懸浮好氧生物膜A2O工藝處理城市污水的試驗(yàn)研究

王建華，彭永臻，陳永志

(北京工業(yè)大學(xué) 水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100124)

傳統(tǒng)A2O工藝因其具有同步去除有機(jī)物、氮和磷元素且總水力停留時(shí)間短、不易發(fā)生污泥膨脹、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)污水處理廠(chǎng)最常見(jiàn)的同步脫氮除磷工藝之一。但該工藝也存在弊端，如脫氮除磷過(guò)程發(fā)生在同一體系中，即硝化菌、反硝化菌和聚磷菌生活在同一個(gè)環(huán)境里，這必將引起反硝化菌與聚磷菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)尤其是硝化菌與聚磷菌污泥齡的矛盾問(wèn)題[1-5]。針對(duì)傳統(tǒng) A2O工藝存在的缺陷，本試驗(yàn)將好氧段加入適量的生物填料，使硝化細(xì)菌能夠附著在填料上，提高硝化效率，因其硝化作用主要發(fā)生在生物膜上，這樣就可以通過(guò)降低A2O工藝中活性污泥的污泥齡從而提高除磷率但又不影響硝化作用，進(jìn)而解決了硝化菌與聚磷菌污泥齡矛盾的問(wèn)題[6-10]。添加生物填料于好氧段可以縮短好氧段的停留時(shí)間，用以延長(zhǎng)厭氧段和缺氧段的停留時(shí)間這有利于厭氧釋磷和缺氧反硝化和除磷作用，提高了除磷效率[11-16]。本文作者在A2O工藝基礎(chǔ)上，研究了懸浮好氧生物膜A2O工藝在不同碳氮比以及硝化液回流比系統(tǒng)的脫氮除磷性能，同時(shí)考察了改裝后工藝處理低碳氮比生活污水時(shí)最佳旁流比，為實(shí)現(xiàn)已建污水處理廠(chǎng)的改造、優(yōu)化與升級(jí)，以及低碳氮比條件下污水的深度脫氮除磷提供了有效的理論依據(jù)。為解決硝化菌與聚磷菌置于同一環(huán)境中污泥齡矛盾這一問(wèn)題提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和運(yùn)行工況

懸浮好氧生物膜A2O工藝系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1，該工藝采用活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的雙污泥系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置包括進(jìn)水水箱、A2O反應(yīng)器、二沉池和出水水箱。主體反應(yīng)器都是由有機(jī)玻璃制成，其中A2O由9個(gè)格室構(gòu)成，總有效容積是30.5 L，第1、第2格室是厭氧區(qū)，隨后的3個(gè)格室是缺氧區(qū)，剩余的4個(gè)格室是好氧區(qū)，即厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比是2:3:4。A2O的進(jìn)水平均溫度為21 ℃，進(jìn)水量為3.8 L/h，相應(yīng)的水力停留時(shí)間為 8 h，好氧段溶解率控制在 3 mg/L左右。污泥質(zhì)量濃度約為3.5 g/L左右，污泥齡為15 d，污泥回流為100%，二沉池有效容積為21 L。進(jìn)水量、硝化液回流量、污泥回流量均由蠕動(dòng)泵控制。A2O好氧段填充聚乙烯蜂窩式填料，其體積約占好氧段的30%。水箱進(jìn)水經(jīng)A2O系統(tǒng)、二沉池由重力作用流入到最終水箱，好氧段硝化液經(jīng)蠕動(dòng)泵打入到缺氧段。

1.2 試驗(yàn)用水和測(cè)試方法

試驗(yàn)用水取自北京工業(yè)大學(xué)家屬區(qū)所排放的實(shí)際生活污水，試驗(yàn)過(guò)程中適量添加乙酸鈉對(duì)原水 COD進(jìn)行調(diào)節(jié)，其水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)情況Table 1 Main characteristics of influent

圖1 懸浮好氧生物膜A2O工藝系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of aerobic biofilm A2O system

2 結(jié)果與討論

2.1 不同COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下出水硝態(tài)氮及TN去除率的變化

圖2給出了A2O工藝在平均COD與總氮質(zhì)量濃度比x為3.6的條件下，硝化液回流比分別是100%，200%，300%時(shí)缺氧區(qū)出水和最終出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度以及總氮去除率的變化情況。由圖2可知：3種硝化液回流比條件下雖然缺氧段出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度相差較大，但最終出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度相差不多，其平均值分別為18.59，18.6和19.36 mg/L。而缺氧出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度由于硝化液回流比的增加而增加，這是因?yàn)橄趸夯亓鞅仍礁?，進(jìn)入到缺氧區(qū)的氧氣量增大，就會(huì)消耗更多的碳源，使得反硝化不完全。同時(shí)也說(shuō)明：在此條件下，硝化液回流比的增加并不能降低出水硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度，這主要是由于進(jìn)水碳源太低，加之二沉池回流到厭氧區(qū)的硝態(tài)氮很高，高質(zhì)量濃度的硝化液使得厭氧釋磷不充分，缺氧區(qū)碳源缺乏又使得缺氧反硝化不完全。

圖2 COD與總氮質(zhì)量濃度比為3.6時(shí)不同硝化液回流比下硝態(tài)氮的變化與總氮的去除率Fig.2 Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratios when concentration ratio of COD to TN is 3.6

圖3所示為A2O工藝在平均COD與總氮質(zhì)量濃度比為4.5，硝化液回流比分別為100%，200%，300%時(shí)，缺氧區(qū)出水和最終出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度以及總氮去除率的變化情況。如圖3可知：硝化液回流比為100%和200%時(shí)缺氧出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為0 mg/L，最終出水硝態(tài)氮相差不多其平均值分別為 9.24，5.78和14.5 mg/L。這表明當(dāng)硝化液回流比較低時(shí)，從好氧段回流的硝態(tài)氮不充分使得出水硝態(tài)氮較高；而隨著硝化液回流比的增大，回流到缺氧段的氣量也增大，使得缺氧反硝化不完全，總氮的去除率也不高。總氮去除率在硝化液回流比為200%時(shí)達(dá)到最大值91.9%。由此可見(jiàn)：在此 COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下，硝化液回流比為200%時(shí)總氮去除達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖3 COD與總氮質(zhì)量濃度比為4.5時(shí)不同硝化液回流比下硝態(tài)氮的變化與總氮的去除率Fig.3 Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratio when concentration ratio of COD to TN is 4.5

圖4所示為A2O工藝在平均COD與總氮質(zhì)量濃度比為8.1，硝化液回流比分別為100%，200%和300%時(shí)，最終出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度以及總氮去除率的變化。由圖4可知：在3種條件下，最終出水硝態(tài)氮分別為6.47，5.89和4.23 mg/L；由于碳源充足出，水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度逐漸降低，都低于10 mg/L，總氮去除率都達(dá)到90%以上，3種條件下缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度都達(dá)到0 mg/L。

2.2 不同COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下出水磷質(zhì)量濃度的變化

圖5所示為不同COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下出水磷質(zhì)量濃度的變化情況。由圖5可知：在 COD與總氮質(zhì)量濃度比為 3.6時(shí)，出水磷的質(zhì)量濃度在 3 mg/L左右，去除效率相對(duì)較低，而在后兩個(gè)工況下出水磷的質(zhì)量濃度都低于0.5 mg/L，這表明碳源不足會(huì)影響厭氧的釋磷，釋磷不充分缺氧及好氧吸磷也會(huì)受到影響。由此可見(jiàn)：此工藝若要使磷的出水質(zhì)量濃度較低就要保持COD與總氮質(zhì)量濃度比在4.5以上。

2.3 低COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下最佳旁流比的確定

圖4 COD與總氮質(zhì)量濃度比為8.1時(shí)不同硝化液回流比下硝態(tài)氮的變化與總氮的去除率Fig.4 Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratios and carbon and nitrogen ratio of 8.1

圖5 不同COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下磷質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Change of phosphorus contradiction with different carbon and nitrogen ratios

在試驗(yàn)的第4階段主要進(jìn)行的是低COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下的脫氮除磷的相關(guān)研究。根據(jù)前段試驗(yàn)可知：該工藝在低 COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度含量很高，為了使該工藝處理低 COD與總氮質(zhì)量濃度比生活污水時(shí)達(dá)到深度脫氮除磷，且二沉池回流污泥中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度不影響厭氧段的釋磷作用，在厭氧段前加了一段預(yù)缺氧段，其目的是利用部分原水將回流污泥中的剩余硝態(tài)氮去除。改進(jìn)后的工藝其預(yù)缺氧段、厭氧段、缺氧段和好氧段的容積比為1:2:2:4。試驗(yàn)將原水分為2部分，其中一少部分進(jìn)入到預(yù)缺氧段，絕大部分進(jìn)入?yún)捬醵巍＿@樣進(jìn)入到厭氧段的大部分原水可以用來(lái)進(jìn)行厭氧釋磷，進(jìn)而充分地利用了原水中的碳源，達(dá)到低 COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下的深度脫氮除磷。試驗(yàn)分為4個(gè)工況，旁流比分別為0，0.1，0.2，0.3時(shí)觀(guān)察出水氮和磷的變化。此過(guò)程將硝化液回流比設(shè)定為200%。

圖6所示為不同的旁流比所對(duì)應(yīng)的預(yù)缺氧段、缺氧段和最終出水硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度以及磷的去除率的變化情況。由圖6可知：當(dāng)旁流比為0和0.1時(shí)，回流污泥中的硝態(tài)氮在預(yù)缺氧段反硝化不完全，而旁流比為0.2和0.3時(shí)，預(yù)缺氧區(qū)沒(méi)有硝態(tài)氮的剩余。而在旁流比為0.2時(shí)缺氧段出水的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度達(dá)到最低0.4 mg/L，幾乎全部去除，最終出水硝態(tài)氮也達(dá)到最低值，約為11.7 mg/L，而總磷的去除率也是先升高后降低，在旁流比為0.2時(shí)，達(dá)到最高約為 99.3%。在不同旁流比時(shí)，厭氧段出水中都沒(méi)有檢測(cè)出硝態(tài)氮。因此綜合看來(lái)，在 COD與總氮質(zhì)量濃度比較低條件下，旁流比為0.2時(shí)最佳。當(dāng)旁流比為0或0.1時(shí)，旁流的碳源不夠充足，有硝態(tài)氮流入到厭氧區(qū)，這樣就會(huì)影響厭氧區(qū)的釋磷作用從而使磷的去除率降低。旁流比為0.3時(shí)，進(jìn)入?yún)捬醵蔚奶荚唇档鸵餐瑯佑绊憛捬踽屃?，從而影響缺氧段的反硝化除磷，使得缺氧段出水硝態(tài)氮升高。旁流比為 0.2既能保證從二沉池回流的污泥中硝態(tài)氮不影響厭氧區(qū)的釋磷反應(yīng)，同時(shí)還能保證出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較低。

圖6 不同旁流比下硝態(tài)氮的變化與總氮的去除率Fig.6 Nitrate and total nitrogen removal efficiency with different by-pass flow ratios

2.4 A2O中好氧段生物膜的試驗(yàn)研究

待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為了考察好氧段生物膜上硝化細(xì)菌的活性，人工將好氧段生物填料取出，在缺氧段出口及好氧段出口分別取樣，測(cè)其硝態(tài)氮質(zhì)量濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明：取出生物填料后，單純依靠活性污泥中硝化細(xì)菌來(lái)完成硝化作用，好氧段硝化率不高。在A2O系統(tǒng)中生物膜硝化作用所占比例是81.6%，而活性污泥硝化只占 18.4%。這說(shuō)明生物膜具有良好的硝化效果，這可能是由于生物膜的污泥齡較長(zhǎng)，很適合硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，這樣就可以大大提高A2O系統(tǒng)的硝化效率并且減少好氧段的停留時(shí)間。

3 結(jié)論

(1) 進(jìn)水COD與總氮質(zhì)量濃度比x=3.6～8.1范圍內(nèi)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中COD，TN和TP去除率根據(jù)硝化液回流比的不同而不同，COD與總氮質(zhì)量濃度比和硝化液回流比越高出水硝態(tài)氮越低，當(dāng) COD與總氮質(zhì)量濃度比為8.1，硝化液回流為300%時(shí)，效果最好，其出水硝態(tài)氮為4.23 mg/L。

(2) COD與總氮質(zhì)量濃度比較低時(shí)，磷的去除率較低，當(dāng)COD與總氮質(zhì)量濃度比高于4.5時(shí)，磷的去除率幾乎為100%。

(3) 改進(jìn)后工藝在低COD與總氮質(zhì)量濃度比條件下旁流比為0.2時(shí)處理效果最佳。出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度約為11.7 mg/L，總磷平均去除率達(dá)到99.3%。

(4) 在 A2O系統(tǒng)中生物膜硝化作用所占比例是81.6%，而活性污泥硝化作用只占18.4%，說(shuō)明生物膜具有良好的硝化效果。

[1]王亞宜,彭永臻,李探微,等. A2N連續(xù)流雙泥系統(tǒng)反硝化除磷脫氮試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(8):1046-1049.WANG Ya-yi,PENG Yong-zhen,LI Tan-wei,et al. Denitrifying dephosphorus removal in A2N two-sludge process[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2004,36(8): 1046-1049.

[2]王曉蓮,王淑瑩,彭永臻. 進(jìn)水C/P比對(duì)A2/O工藝性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào),2005,56(8): 1765-1770.WANG Xiao-lian,WANG Shu-ying,PENG Yong-zhen. Effects of feed water C/P ratio on performance of anaerobic-anoxic-oxic process[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2005,56(8): 1765-1770.

[3]DING Yong-wei,WANG Lin,WANG Bao-zhen,et al. Removal of nitrogen and phosphorus in a combined A2/O-BAF system with a short aerobic SRT[J]. Journal of Environmental Sciences,2006,18(6): 1082-1087.

[4]Kuba T,Van M C,Heijinen J J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system[J]. Water Research,1996,30(7): 1702-1710.

[5]PENG Yong-zhen,WANG Xiao-lian. Anoxic biological phosphorus uptake and the effect of excessive aeration on biological phosphorus removal in the A2O process[J].Desalination,2006,189(1/2/3): 155-164.

[6]侯紅勛,王淑瑩,閆駿,等. 不同碳源類(lèi)型對(duì)生物除磷過(guò)程釋放磷的影響[J]. 化工學(xué)報(bào),2007,58(8): 2081-2086.HOU Hong-xun,WANG Shu-ying,YAN Jun,et al. Effect of different types carbon sources on phosphorus release in enhanced biological phosphorus removal process[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2007,58(8):2081-2086.

[7]LI Xiang-kun,HUANG Rong-xin,BAO Lin-lin,et al.Simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a continuous-flow two-sludge system[J]. Journal of Environmental Sciences,2006,18(1): 52-57.

[8]王建華,陳永志,彭永臻. 低碳氮比實(shí)際生活污水 A2O-BAF工藝低溫脫氮除磷[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué),2010,30(9): 1195-1200.WANG Jian-hua,CHEN Yong-zhi,PENG Yong-zhen.Biological nutrients removal from domestic wastewater with low carbon-to-nitrogen ratio in A2O-BAF system at low temperature[J]. China Environmental Science,2010,30(9):1195-1200.

[9]Kapagiannidis A G,Zafiriadis I,Aivasidis A. Comparison between UCT type and DPAO biomass phosphorus removal efficiency under aerobic and anoxic conditions[J]. Water Science and Technology,2009,60(10): 2695-2703.

[10]HOU Hong-xun,WANG Shu-ying,PENG Yong-zhen,et al.Anoxic phosphorus removal in a pilot scale anaerobic-anoxic oxidation ditch process[J]. Frontiers of Environmental Science &Engineering in China,2009,3(1): 106-111.

[11]Lee H,Han J,Yun Z. Biological nitrogen and phosphorus removal in UCT-type MBR process[J]. Water Science and Technology,2009,59(11): 2093-2099.

[12]Goto M S,Kuribayashi Y,Nonaka M,et al. Simultaneous removal of nitrogen and phosphorus with A2/O process using immobilized media[J]. Water Science and Technology,2002,46(11/12): 113-119.

[13]Galil N I,Malachi K B,Sheindorf C. Biological nutrient removal in membrane biological reactors[J]. Environmental Engineering Science,2009,26(4): 817-824.

[14]MA Juan,PENG Yong-zhen,WANG Shu-ying,et al.Denitrifying phosphorus removal in a step-feed CAST with alternating anoxic-oxic operational strategy[J]. Journal of Environmental Sciences-China,2009,21(9): 1169-1174.

[15]Yang K,He J J,Dougherty M,et al. Municipal wastewater treatment through an aerobic biofilm SBR integrated with a submerged filtration bed[J]. Water Science and Technology,2009,59(5): 917-926.

[16]Pak D,Chang W. Simultaneous removal of nitrogen and phosphorus in a two-biofilter system[J]. Water Science and Technology,2000,41(12): 101-106.