姚 昕,劉紹根,葉秋月,左玉春

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境能源工程學(xué)院，合肥 230601 )

近幾十年來，氮磷的大量排放使得水體富營養(yǎng)化問題日益加劇，隨著城鎮(zhèn)污水處理廠對氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，有效控制水體富營養(yǎng)化增強(qiáng)脫氮除磷技術(shù)成為了污水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-4]。A2/O工藝是我國傳統(tǒng)污水處理廠應(yīng)用較為廣泛的生物脫氮除磷工藝，但是該工藝存在許多問題亟待解決，例如回流污泥中攜帶的硝酸鹽及溶解氧會(huì)對厭氧池中厭氧環(huán)境造成破壞。此外，缺氧池中聚磷菌、反硝化菌和硝化菌等功能微生物生長在同一系統(tǒng)中存在碳源競爭關(guān)系，由于它們的最大世代周期存在較大差異，造成脫氮與除磷之間相互限制[5-6]。因此，針對傳統(tǒng)A2/O工藝存在的缺點(diǎn)，學(xué)者對A2/O工藝進(jìn)行改造提出了倒置A2/O工藝，污水首先進(jìn)入缺氧段，使得反硝化細(xì)菌能夠充分利用碳源進(jìn)行反硝化，脫氮能力顯著增強(qiáng)，并減少硝酸鹽對厭氧區(qū)聚磷菌釋磷的影響，回流污泥經(jīng)過厭氧好氧環(huán)境有利于聚磷菌厭氧釋磷好氧吸磷提高細(xì)菌對磷的吸收[7-9]。與傳統(tǒng)A2/O工藝相比，倒置A2/O組合工藝具有能耗低、脫氮除磷效率高、工藝流程簡單、基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)營成本低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。而生物絮凝吸附工藝是利用活性污泥對有機(jī)污染物的初期吸附作用，去除污水中懸浮及膠體形態(tài)的污染物，并存在少量的生物代謝作用，因此絮凝吸附污泥表面含有大量的被吸附的容易被水解酸化菌利用的有機(jī)物[13]。本試驗(yàn)中污水先經(jīng)過生物絮凝池去除一部分難溶性有機(jī)物，以減輕后續(xù)生化池的負(fù)擔(dān)，同時(shí)收集絮凝池的污泥，用作水解酸化的底泥，并在后面的缺氧池和厭氧池中投加水解酸化液，為脫氮除磷提供碳源。生化處理工藝則采用倒置A2/O工藝。

本研究探究了好氧池不同水力停留時(shí)間與生物絮凝吸附區(qū)活化污泥回流比這兩個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)對生物絮凝吸附倒置A2/O組合工藝對實(shí)際校園生活污水脫氮除磷的影響以及尋找該工藝穩(wěn)定運(yùn)行和脫氮除磷最佳運(yùn)行方式，以期為該組合工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用與推廣提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式

本試驗(yàn)采用的裝置如圖1所示。其中絮凝吸附區(qū)進(jìn)水量為10 L/h，水力停留時(shí)間為30 min，污泥齡設(shè)置為3 d，沉降時(shí)間為30 min，回流比設(shè)置為40%。水解酸化反應(yīng)器水力停留時(shí)間為6 h，污泥濃度為5.5～6.5 g/L，溫度為20～35 ℃，污泥齡為3 d。倒置A2/O 工藝運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

圖1 生物絮凝吸附—倒置A2/O組合反應(yīng)器裝置流程圖

表1 倒置 A2/O 工藝運(yùn)行參數(shù)

1.2 試驗(yàn)用水及接種污泥

本試驗(yàn)用水為合肥某高校內(nèi)實(shí)際生活污水，接種污泥取自合肥市某生活污水處理廠，試驗(yàn)期間污水水質(zhì)指標(biāo)變化及出水標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì) mg/L

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1常規(guī)指標(biāo)分析

試驗(yàn)所需進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測的項(xiàng)目及檢測方法均按照國家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中規(guī)定的方法進(jìn)行測定[14]。主要檢測項(xiàng)目及分析檢測方法如表3所示。

表3 水質(zhì)指標(biāo)檢測項(xiàng)目及測試方法

1.3.2試驗(yàn)方法

首先調(diào)整不同的HRT參數(shù)，每隔7 d調(diào)整一次HRT參數(shù)(工況1：5 h，工況2：7 h，工況3：8 h)，并且每天對該組合工藝進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測。運(yùn)行21 d后通過分析該組合工藝在不同HRT參數(shù)下對COD、氨氮、TN、TP的去除效果確定該組合工藝最佳HRT運(yùn)行參數(shù)。由于影響生物絮凝吸附工藝的主要參數(shù)包括活化水力停留時(shí)間、絮凝時(shí)間、氣水比、活化污泥回流比等[15]，所以在最佳HRT運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步調(diào)整該組合工藝不同活化污泥回流比(工況1：20%，工況2：40%，工況3：60%)，每隔7 d 調(diào)整一次，并且每天對該組合工藝進(jìn)出水以及絮凝池出水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測。最后通過分析該組合工藝?yán)^續(xù)運(yùn)行21 d以來在不同活化污泥回流比參數(shù)下對COD、氨氮、TN、TP的去除效果確定該組合工藝最佳活化污泥回流比運(yùn)行參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 好氧池HRT對組合工藝去除污染物能力的影響

2.1.1好氧池HRT對COD的去除效果

在反應(yīng)器運(yùn)行過程中，每天生活污水中COD濃度相差較大，進(jìn)水COD濃度范圍為124.45～235.23 mg/L(見圖2)。在不同HRT條件下，反應(yīng)器對COD能夠保持較高去除效率。在HRT分別為5，7，8 h時(shí)，平均出水COD濃度分別為20.69，17.76，17.44 mg/L，均能達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。平均去除率分別為90.02%、90.98%、89.94%。3種不同HRT對比研究發(fā)現(xiàn)，HTR對COD的去除影響不大，推測可能是因?yàn)樵谏镄跄絽^(qū)微生物對COD進(jìn)行了大量的降解以及反硝化細(xì)菌與聚磷菌對碳源的消耗，因此好氧池對COD的去除較少。

圖2 HRT對COD的去除效果影響

2.1.2好氧池HRT對氨氮的去除效果

從圖3可以看出，不同HRT對氨氮的去除影響較明顯。3種不同工況下出水氨氮平均濃度分別為4.51，1.17，1.00 mg/L，平均去除效率分別為85.52%、96.02%、96.64%。與工況1(HRT=5 h)相比，工況2(HRT=7 h)與工況3(HRT=8 h)具有更高的去除率，出水能穩(wěn)定達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。而HRT為8 h時(shí)與HRT為7 h時(shí)對氨氮去除效果相差不大。氨氮的去除主要依賴于好氧池內(nèi)溶解氧濃度與HRT。在一定范圍內(nèi)，水力停留時(shí)間越長，在曝氣充足的情況下污水中的氨氮能夠很好地被去除[16]。由于試驗(yàn)一開始控制不同HRT參數(shù)而保持溶解氧濃度不變，觀察到當(dāng)工況1切換到工況2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間延長，能夠使得硝化過程充分進(jìn)行。

圖3 HRT對氨氮的去除效果影響

2.1.3好氧池HRT對TN去除效果

不同HRT對TN的去除效果影響如圖4所示，從圖4中容易發(fā)現(xiàn)，工況1出水TN濃度波動(dòng)比較小，出水濃度范圍為13.48～14.84 mg/L。而工況2與工況3出水TN濃度波動(dòng)比較大，出水TN濃度范圍分別為10.35～14.84 mg/L、10.16～13.77 mg/L。3種不同工況下對TN的平均去除效率分別為66.97%、71.34%、72.69%。工況1運(yùn)行條件下TN去除效果低于工況2與工況3。當(dāng)HRT從工況2進(jìn)入工況3時(shí)，去除效率稍微提高，平均出水TN濃度減少了0.83 mg/L。

圖4 HRT對TN的去除效果影響

在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行過程中，相比較工況1，在工況2條件下TN去除效率更高，而相比較于工況2，在工況3運(yùn)行條件下不會(huì)顯著提高TN去除效率。這主要是因?yàn)樵谌毖醭刂杏行荚磾?shù)量有限的情況下，反硝化強(qiáng)度不僅與HRT有關(guān)，還與溫度有關(guān)，即使水力停留時(shí)間較長，TN去除率也不會(huì)有很大提高。

2.1.4好氧池HRT對TP去除效果

如圖5所示，在不同HRT運(yùn)行條件下組合工藝對TP的去除影響較大。3種不同工況下出水TP范圍為0.37～0.96 mg/L。隨著HRT增加，組合工藝對TP的去除率出現(xiàn)先增加后減少的趨勢。其中當(dāng)HRT為5 h時(shí)，組合工藝對TP去除效率最低，平均去除率為76.55%，出水TP范圍為0.69～0.96 mg/L。當(dāng)HRT為7 h時(shí)，組合工藝對TP去除效率最佳，平均去除率為87.73%，出水TP濃度范圍為0.37～0.53 mg/L，基本上達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。與HRT為5 h相比，除磷效果明顯提高，推測是由于好氧池中聚磷菌大量吸收磷需要的反應(yīng)時(shí)間比較長。繼續(xù)增加HRT為8 h時(shí)，組合工藝對TP的平均去除效率為84.6%，出水TP濃度范圍為0.37～0.63 mg/L。出水TP的去除率較工況2有所降低。這主要是因?yàn)槠貧鈺r(shí)間長對厭氧釋磷有負(fù)面影響，進(jìn)而影響好氧條件下磷的吸收過程，以上研究結(jié)果表明當(dāng)HRT為7 h時(shí)，組合工藝對TP的去除效果最佳，而相比較工況2在工況3運(yùn)行條件下并不會(huì)提高組合工藝對TP的去除效率。

圖5 HRT對TP的去除效果影響

2.2 活化污泥回流比對組合工藝去除污染物能力的影響

2.2.1活化污泥回流比對COD的去除效果

從圖6可以看出，在活化污泥回流比分別為20%、40%、60%條件下，盡管進(jìn)水COD濃度范圍不穩(wěn)定變化幅度較大，但3種不同污泥回流比對COD平均去除率都在89.75%以上，去除效果較好。出水COD濃度范圍為11.09～20.83 mg/L，均優(yōu)于城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。從圖6中可以看出，生物絮凝吸附池降解了大量的COD，并且隨著污泥回流比的上升，生物絮凝吸附池降解COD濃度在提高。主要原因是隨著污泥回流比的增加，在絮凝池內(nèi)微生物量不斷增加，因此對COD降解得更快。同時(shí)隨著污泥回流比的增加，組合工藝對COD的去除效果差別不大都能夠保持較高的去除效率，3種工況下對COD平均去除率分別為92.15%、91.31%、92.96%。

圖6 污泥回流比對COD的去除效果影響

2.2.2活化污泥回流比對氨氮的去除效果

3種工況下組合工藝對氨氮的平均去除率分別為96.26%、96.99%、96.98%，平均出水氨氮濃度分別為1.12，0.89，0.93 mg/L(見圖7)，處理效果較好，均穩(wěn)定達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，從圖7中不難發(fā)現(xiàn)絮凝池對氨氮處理效果影響不大，但隨著回流比增加絮凝池對氨氮去除效率增加，3種工況下絮凝池對氨氮的平均去除效率分別為9.9%、14.5%、16.8%。研究結(jié)果表明，污泥回流比變化不會(huì)影響組合工藝對氨氮的去除效果，只會(huì)影響絮凝池對氨氮去除，可能是因?yàn)楹醚醭貎?nèi)硝化細(xì)菌豐度豐富，回流污泥中硝化細(xì)菌從好氧池回流到絮凝池促進(jìn)了對氨氮的去除。

圖7 污泥回流比對氨氮的去除效果影響

2.2.3活化污泥回流比對TN的去除效果

3種不同回流比情況下，組合工藝對TN去除效果如圖8所示，在回流比為20%時(shí)，TN去除效果最差，平均去除率為68.5%，出水TN范圍在10.12～14.83 mg/L；當(dāng)回流比為40%時(shí)，氨氮去除效果最好，平均去除率為71.23%，出水TN濃度在10.31～14.69 mg/L，符合城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)；再將污泥回流比增加到60%，TN去除率卻平均下降了1.41%，可能是由于從好氧池回流的活化污泥增加導(dǎo)致部分溶解氧進(jìn)入缺氧池，從而對反硝化脫氮產(chǎn)生不利影響。此外，隨著活化污泥回流比增大，絮凝池對TN去除效率增加，3種工況下絮凝池對TN平均去除效率分別為7.6%、12.68%、13.68%。以上結(jié)果表明，活化污泥回流比的增加對系統(tǒng)整體的TN去除效果影響不大，但會(huì)提高絮凝池對TN的去除效率，主要是因?yàn)榛亓魑勰嘀写嬖谙鯌B(tài)氮在絮凝池缺氧環(huán)境中有利于對TN的去除。由于倒置A2/O工藝缺氧段位于工藝之首，回流污泥的增加在碳源充足的情況下對TN的去除影響很小。同時(shí)污泥回流比不宜過大，過大的污泥回流比會(huì)攜帶大量溶解氧進(jìn)入缺氧池降低脫氮效率并增加操作運(yùn)行消耗成本。

圖8 污泥回流比對TN的去除效果影響

2.2.4活化污泥回流比對TP的去除效果

組合工藝在不同工況下對TP的去除效果如圖9所示，3種回流比情況下，對TP都能夠保持較高的去除率。當(dāng)污泥回流比為20%時(shí)，組合工藝對TP的平均去除率為87.98%，出水TP濃度范圍為0.27～0.5 mg/L；污泥回流比為40%時(shí)，組合工藝對TP的平均去除率為87.49%，出水TP濃度范圍為0.39～0.58 mg/L；當(dāng)污泥回流比為60%時(shí)，組合工藝對TP的平均去除率相比回流比為40%時(shí)只提高了0.71%。此外，隨著污泥回流比的增加絮凝池對TP的去除效率逐漸增加，3種工況下絮凝池對TP的去除率分別為17.61%、21.04%、22.99%，這一變化影響趨勢與對TN的去除相似。

圖9 污泥回流比對TP的去除效果影響

3 結(jié)論

在整個(gè)組合系統(tǒng)運(yùn)行過程中，COD的去除效果均比較好，平均去除率達(dá)到90%以上。當(dāng)HRT由5 h增加到7 h時(shí)，組合工藝對氨氮、TN、TP的平均去除率都有所提高，再將HRT進(jìn)一步提高到8 h時(shí)，氨氮、TN的去除率沒有明顯變化，但是TP的去除率卻從87.73%下降為84.67%，這可能是因?yàn)榛钚晕勰嘣诤醚醭仄貧鈺r(shí)間過長，導(dǎo)致回流的活化污泥對后面厭氧釋磷產(chǎn)生干擾。

活化污泥回流比從20%增加到60%，組合系統(tǒng)對COD、氨氮、TP的平均去除率影響不大。只有當(dāng)回流比從20%增加到40%時(shí)，TN的平均去除率從68.50%增加到71.23%。研究結(jié)果表明活化污泥回流比的增加對組合系統(tǒng)整體的去除效果沒有太大的影響，但會(huì)增加絮凝池對污染物的去除效果。

考慮到組合工藝對污水處理效果以及經(jīng)濟(jì)成本等問題，組合工藝最優(yōu)運(yùn)行操作參數(shù)HRT采用7 h，污泥回流比采用40%。