王振國，何爭光，彭趙旭，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001）

體積比對分段進(jìn)水改良A2／O工藝脫氮除磷性能的影響

王振國，何爭光，彭趙旭，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001）

為了探究體積比對脫氮除磷性能的影響，采用分段進(jìn)水改良厭氧－缺氧－好氧（A2／O）工藝處理高氨氮低碳氮比的生活污水。在污泥回流比為70%，水力停留時(shí)間（HRT）為10 h條件下，考察了體積比（V預(yù)缺氧∶V厭氧∶V缺氧∶V好氧）對系統(tǒng)去除有機(jī)物、硝化效果、反硝化效果、總氮（TN）和總磷（TP）的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同體積比對系統(tǒng)有機(jī)物的去除和硝化效率影響不顯著，出水化學(xué)需氧量（COD）和氨氮濃度分別在50 mg／L、5 mg／L以下；系統(tǒng)TN和TP去除受體積比影響較大，體積比為18∶18∶36∶72時(shí)，缺氧體積所占比例較大，反硝化細(xì)菌獲得充足反應(yīng)時(shí)間，反硝化效果最好，TN去除率平均達(dá)83.24%；體積比為12∶24∶24∶84時(shí)，厭氧體積的增加，為聚磷菌厭氧釋磷提供有利條件，TP去除效果最佳，平均去除率達(dá)93.63%。

體積比；改良A2／O；高氨氮污水；分段進(jìn)水

0 引言

目前，中國大部分的污水處理廠不能達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)［1］，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)活性污泥工藝所固有弊端［2］，如碳源、硝酸鹽、泥齡等矛盾。文獻(xiàn)［3］研究表明：對于低C／N生活污水的處理，碳源是反硝化脫氮和厭氧釋磷的限制性因子，碳源不僅是異養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，還是反硝化脫氮的電子供體，同時(shí)也是聚磷菌在厭氧段有效釋磷的必須物質(zhì)，在進(jìn)水碳源不足的情況下，只有提高碳源的利用率才能保證脫氮除磷的去除效果。分段進(jìn)水工藝因具備很多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)省內(nèi)回流、原水碳源利用率高等［4－6］，越來越受關(guān)注。文獻(xiàn)［7］利用改良開普敦（UCT）分段進(jìn)水工藝處理低C／N生活污水，在流量分配比為4∶3∶3和缺氧／好氧體積比為1∶2條件下，原水碳源利用達(dá)62%以上，出水優(yōu)于一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［8］利用改良厭氧－缺氧－好氧（A2／O）分段進(jìn)水工藝處理低濃度、低C／N生活污水，在流量分配比為20%∶35%∶35%∶10%條件下，碳源利用率高達(dá)74%。目前，對于高氨氮、低C／N生活污水處理的研究比較少，本試驗(yàn)采用分段進(jìn)水改良A2／O工藝處理高氨氮、低C／N生活污水，為將來污水處理廠的升級改造提供經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。本文是在傳統(tǒng)A2／O工藝基礎(chǔ)上，采用分段進(jìn)水工藝，同時(shí)增加前置預(yù)缺氧反硝化段，取消硝化液的內(nèi)回流，好氧段后增加兩級缺氧－好氧（A／O）工藝。裝置采用有機(jī)玻璃制成，總?cè)莘e60.5 L，其中有效容積為51.8 L。反應(yīng)器依次為預(yù)缺氧區(qū)A1／厭氧區(qū)A2、好氧區(qū)O1（體積固定）、缺氧區(qū)A3／好氧區(qū)O2和缺氧區(qū)A4／好氧區(qū)O 3；在缺氧區(qū)和厭氧區(qū)采用4臺攪拌器，使泥水混合均勻；好氧區(qū)設(shè)置若干曝氣頭，空壓機(jī)來曝氣，流量計(jì)調(diào)節(jié)溶解度DO。采用5臺蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水和污泥回流；二沉池采用中進(jìn)和周出豎流式，有效容積為18 L。

圖1 分段進(jìn)水改良A2／O工藝裝置示意圖

1.2 人工配水與接種污泥

使用人工配水模擬生活污水作為試驗(yàn)對象，其主要水質(zhì)參數(shù)見表1?？扇苄缘矸圩鳛樘荚?，在自來水中加入NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4，并在水中投加NaHCO3作為堿度的緩沖劑，此外還在模擬污水中投加多種無機(jī)營養(yǎng)鹽用以提供微生物生長所需的微量元素。接種污泥取自鄭州市五龍口污水處理廠氧化溝的曝氣段，接種前需要預(yù)曝氣24 h，清除殘雜物后，在反應(yīng)器中培養(yǎng)馴化。

表1 進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

相關(guān)水質(zhì)分析方法參照國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），具體的分析項(xiàng)目為：化學(xué)需氧量（COD、總氮（TN）、總磷（TP）、pH、溶解度DO等。

為了充分探究體積比（V預(yù)缺氧∶V厭氧∶V缺氧∶V好氧）對分段進(jìn)水改良A2／O工藝處理高氨氮低碳氮比污水系統(tǒng)性能的影響，試驗(yàn)中設(shè)置12∶24∶24∶84、18∶18∶24∶84、18∶18∶36∶72和18∶18∶18∶90這4種不同的體積比，對4種體積比連續(xù)運(yùn)行40 d來取樣分析，分別考察了COD、－N、TN和TP這4個(gè)指標(biāo)并進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)期間設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)如下：水力停留時(shí)間（HRT）為10 h，進(jìn)水總流量是124 L／d，各級進(jìn)水流量分配為1∶2∶2∶1，污泥回流比為70%。利用恒溫加熱器來控制反應(yīng)溫度，維持反應(yīng)器中的平均溫度為（20±1）℃，將好氧區(qū)的DO維持在2.0 mg／L左右，缺氧區(qū)DO維持在0.5 mg／L以下，厭氧區(qū)DO維持在0.2 mg／L以下。

2 結(jié)果與討論

2．1 體積比對COD去除效果的影響分析

分段進(jìn)水改良A2／O工藝對COD的去除如圖2所示。由圖2可見：體積比對COD的去除率影響不大，4種體積比下COD平均去除率分別為90.76%、92.16%、92.20%和92.25%。這表明通過改變體積比來提高COD去除率這種措施效果不大，主要是因?yàn)椋涸谙到y(tǒng)HRT不變條件下，體積比的變化只是單一地改變了有機(jī)物在各個(gè)區(qū)域的停留時(shí)間，導(dǎo)致各個(gè)缺氧區(qū)、好氧區(qū)和厭氧區(qū)對有機(jī)物的去除量發(fā)生了改變，而整個(gè)系統(tǒng)對于有機(jī)物的去除量相差不大；另外，體積比在12∶24∶24∶84情況下，COD的去除率要比在其他3種情況略低，這可能是因?yàn)榛亓魑勰噙M(jìn)入預(yù)缺氧段，使得其內(nèi)污泥濃度在反應(yīng)系統(tǒng)最高，微生物量最多。隨著預(yù)缺氧／厭氧比值的加大，預(yù)缺氧段HRT變大，從而對有機(jī)物的去除更加充分。

2.2 體積比對氨氮去除效果的影響分析

分段進(jìn)水改良A2／O工藝對－N的去除如圖3所示。由圖3可見：進(jìn)－N平均去除率分別為96.25%、96.45%、95.93%和96.91%。雖然進(jìn)水濃度不同，但是這4個(gè)工況下出水氨氮的平均濃度波動(dòng)較小，且并不隨著體積比的改變而顯著變化。這可能是因?yàn)榘钡娜コ饕峭ㄟ^硝化菌在好氧區(qū)內(nèi)的硝化反應(yīng)來完成的，在體積比為18∶18∶36∶72即好氧區(qū)最小時(shí)，氨氮出水濃度為2.87 mg／L，說明系統(tǒng)中氨氮已大部分被硝化完全，此時(shí)的好氧體積HRT也能滿足硝化菌對進(jìn)水氨氮負(fù)荷的硝化容量，所以再增大好氧體積比雖然在一定程度上提高氨氮去除效果，但作用效果已很不明顯。這與文獻(xiàn)［9］采用改良A2／O分段進(jìn)水工藝處理低濃度、低碳氮比生活污水結(jié)論是一致的。本試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)具有良好硝化效果，體積比對氨氮去除基本無影響。

圖2 不同體積比下COD的去除情況

圖3 不同體積比下氨氮的去除情況

2．3 體積比對TN去除效果的影響分析

圖4 不同體積比下TN的去除情況

分段進(jìn)水改良A2／O工藝對TN的去除如圖4所示。由圖4可見：出水平均TN濃度分別為18.07 mg／L、14.84 mg／L、11.89 mg／L和18.75 mg／L，TN平均去除率分別為74.28%、78.46%、83.24%和72.03%。

在體積比為18∶18∶24∶84和18∶18∶36∶72的工況下，TN去除率相對于體積比為12∶24∶24∶84和18∶18∶18∶90大幅提高，TN平均去除率從74.28%分別提升到78.46%和83.09%，又降低到72.03%。這可能是因?yàn)椋后w積比預(yù)缺氧／厭氧由12∶24增加到18∶18，預(yù)缺氧池體積增加，在預(yù)缺氧段內(nèi)，一方面反硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中的有機(jī)碳源對回流污泥攜帶的硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化脫氮，預(yù)缺氧區(qū)體積的增加導(dǎo)致預(yù)缺氧的HRT隨著變大，使得反硝化細(xì)菌有更多的時(shí)間進(jìn)行反硝化脫氮；另一方面在碳源不足的情況下，部分反硝化除磷菌會(huì)以硝態(tài)氮作為電子受體，在脫氮的同時(shí)完成吸磷反應(yīng)，預(yù)缺氧體積的增加強(qiáng)化了反硝化除磷的作用，兩者綜合作用導(dǎo)致TN去除效果提高。缺氧／好氧體積比由24∶84變?yōu)?6∶72，文獻(xiàn)［10］研究表明：在系統(tǒng)HRT不變的情況下，缺氧段體積變大，使得反硝化細(xì)菌獲得更多時(shí)間利用進(jìn)水碳源，進(jìn)行反硝化脫氮，同時(shí)，缺氧段發(fā)生反硝化除磷也會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化，TN去除效果明顯提高。好氧體積增大，缺氧／好氧體積由36∶72變?yōu)?8∶90，缺氧體積減小，TN平均去除率從83.24%降低到72.03%。

2．4 體積比對TP去除效果的影響分析

分段進(jìn)水改良A2／O工藝對總磷的去除效果如圖5所示。由圖5可見：平均出水TP濃度分別是0.36 mg／L、0.61 mg／L、0.57 mg／L和0.53 mg／L，去除率分別是93.63%、88.73%、88.03%和89.49%。分析發(fā)現(xiàn)：隨著預(yù)缺氧／厭氧比值的增大，系統(tǒng)對于磷的去除率明顯下降。這可能是因?yàn)殡S著厭氧體積的減小，導(dǎo)致厭氧段HRT變小，在一定范圍內(nèi)，厭氧時(shí)間越長，聚磷菌的釋磷量也就越大［11］。HRT的變短導(dǎo)致厭氧釋磷量減少，厭氧釋磷不充分，影響后續(xù)好氧段的吸磷過程，從而影響TP的去除率降低。另外，文獻(xiàn)［10］研究表明：厭氧體積的減少不利于易降解基質(zhì)的產(chǎn)生，限制了聚磷菌體內(nèi)聚烴基烷酸（PHA）的合成量，從而影響后續(xù)吸磷的效果。試驗(yàn)過程還發(fā)現(xiàn)，隨著缺氧／好氧體積比值的減少，TP的去除率略有提高。文獻(xiàn)［12］研究表明：聚磷菌在好氧段O1內(nèi)完成大部分對TP的去除。由試驗(yàn)裝置可知：好氧段O1體積是固定的，僅通過A3、O2、A4和O3來實(shí)現(xiàn)缺氧／好氧體積比的調(diào)節(jié)，所以缺氧／好氧的減小在一定程度上可以提高TP去除效果，但不是很顯著。綜上可知：對于TP的去除，厭氧體積是關(guān)鍵因素之一。

3 結(jié)論

（1）對于分段進(jìn)水改良A2／O工藝，體積比對有機(jī)物和NH＋4－N的去除效果影響不大，4種工況下系統(tǒng)對COD和NH＋4－N都有很高的去除率，分別都在85%和90%以上，且COD平均出水濃度均在50 mg／L以下，NH＋4－N平均出水濃度均在5 mg／L以下，說明系統(tǒng)對有機(jī)物的去除和氨氮的硝化具有良好的效果。TN和TP去除效果受體積比影響較大：體積比為18∶18∶36∶72時(shí)，TN平均去除率達(dá)到83.24%，平均出水濃度11.89 mg／L；體積比為12∶24∶24∶84時(shí)，TP平均去除率達(dá)到93.63%，出水濃度小于0.5 mg／L；隨著預(yù)缺氧／厭氧體積比的增大，預(yù)缺氧池內(nèi)反硝化獲得足夠的反應(yīng)時(shí)間，TN去除效果提升，但厭氧體積的減小，導(dǎo)致聚磷菌釋磷量的降低，TP去除效果明顯降低。

（2）缺氧／好氧體積比的增加，一方面為反硝化提供充足反應(yīng)時(shí)間，使得反硝化更加充分；另一方面使得有機(jī)物在好氧段停留時(shí)間減少，避免了有機(jī)物被異養(yǎng)好氧菌大量消耗，提高了原水碳源利用率；但好氧段體積的減小會(huì)削弱聚磷菌在好氧段的吸磷作用，從而影響TP的去除效果。

（3）系統(tǒng)的脫氮方式主要是傳統(tǒng)反硝化脫氮為主，缺氧體積的加大有助于TN去除效果的提高；除磷主要是聚磷菌的厭氧釋磷和好氧吸磷作用，缺氧段的反硝化除磷只占很小一部分，對于磷的去除，厭氧體積是關(guān)鍵因素之一。

［1］ 國家環(huán)境環(huán)?？偩郑瑖屹|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國環(huán)境出版社，2003.

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