沈翼軍 吳 瑒 楊殿海 張 浩 張新喜

(1.安徽工業(yè)大學建筑工程學院，生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心，安徽 馬鞍山 243002；2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

目前，巢湖水域由于氮磷濃度過高引起水體富營養(yǎng)化。研究發(fā)現，城鎮(zhèn)污水處理廠出水營養(yǎng)元素濃度過高對水體污染的影響強于非點源[1]，因此城鎮(zhèn)污水處理廠無論在設計或者改造中都要注重氮磷的去除。由于我國南方城市的污水水質具有低碳、高氮磷的特點，傳統(tǒng)生物處理工藝由于碳源不足，脫氮除磷效果較差[2]。目前，關于碳源的優(yōu)化利用研究主要集中于分段進水技術，即優(yōu)化碳源在污水處理流程中的分配，使有限的碳源合理地分配到脫氮和除磷的反應器內，避免了碳源進入好氧區(qū)被無效氧化，以求碳源的有效利用率達到最大化[3-5]。分段進水工藝始于20世紀90年代，現已在國內外進行實際應用[6]。

關于分段進水的原水流量分配，GE等[7]通過改造三段分流式A/O工藝，控制每段的流量分配比(體積比，下同)依次為40%∶35%∶25%，出水TN、TP質量濃度從原先的20.8、1.98 mg/L分別降到14.2、0.57 mg/L。BOYLE等[8]則采用四段A/O工藝，控制每段的流量分配比依次為20%∶30%∶25%∶25%，處理效果較好。曹貴華等[9]1252-1256研究改良A/O脫氮除磷工藝，發(fā)現控制四段反應器流量分配比為20%∶35%∶35%∶10%時，COD、氨氮、TN、TP出水質量濃度分別為33.05、0.58、9.26、0.46 mg/L。以上試驗均是從原水進行碳源分流，因而本研究在此基礎上提出了厭氧區(qū)碳源分流。一方面，厭氧區(qū)碳源分流可以使原水中碳源被除磷菌優(yōu)先利用，增強除磷效果；其次，厭氧區(qū)中緩慢降解的COD可以通過厭氧區(qū)反應變成溶解性COD，提升碳源品質；再者，厭氧區(qū)污泥也可以作為一部分碳源供給微生物利用。

注：1～6分別為沿程測量點位;1—厭氧區(qū)；2—缺氧1區(qū)始端；3—好氧1區(qū)始端；4—缺氧2區(qū)始端；5—好氧2區(qū)始端；6—消氧區(qū)。圖1 碳源分流多級A/O分段工藝流程Fig.1 Step-feed A/O system process with flow distribution of carbon source

本研究通過厭氧區(qū)碳源分流多級A/O工藝中試裝置，對某污水處理廠低碳源、高氮磷的生活污水進行處理，考察每段流量分配比、回流方式、污泥負荷對該工藝脫氮除磷的影響，以期得出優(yōu)化運行處理的控制參數，為污水處理廠的升級改造提供理論依據和實際經驗。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

在厭氧區(qū)碳源分流多級A/O中試裝置中進行市政污水處理試驗，工藝流程如圖1所示。預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)(包括缺氧1區(qū)與缺氧2區(qū))、好氧區(qū)(包括好氧1區(qū)與好氧2區(qū))、消氧區(qū)的體積比為1.0∶4.0∶4.8∶6.5∶2.6，總水力停留時間為17 h。

1.2 原水水質與接種污泥

試驗原水取自合肥某污水處理廠旋流沉砂池出水，原水水質指標如表1所示。此外，原水碳氮比(質量比)為6.2，碳磷比(質量比)為70.0。

試驗所用污泥也取自該廠，經過15 d馴化培養(yǎng)后，污泥活性良好。

表1 原水水質指標

1.3 檢測項目與分析方法

常規(guī)檢測項目主要包括：溶解氧(DO)、水溫、pH、氧化還原電位(ORP)、COD以及TN、TP、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和磷酸鹽等，均參考文獻[10]進行測定。DO與ORP、水溫為在線監(jiān)測；pH采用哈希HQ40d便攜式多參數分析儀測定；COD采用快速消解分光光度法測定；硝酸鹽氮及TN均采用紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；亞硝酸鹽氮采用分光光度法測定；TP和磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 試驗運行方案

試驗運行周期較長，在10～25 ℃條件下運行。試驗進水流量控制為2 m3/h，內回流比為200%，污泥回流比為50%。好氧區(qū)采用池底曝氣圓盤進行曝氣，DO質量濃度控制為2.0 mg/L。試驗共分為7個階段，在其他條件不變的情況下，考察各個階段不同流量分配比對污染物的處理情況。各階段的運行模式以及控制參數如表2所示，其中階段Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ為加泥后階段。

2 結果與討論

2.1 流量分配比對處理效果的影響

2.1.1 流量分配比對COD去除效果的影響

由圖2可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水COD平均質量濃度分別為24.7、21.7、53.4、32.9、42.9、28.7、20.8 mg/L，COD去除率為分別為84.4%、88.7%、81.6%、84.6%、82.1%、86.4%、88.0%。除階段Ⅲ外，其余出水均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準(50 mg/L)。在階段Ⅲ，原水分流比為25%∶75%，大部分COD直接流向缺氧2區(qū)，厭氧區(qū)以及缺氧1區(qū)獲得的COD較少，COD消耗不完全，最終隨出水排出，造成出水COD濃度較高。但總體上看，流量分配比對于COD去除效果影響不大，系統(tǒng)對COD具有高效穩(wěn)定的去除能力。

表2 各階段運行模式以及控制參數

注：1)原水分流比基于水流占進水流量的比例計算得出，厭氧區(qū)分流比基于水流占混合液(進水與回流污泥的總和)流量的比例計算得出；2)由于階段V重新?lián)Q泥，屬于污泥馴化階段，因此未對該階段污染物濃度沿程變化進行測量。

圖2 流量分配比對COD去除效果的影響Fig.2 Effect of flow distribution ratios on COD removal efficiency

由圖3可以看出，沿程COD濃度基本呈現下降的趨勢，同時厭氧區(qū)和缺氧區(qū)COD濃度的降低比好氧區(qū)明顯。這可能是原水中的碳源首先進入厭氧區(qū)和缺氧區(qū)用于釋磷和反硝化，接著再流入好氧區(qū)，避免了好氧區(qū)對碳源的無效利用，降低了好氧區(qū)的異養(yǎng)菌對有機物的競爭。由此可體現出厭氧區(qū)碳源分流多級A/O工藝的優(yōu)越性。

圖3 不同階段下COD質量濃度的沿程變化Fig.3 Variation of COD concentrations along the path under different stages

2.1.2 流量分配比對氮去除效果的影響

由圖4可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水氨氮平均質量濃度分別為1.37、0.83、2.80、1.91、0.56、0.85、0.64 mg/L，氨氮去除率分別為95.0%、96.9%、91.0%、93.1%、97.1%、96.8%、96.5%，均符合GB 18918—2002的一級A標準(8 mg/L)。

由圖5可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水TN平均質量濃度分別為21.0、20.9、19.3、18.7、15.4、16.3、14.2 mg/L，TN去除率分別為37.8%、43.1%、47.4%、50.8%、50.1%、50.1%、50.8%。階段Ⅶ的出水符合GB 18918—2002的一級A標準(15 mg/L)。由此可見，流量分配比對氨氮的去除效果影響不大，但對于TN的去除效果有較明顯影響。

圖4 流量分配比對氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of flow distribution ratios on ammonia nitrogen removal efficiency

圖5 流量分配比對TN去除效果的影響Fig.5 Effect of flow distribution ratios on TN removal efficiency

如圖6所示，沿程氨氮濃度總體呈現出下降趨勢。其中，氨氮濃度的下降在厭氧區(qū)最明顯。一方面是由于原水在厭氧區(qū)進行分配，氨氮同樣按照流量分配比分別被分配到各個反應區(qū)中，從而稀釋了氨氮濃度；另一方面是由于回流污泥的不斷稀釋，降低了氨氮濃度。

圖6 不同階段下氨氮質量濃度的沿程變化Fig.6 Variation of ammonia nitrogen concentrations along the path under different stages

系統(tǒng)出水氨氮質量濃度總體上小于2 mg/L(見圖4)，系統(tǒng)硝化容量充足，硝化效果較好，因而TN的去除效果可能主要取決于反硝化效果。從圖7可以看出，對于階段Ⅱ、Ⅲ，脫氮效果較差，主要是由于缺氧1區(qū)中第一級碳源不足，反硝化作用較差，硝酸鹽氮大量積累，導致后續(xù)階段處理效果不佳。階段Ⅵ、Ⅶ處理效果較好，主要是由于缺氧1區(qū)中第一級碳源較為充足，反硝化效果較為徹底。同時由于好氧1區(qū)內回流作用，缺氧1區(qū)的硝酸鹽氮有小部分積累。然而階段Ⅵ在缺氧2區(qū)的碳源含量不足，此時反硝化作用幾乎完全受到抑制；階段Ⅶ則由于從厭氧區(qū)進行分流，缺氧2區(qū)碳源含量較為充足，反硝化作用繼續(xù)進行，進而出水硝酸鹽氮質量濃度在9 mg/L左右，脫氮效果較好。對于階段Ⅵ、Ⅶ，消氧區(qū)的硝酸鹽氮濃度均出現了下降，可能是發(fā)生了內源反硝化作用，即利用微生物自身作為碳源進行反硝化作用，一方面可以降低碳源需求，另一方面也可以實現污泥減量化。

2.1.3 流量分配比對磷去除效果的影響

由圖8可以看出，階段Ⅰ至階段Ⅶ的出水TP平均質量濃度分別為1.58、1.67、1.68、1.67、2.18、0.90、0.89 mg/L，TP去除率分別為40.7%、48.1%、50.4%、56.0%、37.7%、67.3%、58.9%。除階段Ⅴ外，其他階段在厭氧區(qū)所去除的TN依次占進水TN的34.0%(質量分數，下同)、21.6%、27.6%、28.0%、15.7%、13.9%。由于回流污泥中的硝酸鹽氮濃度較高，厭氧區(qū)反硝化菌優(yōu)先于聚磷菌利用原水中的碳源進行反硝化作用，進而導致用于厭氧釋磷的碳源量減少，抑制厭氧釋磷過程，進而影響整個系統(tǒng)的除磷效果。階段Ⅵ和Ⅶ去除效果最好，可能正是厭氧區(qū)反硝化量相對較低的結果。溫度較低可能也是造成系統(tǒng)整體除磷效果不佳的原因之一。溫度較低導致聚磷菌活性降低，污泥最大釋磷速率以及最大缺磷速率均有所下降，進而抑制除磷效果[11]。根據相關研究，縮短并控制污泥齡在8～12 d可以有效提高除磷效果[12]10-11,[13-14]。一方面，較短污泥齡的污泥生物活性較高，體內含磷水平較高，因此除磷效果較好；另一方面，由于除磷菌屬于短泥齡異養(yǎng)微生物，通過排出富磷污泥實現除磷，因此污泥齡越短，剩余污泥的排放量越大，相應的除磷效果就越好。而本試驗中的污泥齡普遍在20 d以上，導致系統(tǒng)的除磷效果不理想。

圖7 不同階段下硝酸鹽氮質量濃度的沿程變化Fig.7 Variation of nitrate nitrogen concentrations along the path under different stages

圖8 流量分配比對TP去除效果的影響Fig.8 Effect of flow distribution ratios on TP removal efficiency

通過圖9可分析不同階段下磷酸鹽的沿程變化情況。磷酸鹽濃度大體上在厭氧區(qū)下降最快。階段Ⅵ、Ⅶ整體除磷效果較好，主要是由于聚磷菌在厭氧區(qū)有相對充足的碳源進行厭氧釋磷[12]8-9。同時，隨著厭氧釋磷量的增加，好氧吸磷量也隨之增加，TP去除效果得到提高。其中，最大厭氧釋磷率為448%，該結論與曹貴華等[9]1254-1255得出的415%和GE等[15]得出的495%接近。因此，通過調整流量分配比以及內回流比等參數，控制厭氧區(qū)硝酸鹽氮濃度，可以在保持TN較優(yōu)處理基礎上，提高TP的去除效果。

圖9 不同階段下磷酸鹽質量濃度的沿程變化Fig.9 Variation of phosphate concentrations along the path under different stages

從圖9還可以發(fā)現，各階段在缺氧區(qū)基本均發(fā)生了一定程度的除磷，可能是反硝化除磷菌利用硝酸鹽氮作為電子供體進行反硝化除磷；同時當流量分配比為75%∶25%時，系統(tǒng)反硝化除磷效果較好。

2.2 內回流位置對處理效果的影響

控制階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的內回流位置在消氧區(qū)，階段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的內回流位置在好氧1區(qū)末端，分別考察氨氮、硝酸鹽氮、磷酸鹽質量濃度的沿程變化情況。內回流通過回流大量含有硝酸鹽氮的硝化液至缺氧1區(qū)，便于在缺氧區(qū)進行以硝酸鹽氮為電子受體的反硝化作用。

通過圖10可以看出，內回流位置對氨氮處理效果影響不大，內回流位置在好氧1區(qū)末端或者在消氧區(qū)，氨氮沿程濃度相差不大。內回流位置在消氧區(qū)的反硝化效果較好，可能是內回流位置在好氧1區(qū)末端時，混合液中硝酸鹽氮濃度不足，無法提供足夠的電子受體進行反硝化作用，導致反硝化效果不佳。磷酸鹽濃度在缺氧區(qū)(尤其是缺氧1區(qū))出現下降，一方面可能是由于混合液的稀釋作用，另一方面可能是由于反硝化除磷作用。內回流位置在消氧區(qū)相比在好氧1區(qū)末端磷酸鹽下降的幅度更大，說明內回流位置在消氧區(qū)對于整體除磷有更大的幫助。

圖10 不同內回流位置對污染物沿程質量濃度的影響Fig.10 Effect of different internal reflux positions on pollutant concentrations

2.3 進水污泥負荷對處理效果的影響

2.3.1 進水污泥負荷對COD處理效果的影響

由圖11可以看出，進水COD污泥負荷主要集中于0.1～0.4 kg/(kg·d)，總體負荷較低，COD去除率基本穩(wěn)定在90%，同時出水COD濃度隨著進水COD污泥負荷的增加而增加。當進水COD污泥負荷接近0.5 kg/(kg·d)時，出水COD質量濃度基本上仍小于50 mg/L，說明進水COD污泥負荷還有一定的提升空間，可以通過縮短水力停留時間以及處理更高濃度碳源的污水實現COD污泥負荷的提升。

圖11 進水COD污泥負荷對COD處理效果的影響Fig.11 Effect of influent COD loads on COD removal efficiency

2.3.2 進水污泥負荷對氨氮處理效果的影響

由圖12可知，進水氨氮污泥負荷主要集中在0.01～0.05 kg/(kg·d)，同時出水氨氮濃度隨著進水氨氮污泥負荷的增加而增加。研究進水氨氮負荷與氨氮去除率的關系發(fā)現，進水氨氮污泥負荷為0.05 kg/(kg·d)為系統(tǒng)的去除拐點：當進水氨氮<0.05 kg/(kg·d)時，總體處理效果較好，系統(tǒng)出水氨氮質量濃度基本小于4 mg/L，去除率在90%以上；當進水氨氮≥0.05 kg/(kg·d)時，去除率隨著氨氮污泥負荷的增加而下降。然而，當進水氨氮污泥負荷接近0.09 kg/(kg·d)時，系統(tǒng)氨氮出水質量濃度仍舊低于8 mg/L，可見進水氨氮污泥負荷仍舊有很大的提升空間。

圖12 進水氨氮污泥負荷對氨氮處理效果的影響Fig.12 Effect of influent ammonia nitrogen loads on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3.3 進水污泥負荷對TN處理效果的影響

由圖13可以看出，進水TN污泥負荷主要集中在0.018～0.088 kg/(kg·d)，同時出水TN濃度隨著進水TN污泥負荷的增加而增加。研究進水TN污泥負荷與TN去除率的關系可以發(fā)現，進水TN污泥負荷為0.040 kg/(kg·d)為系統(tǒng)的去除拐點：當進水TN<0.040 kg/(kg·d)時，系統(tǒng)去除率隨著進水TN污泥負荷的增加而增加；當進水TN≥0.040 kg/(kg·d)時，去除率則隨著TN污泥負荷的增加而下降。當進水TN污泥負荷在拐點附近時，出水TN濃度較低，因此控制進水TN污泥負荷在0.040 kg/(kg·d)，能得到較好的TN去除效果。

圖13 進水TN污泥負荷對TN處理效果的影響Fig.13 Effect of influent TN loads on TN removal efficiency

2.3.4 進水污泥負荷對TP處理效果的影響

由圖14可以看出，TP污泥負荷主要集中在0.002～0.003 kg/(kg·d)。隨著TP污泥負荷的不斷增加，出水TP濃度也隨之增加，但是TP去除率與TP污泥負荷之間并沒有明顯的關系。

圖14 進水TP污泥負荷對TP處理效果的影響Fig.14 Effect of influent TP loads on TP removal efficiency

3 結 論

(1) 采用厭氧區(qū)碳源分流多級A/O工藝處理低碳、高氮磷市政污水，得到系統(tǒng)最優(yōu)流量分配比為厭氧區(qū)分流75%∶25%，該工況下最終出水COD、氨氮、TN、TP濃度分別為20.8、0.64、14.2、0.89 mg/L，基本滿足GB 18918—2002一級A標準。

(2) 流量分配比對COD、氨氮去除效果基本沒有影響，對TN、TP去除效果影響較大。

(3) 內回流位置在消氧區(qū)更有利于處理效果的提升。

(4) 進水COD以及氨氮污泥負荷還有很大的提升空間，控制TN污泥負荷為0.040 kg/(kg·d)對TN的處理效果較好。

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