.5±0.7547.1±0.864.819.3±1.2559.016.6±0.4714.266.5

研究表明[15]，A2/O系統(tǒng)可通過如下機(jī)制使污水中TN得以去除：1)活性污泥微生物吸收氮素用于細(xì)胞物質(zhì)合成；2)發(fā)生在厭氧工藝段和缺氧工藝段的反硝化、厭氧氨氧化和短程反硝化作用.在水質(zhì)水量和其他控制條件相對穩(wěn)定條件下，后者是A2/O系統(tǒng)主要脫氮途徑.缺氧工藝段具有反硝化、厭氧氨氧化和短程反硝化的反應(yīng)條件[16]，使其成為A2/O系統(tǒng)對TN去除的主要處理單元.如表3所示，在23～14 ℃范圍內(nèi)，厭氧工藝段和好氧工藝段的TN去除率最大分別只有15.7%和14.9%，而缺氧工藝段的TN去除率最低也達(dá)到了59%.溫度對缺氧段TN去除的影響似乎具有跳躍性.A2/O系統(tǒng)在23 ℃和18 ℃達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其缺氧工藝段的TN去除率分別為69.6%和69.5%(表3)，二者相差無幾.而當(dāng)溫度由18 ℃下降為14 ℃后，缺氧段的TN去除率大幅降低到了60.8%，而在11 ℃條件下仍然維持了59.0%的去除率.

2.5 溫度階段性下降對TP去除效能的影響

A2/O污水處理系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的除磷性能(表4).在進(jìn)水TP為4～6 mg/L條件下，即便在水溫11℃，A2/O系統(tǒng)對TP的去除率也能高達(dá)95.0%，出水TP質(zhì)量濃度僅為0.3 mg/L左右，達(dá)到Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn)(≤ 0.5 mg/L).

表4溫度階段性下降對A2/O系統(tǒng)TP去除率的影響

溫度/℃運(yùn)行時(shí)間/d進(jìn)水/(mg·L-1)厭氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%總?cè)コ?/%23±175.1±0.1224.2±0.6619.1±0.115.1±0.0579.00.2±0.0096.596.518±1225.2±0.0830.2±0.3325.0±0.277.1±0.2276.50.2±0.0097.296.114±1325.2±0.0629.5±0.4524.3±0.158.5±0.0571.20.3±0.0097.195.211±1395.6±0.2224.9±0.5819.3±0.29.6±0.1361.60.3±0.0097.195.0

沉淀池污泥回流至厭氧池中(圖1)，發(fā)生釋磷反應(yīng).而厭氧池的釋磷效率幾乎沒有受到溫度下降的顯著影響，在18 ℃表現(xiàn)出最大釋磷量25.0 mg/L左右，而在低溫11 ℃時(shí)也能維持在19.3 mg/L上下(表4).在缺氧池和好氧工藝段，活性污泥大量吸磷.溫度對缺氧池的吸磷效率有較大影響.隨著溫度的下降，缺氧池的TP去除率從79.0%逐漸下降為61.6%左右.然而，在溫度為23、18、14、11 ℃條件下，好氧工藝段對TP的去除率變化并不大，始終維持在97.0%左右.有研究認(rèn)為[17]，在生物除磷脫氮系統(tǒng)中，聚磷菌中小部分是嗜溫菌，大部分是嗜冷菌，在20 ℃或稍低的溫度下占有優(yōu)勢，所以在低溫的條件下，系統(tǒng)仍能獲得良好的生物除磷效果.分析認(rèn)為，好氧池是A2/O系統(tǒng)活性污泥增殖的主要區(qū)段，而細(xì)胞增殖除了受碳源限制外，還需要一定比例的氮源和磷源.對于好氧活性污泥工藝，污泥生長對氮磷的需求應(yīng)該維持在5∶1[18].而計(jì)算發(fā)現(xiàn)，好氧池進(jìn)水的TN和TP之比僅為1.9～2.6，磷源嚴(yán)重不足，成為好氧池污泥生長的限制性因素.盡管溫度下降會降低微生物增殖速度，但磷源的缺乏仍使其表現(xiàn)出了較高的TP去除率，這可能是好氧工藝段對TP去除率不受溫度下降影響的主要原因.

3 結(jié) 論

1)用于處理生活污水的A2/O系統(tǒng)，在水溫23 ℃、進(jìn)水流量4.0 L/h、HRT 10 h、MLSS 2.8～3.0 g/L、缺氧池DO<0.5 mg/L、好氧池DO 2～3 mg/L、污泥回流比50%～75 %、硝化液回流比200%～250%等條件下，可在32 d內(nèi)啟動(dòng)成功并達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定，COD、NH3—N和TP的去除率均維持在90%以上.

2)溫度從23 ℃分階段下降為11 ℃時(shí)，A2/O系統(tǒng)對COD的處理效能顯著降低，但出水COD質(zhì)量濃度始終小于50 mg/L，出水TP質(zhì)量濃度最高也只有0.3 mg/L左右，二者均能達(dá)到GB18918-2002要求的Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn).

3) 溫度階段性下降對NH3—N和TN的達(dá)標(biāo)排放威脅最大.溫度由23 ℃下降為18 ℃時(shí)，A2/O系統(tǒng)出水NH3—N和TN可以滿足GB18918-2002要求的Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn).在14 ℃時(shí)，系統(tǒng)出水NH3—N仍能達(dá)標(biāo)排放，但TN達(dá)標(biāo)排放率顯著降低.當(dāng)溫度下降為11 ℃時(shí)，系統(tǒng)出水NH3—N和TN都不能達(dá)到GB18918-2002要求的Ⅰ級A排放標(biāo)準(zhǔn).

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