李 權(quán)，王少坡，王舜和，李博洋，張鵬達，孫力平

（1.天津城建大學(xué) 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津 300384；2.天津市市政工程設(shè)計研究院第一設(shè)計研究院，天津 300051）

污水中的氮元素與磷元素是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素[1].在各類脫氮除磷方法中，活性污泥法的污水處理工藝以其較簡單的組成和操作，并且在較低的成本下，能夠達到滿意的脫氮除磷效果而被廣泛采用[2].但是，隨著污水排放標準的提高，現(xiàn)有的傳統(tǒng)活性污泥法污水處理工藝很難達到新的出水水質(zhì)標準；并且，當前污水處理工藝普遍存在能耗高的現(xiàn)象，這無疑成為污水處理廠良好運營的負擔[3].因此，對現(xiàn)有的工藝進行改造或者開發(fā)新型脫氮除磷技術(shù)勢在必行[4-6].

隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，連續(xù)流過濾技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)更加完善[7]，為膜生物反應(yīng)器（MBR）的推廣提供了基礎(chǔ)條件.MBR具有出色的泥水分離能力，可以使剩余污泥排放量減少至傳統(tǒng)活性污泥法的66.7%，有實例表明[8]：在3個月甚至2年的運行期內(nèi)可以不排泥，減少了污泥處理費用.因此，國內(nèi)已有MBR耦合現(xiàn)有污水處理工藝的研究與應(yīng)用[9-11]，如采用A/O、A2/O等工藝耦合MBR；但是，目前國內(nèi)對分段進水多級A/O工藝耦合MBR的組合工藝研究不多.分段進水多級A/O工藝相對于同體積推流系統(tǒng)，具有較長污泥停留時間（SRT）；無需硝化液回流；缺氧區(qū)反硝化產(chǎn)生的堿度可以補充下一段好氧區(qū)堿度的消耗，降低了污水處理中的成本[12].有研究表明：分段進水多級A/O工藝的好氧區(qū)有利于同步硝化反硝化反應(yīng)的發(fā)生，缺氧區(qū)可以允許反硝化除磷菌的生長，可以進一步提高對氮、磷的去除率[13].因此，本試驗以分段進水多級A/O耦合MBR工藝為對象，以人工配水為原水，考察不同C/N對該組合工藝脫氮除磷性能的影響，并分析其原因.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

多級A/O耦合MBR工藝裝置如圖1所示.

采用分段進水四級A/O（缺氧/好氧），后置MBR（膜生物反應(yīng)池）.裝置長165 cm，寬55 cm，深50 cm；有效容積300 L，設(shè)計處理量0.5 m3/d.沿水流方向設(shè)置四級A/O池，每一級A段（缺氧區(qū)）與O段（好氧區(qū)）通過隔板下端孔口聯(lián)通.相鄰兩級O段與A段通過擋板上端孔口聯(lián)通，并且這些孔口沿水流方向從首端到膜組件池的相對高程依次下降，使得污水在處理過程中自流進入下一個生物池.原水從每級A段進入生物池，經(jīng)過四級A/O生物池后，自流入尾端MBR池，經(jīng)膜過濾后出水.

1.2 試驗水質(zhì)

本試驗工藝所接種的污泥取自天津市某污水廠二沉池回流井，該污水處理廠采用分段進水多級A/O的污水處理工藝.試驗過程中所用原水采用人工配水，由提升泵抽取原水，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計泵入各缺氧池.試驗配水水質(zhì)如表1所示，并根據(jù)需求補充堿度.

表1 試驗原水水質(zhì)

1.3 水樣檢測與方法

1.4 試驗運行方式

本試驗采用四級A/O且四段進水的運行方式，4個缺氧池體積不變，4個好氧池的體積逐級遞增；好氧池內(nèi)污泥濃度（MLSS）2 500～4 500 mg/L，沿水流方向污泥濃度逐級遞減；缺氧段、好氧段的溶解氧（DO）分別控制在 0～0.5，0.5～3.0 mg/L；考慮到膜通量，水力停留時間（HRT）為15 h；試驗采用零排泥的運行方式；以葡萄糖為碳源，以碳酸氫銨為氮源，通過調(diào)整配水，使原水C/N保持在4～7、8～12兩個工況，待每個工況穩(wěn)定后，連續(xù)運行30 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 進水C/N對氮污染物去除的影響

在C/N=4～7，8～12兩個階段內(nèi)，該污水處理組合工藝對氮污染物去除效果如圖2-3所示.

圖2 兩種C/N工況下出水TN對比

圖3 兩種C/N工況下出水NH 對比

由圖2可以看出：在C/N為8～12時，該周期內(nèi)15 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)中TN去除率高于90%的為11 d；出水中TN濃度全部低于15 mg/L，滿足GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[14]中一級A的出水水質(zhì)；當C/N下調(diào)到4～7時，15 d的監(jiān)測周期內(nèi)TN去除率大于90%的為2 d，大于80%的為10 d，且此時出水TN濃度小于8 mg/L的保證率為80%.由此可見，此時出水TN濃度仍能優(yōu)于國家一級A的出水水質(zhì)要求.

由圖3可以看出：相對于C/N對該系統(tǒng)去除TN的影響，其對的去除影響較小，且兩種C/N運行工況下的出水濃度小于3 mg/L的保證率分別為73.33%、86.67%.由此表明，C/N在4～12時該系統(tǒng)可以有效地去除氮污染物.

鄺斌宇等[15]在AO－MBR的組合工藝研究中得出，與TN的去除率分別為99.1%、75.8%；熊凱波[8]在A2O-MBR的工藝組合試驗中得出，與TN 的去除率分別為94.7%、78.5%.本試驗中，在C/N=8～12，4～7 的條件下的平均去除率分別為95.51%、97.14%，TN的平均去除率分別為89.26%、84.73%.通過比較可以看出，本試驗所采用的組合工藝相對于前兩者的組合形式而言，對氨氮的去除效果相似，但是對TN的去除率有很大的提升.原因在于分段進水多級A/O工藝自身強化脫氮的特性所致[16]；并且多級A/O系統(tǒng)內(nèi)微生物連續(xù)交替處于“飽食”和“饑餓”兩種狀態(tài)中，在這種非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境中，刺激微生物保持較高的活性，從而能更有效地去除污染物[17]；另外，工藝中所耦合的MBR相較于二沉池對污泥具有更優(yōu)異的截留效果，這為延長污泥齡提供了條件，有助于實現(xiàn)零排泥.因此，隨著運行時間的延續(xù)，硝化菌與反硝化菌在污泥系統(tǒng)內(nèi)所占比例逐漸增加，使得該系統(tǒng)對氮污染物的去除能力較強[18].不僅如此，已有試驗表明，在多級A/O的好氧區(qū)有利于發(fā)生同步硝化反硝化反應(yīng)，而該反應(yīng)有利于進一步提高脫氮效率[19].

2.2 進水C/N對磷污染物去除的影響

在C/N=4～7，8～12兩個階段內(nèi)，該污水處理組合工藝對磷污染物去除效果見圖4.由圖4可以看出：在C/N為8～12時，系統(tǒng)在無化學(xué)除磷的幫助下仍能達到較好的除磷效果，出水中TP濃度均在0.5 mg/L以內(nèi)，滿足新標準[14]中一級A的水質(zhì)要求；而C/N為4～7時，在監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時間的推移，出水中TP的濃度逐漸升至2.47 mg/L，此時TP去除率低至54.82%.

圖4 兩種C/N工況下出水TP對比

造成這種變化的原因主要在于：在C/N降低情況下，系統(tǒng)脫氮效率下降，使得硝態(tài)氮濃度有所提升，在污泥回流的同時硝態(tài)氮隨混合液回流入缺氧段，破壞了厭氧環(huán)境，使得聚磷菌釋磷不完全，進而使其無法在好氧區(qū)充分吸磷[20]；另外，微生物除磷還可以通過反硝化除磷方式去除，有文獻表明[21]：當C/N在10～20范圍內(nèi)時，對反硝化除磷具有明顯的促進作用，所以此時較低的C/N是導(dǎo)致磷去除率下降的原因之一；此外，已有對MBR工藝進行升級改造的研究表明[22]，當C/N下降后，需要通過添加碳源與除磷藥劑來保證出水TP低于0.3 mg/L.

2.3 進水C/N對有機污染物去除的影響

兩種C/N工況下出水COD對比如圖5所示.由圖5可知：在C/N=8～12時，進水COD平均濃度為462.11 mg/L，出水COD平均濃度為17.94 mg/L，平均去除率96.12%，此時的出水全部滿足新標準[14]中一級A出水水質(zhì)，且86.67%的出水中低于30 mg/L（Ⅳ類水體中的COD水質(zhì)標準）；而在C/N=4～7時，進水COD平均濃度為260.30 mg/L，出水COD平均濃度為20.64 mg/L，平均去除率91.30%，雖然此時出水COD全部滿足文獻[14]中一級A的出水水質(zhì)，但僅有73.33%的出水中COD低于30 mg/L，比C/N為8～12時的出水水質(zhì)稍有下降.

圖5 兩種C/N工況下出水COD對比

兩種C/N工況下，該系統(tǒng)對COD的去除略有不同的原因為：也有研究表明[23]，當進水COD濃度高于350 mg/L時，混合液內(nèi)脫氮除磷的功能菌活性較高，因此當C/N下調(diào)后，系統(tǒng)內(nèi)的脫氮除磷菌活性降低，對碳源的利用率下降，導(dǎo)致出水COD濃度略微增大.

3 結(jié)論

（1）C/N在4～12時，分段進水多級A/O耦合MBR組合工藝對以及COD污染物的去除效果穩(wěn)定，均優(yōu)于GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A出水水質(zhì)標準.

（2）該組合工藝的污水處理能力具有達到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類水體水質(zhì)標準的潛力，通過進一步工況優(yōu)化，能夠滿足下一輪污水處理廠提標改造的要求.

（3）當原水 C/N由8～12降至4～7后，工藝對TP的去除效果逐漸惡化，為了保證該組合工藝的除磷效果，可考慮輔以化學(xué)除磷的方式，優(yōu)化出水，以其滿足一級A出水水質(zhì)標準.