多點(diǎn)循環(huán)的厭氧/缺氧并聯(lián)+好氧工藝脫氮除磷

赫俊國(guó)，魏文濤，邱 微，2，胡惠秩，劉明超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱;

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱)

目前，我國(guó)污水廠普遍采用同步脫氮除磷工藝，如A2/O、SBR、氧化溝等.SBR工藝對(duì)自控設(shè)備要求較高，且生化反應(yīng)均在同一空間中進(jìn)行，脫氮和除磷相互影響;氧化溝工藝處理效果穩(wěn)定，但占地面積大而難以在大中型城市中使用，且不適于北方寒冷地區(qū)的污水處理［3-4］;A2/O工藝是南北方、大中小規(guī)模污水處理廠廣泛采用的工藝［5-6］，具有流程簡(jiǎn)單、總水力停留時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)［7］，已成為我國(guó)尤其是北方地區(qū)污水廠的主要處理工藝.然而傳統(tǒng)A2/O工藝中，由于各種功能菌群對(duì)環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)物和生存空間的競(jìng)爭(zhēng)，及脫氮菌群與除磷菌群之間污泥齡的矛盾，脫氮除磷的效果難以達(dá)到更高要求［8］.針對(duì)以上問題，提出了多點(diǎn)循環(huán)的厭氧/缺氧并聯(lián)+好氧工藝，將厭氧/缺氧工藝并聯(lián)設(shè)置，出水在好氧段混合，采取控制進(jìn)水和污泥、硝化液多點(diǎn)循環(huán)的運(yùn)行方式，以期有效解決各種功能菌群間污泥齡的矛盾以及營(yíng)養(yǎng)物競(jìng)爭(zhēng)等問題，從而為污水廠對(duì)氮、磷污染物的深度削減提供技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)、(b)所示，可在并聯(lián)、串聯(lián)兩種條件下運(yùn)行.處理流量為5 L/h，總?cè)莘e為40 L.其中厭氧段、缺氧段均為5 L;好氧段分為3格，有效容積為30 L;二沉池為13 L.通過冷水機(jī)控制反應(yīng)器內(nèi)部溫度維持在(22±1)℃，裝置進(jìn)水及各回流系統(tǒng)均采用BT100-2J型蠕動(dòng)泵，在反應(yīng)器各段均設(shè)有多個(gè)取樣口.厭氧段和缺氧段設(shè)有JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器.好氧段風(fēng)機(jī)選用ACO-004型電磁式空氣泵，通過LZB-4型轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，控制溶解氧在厭氧段小于0.2 mg/L、缺氧段為0.2～0.5 mg/L、好氧段為1.5～2.5 mg/L.前期研究表明，當(dāng)厭氧段與缺氧段進(jìn)水量分別達(dá)總處理量的30%以上時(shí)，可滿足厭氧段釋磷與缺氧段反硝化的營(yíng)養(yǎng)物需求，使?fàn)I養(yǎng)物不成為限制因素.因此，首先固定厭氧段、缺氧段進(jìn)水比例為1∶1，確定污泥回流至厭氧段的最佳范圍，在此基礎(chǔ)上確定污泥回流至好氧段的最佳范圍，再考察硝化液的最佳回流量，確定厭氧/缺氧最佳進(jìn)水比例，最終得到系統(tǒng)的最優(yōu)工況點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)用水取自哈爾濱市某家屬區(qū)的生活污水，水質(zhì)指標(biāo)如下(mg/L):COD 250～380，NO3-N 0.2～2.0，NH3-N 30～50，TN 50～70，TP 3.5～5.5，SS 100～200.接種污泥取自正常運(yùn)行污水廠的二沉池污泥，污泥指標(biāo)如下:MLSS 6.5 g/L，MLVSS 4.8 g/L，SV3050%，SVI 77.

1.2 分析方法

COD、NO3-N、NH3-N、TN、TP、MLSS、MLVSS、SV30、DO和pH均采用2002年國(guó)家環(huán)保局發(fā)布的水和廢水檢測(cè)分析方法［9］.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)穩(wěn)定后采集3組數(shù)據(jù)取平均值得到.

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥回流比對(duì)處理效能的影響

2.1.1 厭氧段污泥回流比對(duì)除磷效果的影響

傳統(tǒng)A2/O工藝中，由于聚磷菌在厭氧段釋磷后先經(jīng)過缺氧段，導(dǎo)致在好氧段吸磷動(dòng)力無法充分釋放，除磷效果受到影響［10］.本實(shí)驗(yàn)工藝將厭氧段與好氧段直接相連，最大程度利用了厭氧段積累的吸磷動(dòng)力.設(shè)置8組厭氧段污泥回流比，即5%、10%、15%、20%、40%、60%、80%、100%，研究厭氧段不同污泥回流比對(duì)系統(tǒng)除磷效果的影響.

厭氧段釋磷倍數(shù)(n釋)與好氧段吸磷比例(1∶n吸)分別定義如下:

式中:ρ進(jìn)(TP)、ρ厭(TP)、ρ好(TP)分別為進(jìn)水、扣除稀釋作用后厭氧段及好氧段TP質(zhì)量濃度，mg/L.

由圖2(a)可知，隨著厭氧段污泥回流比的逐漸增大，n釋與1∶n吸均隨之增大，最大n釋達(dá)6.20倍，最大1∶n吸為1∶7.16，1∶n吸與n釋有較強(qiáng)的相關(guān)性.當(dāng)回流比低于15%時(shí)，n釋＜4，1∶n吸＜1∶5，主要是回流至厭氧段的聚磷菌生物量較少，造成聚磷菌的釋磷量受限，因而好氧段的吸磷量也受到影響.當(dāng)回流比高于60%時(shí)，n釋維持在6.10～6.20倍，1∶n吸處于1∶7.06～1∶7.16，增大的趨勢(shì)并不明顯，這是因?yàn)閰捬醵嗡νＡ魰r(shí)間的縮短使得聚磷菌未能充分釋磷，吸磷能力得不到最大程度的利用.由圖2(b)可知，隨著厭氧段污泥回流比的增大，出水TP質(zhì)量濃度逐漸降低，TP去除率逐漸升高.當(dāng)厭氧段污泥回流比低于15%時(shí)，系統(tǒng)出水TP質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L，去除率低于90%;當(dāng)回流比大于等于15%時(shí)，去除率均高于93%且變化并不明顯，出水TP均可達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］.考慮到污泥回流比越大，動(dòng)力消耗也相應(yīng)增大，確定厭氧段污泥最佳回流比為15%.

圖2 厭氧段污泥回流比與除磷效果的關(guān)系

2.1.2 好氧段污泥回流比對(duì)硝化效果的影響

增設(shè)好氧段污泥回流可以增加好氧段的生物量，有利于系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的繁殖與保持，保證好氧段的硝化效果［12］.此外，并聯(lián)進(jìn)水使得回流至好氧段的硝化細(xì)菌不必經(jīng)過厭氧段，避免了傳統(tǒng)A2/O工藝中厭氧段過低的溶解氧對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用.設(shè)置6組好氧段污泥回流比，即85%、70%、55%、40%、30%、20%，研究好氧段不同污泥回流比對(duì)系統(tǒng)硝化效果的影響.

如圖3(a)所示，隨著好氧污泥回流比的逐漸增大，好氧段氨氮的轉(zhuǎn)化率也隨之增大，最高可達(dá)98.44%.當(dāng)回流比為20%時(shí)，氨氮的轉(zhuǎn)化率僅為90.52%，低于其他5種回流比條件下95%以上的氨氮轉(zhuǎn)化率，這說明回流比降至20%時(shí)，硝化效果已受到影響.由圖3(b)可知，隨著好氧段污泥回流比的減小，出水氨氮質(zhì)量濃度由0.57 mg/L增至3.82 mg/L，均能達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］，但回流比為20%時(shí)出水氨氮已接近5 mg/L的限值，而在其他5組回流比條件下出水氨氮均在1.7 mg/L以下，因此，為保證系統(tǒng)對(duì)氨氮具有穩(wěn)定的去除率，同時(shí)考慮回流能耗的影響，確定好氧污泥最佳回流比為30%.

圖3 好氧段污泥回流比與硝化效果的關(guān)系

2.2 硝化液回流比對(duì)反硝化效果的影響

研究表明［13-15］，當(dāng)缺氧段的反硝化碳源充足時(shí)，系統(tǒng)的脫氮效率與硝化液回流比密切相關(guān).硝化液回流量過低會(huì)直接降低氨氮轉(zhuǎn)化率以及TN去除率，而回流量過高則會(huì)破壞缺氧環(huán)境，影響反硝化效果［16］.實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組硝化液回流比，即200%、250%、300%、350%、400%，研究不同硝化液回流比對(duì)反硝化效果的影響.

圖4表明，當(dāng)硝化液回流比為200%、250%、300%、350%、400%時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)出水TN質(zhì)量濃度分別為14.38、11.42、8.20、8.69、10.33 mg/L，均能滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］，TN去除率分別為77.60%、81.88%、87.52%、86.60%、83.15%.隨著回流比的增加，TN去除率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì).與之前的分析一致，當(dāng)回流比為300%時(shí)脫氮效果最佳，因此，確定硝化液最佳回流比為300%.

圖4 硝化液污泥回流比與反硝化效果的關(guān)系

2.3 進(jìn)水比例對(duì)處理效能的影響

當(dāng)進(jìn)水碳源不足時(shí)，由于反硝化細(xì)菌缺乏足夠的營(yíng)養(yǎng)物，傳統(tǒng)A2/O工藝往往會(huì)出現(xiàn)脫氮效果變差的情況［17-18］.倒置A2/O工藝解決了低碳源條件下的脫氮問題，卻難以實(shí)現(xiàn)對(duì)磷的同步去除［19］;外投碳源會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用［20］;利用剩余污泥發(fā)酵的上清液作為補(bǔ)充碳源，受溫度的影響較大［21］.為此，實(shí)驗(yàn)工藝通過控制厭氧段、缺氧段的進(jìn)水比例，調(diào)整分配到厭氧段與缺氧段的碳源量，為解決A2/O工藝中營(yíng)養(yǎng)物競(jìng)爭(zhēng)問題提供了新的思路.設(shè)置4種進(jìn)水比例，分別為1∶3、1∶1、3∶1及反應(yīng)器串聯(lián)，研究不同進(jìn)水比例對(duì)系統(tǒng)處理效果的影響.

2.3.1 進(jìn)水比例對(duì)有機(jī)物去除效果的影響

由圖5可知，在4種條件下，COD去除率分別為92.58%、92.27%、91.02%及90.48%，出水質(zhì)量濃度均達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］.并聯(lián)條件的COD去除率均高于串聯(lián)條件，這是因?yàn)椴⒙?lián)條件下進(jìn)水被分流，原水中碳源的利用率更高.4種條件下，厭氧段的HRT分別為4、2、1.3及1 h，缺氧段的HRT分別為1.3、2、4及1 h，可見并聯(lián)進(jìn)水增加了厭氧段與缺氧段的HRT，生化反應(yīng)進(jìn)行得更為充分.因此，并聯(lián)進(jìn)水可增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除效果.

圖5 進(jìn)水比例與有機(jī)物去除效果的關(guān)系

2.3.2 進(jìn)水比例對(duì)脫氮效果的影響

由圖6(a)、(b)可知，在4種條件下，氨氮去除率分別為98.01%、97.54%、97.25%及96.83%，TN去除率分別為84.53%、87.52%、80.18%及76.75%，氨氮與TN的出水質(zhì)量濃度均達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］.并聯(lián)條件的氨氮與TN去除率均高于串聯(lián)條件，除因并聯(lián)條件下缺氧段的HRT較長(zhǎng)外，還由于大部分硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌不經(jīng)過無意義的厭氧階段，生存條件更為適宜，活性更高.并聯(lián)條件下，系統(tǒng)對(duì)氨氮與TN去除率最高的進(jìn)水比例分別為1∶3和1∶1.這是因?yàn)檫M(jìn)水比例為1∶3時(shí)好氧段首段COD質(zhì)量濃度最低，氨氮的去除率也最高;而缺氧段的進(jìn)水比例越低，回流硝化液的比例越高，在碳源充足的條件下，TN去除率也越高.但隨著缺氧段進(jìn)水比例的降低，碳源也隨之減少，因此，進(jìn)水比例為1∶1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果最好.

圖6 進(jìn)水比例與脫氮效果的關(guān)系

2.3.3 進(jìn)水比例對(duì)除磷效果的影響

由圖7可知，在4種條件下，TP去除率分別為94.35%、96.66%、96.23%及95.19%，TP出水質(zhì)量濃度均達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)［11］.并聯(lián)進(jìn)水比為1∶3時(shí)，TP的去除率及厭氧段TP質(zhì)量濃度(16.38 mg/L)均最低，此時(shí)進(jìn)入?yún)捬醵蔚奶荚戳恳呀?jīng)不能滿足聚磷菌釋磷所需.在串聯(lián)條件下，厭氧段TP質(zhì)量濃度高達(dá)29.50 mg/L，釋磷效果最好，但由于缺氧段的干擾，在好氧段聚磷菌的吸磷動(dòng)力無法得到充分釋放.在并聯(lián)進(jìn)水比為3∶1條件下，碳源量充足，但厭氧段HRT較短，厭氧段TP質(zhì)量濃度為19.36 mg/L，未能充分發(fā)揮聚磷菌的釋磷潛能.而當(dāng)并聯(lián)進(jìn)水比為1∶1時(shí)，厭氧段TP的質(zhì)量濃度為22.56 mg/L，此時(shí)碳源量及水力停留時(shí)間等條件俱佳，因此，TP的去除率最高.

圖7 進(jìn)水比例與除磷效果的關(guān)系

2.3.4 最佳進(jìn)水比例的確定

由上述分析可知，并聯(lián)進(jìn)水比為1∶3時(shí)，COD及氨氮的去除率最高;而并聯(lián)進(jìn)水比為1∶1時(shí)，TN及TP的去除率最高，COD及氨氮的去除率略低于進(jìn)水比為1∶3時(shí)的去除率.因此，確定厭氧/缺氧并聯(lián)進(jìn)水的最佳比例為1∶1.

2.4 最佳工況點(diǎn)條件下反應(yīng)器特性

實(shí)驗(yàn)表明，本工藝系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況點(diǎn):厭氧段污泥回流比為15%，好氧段污泥回流比為30%，硝化液回流比為300%，厭氧/缺氧進(jìn)水比例為1∶1.此時(shí)，系統(tǒng)COD去除率為92.27%，氨氮去除率為97.54%，TN去除率為87.52%，TP去除率為96.66%.

2.4.1 生物固體平均停留時(shí)間的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了按傳統(tǒng)A2/O工藝運(yùn)行的串聯(lián)工況以及厭氧/缺氧并聯(lián)最佳運(yùn)行工況點(diǎn)條件下系統(tǒng)內(nèi)各段的MLSS值，結(jié)果見表1.

表1 兩種工況下系統(tǒng)內(nèi)各段MLSS值mg·L-1

由生物固體平均停留時(shí)間tsr的計(jì)算公式

可推得

式中:tc總、tc、tc厭、tc缺、tc好分別為系統(tǒng)內(nèi)、各段、厭氧段、缺氧段及好氧段生物固體平均停留時(shí)間，d;V為各段的容積，L;X為各段的MLSS，mg/L;ΔX為各段每日排出的活性污泥量，mg/d.

當(dāng)控制系統(tǒng)內(nèi)tsr為15 d時(shí)，按傳統(tǒng)A2/O工藝運(yùn)行的串聯(lián)工況條件下，聚磷菌和硝化細(xì)菌均需依次經(jīng)歷厭氧段、缺氧段及好氧段，因此，聚磷菌和硝化細(xì)菌的生物固體平均停留時(shí)間均為15 d.而在厭氧/缺氧并聯(lián)最佳運(yùn)行工況點(diǎn)條件下，聚磷菌和硝化細(xì)菌只是分別經(jīng)歷厭氧段、好氧段以及缺氧段、好氧段.經(jīng)計(jì)算，厭氧段、缺氧段及好氧段的tsr分別為0.96、1.78及12.26 d，可知聚磷菌的生物固體平均停留時(shí)間縮短，有利于提高除磷效率.通過回流污泥的分流控制，解決了厭氧段回流污泥中的NO3--N對(duì)聚磷菌的不利影響，除磷效率進(jìn)一步加強(qiáng).另一方面，雖然硝化細(xì)菌的泥齡縮短，但由于增設(shè)污泥回流至好氧段的比例較大，且大部分硝化細(xì)菌未經(jīng)歷厭氧段，硝化細(xì)菌的污泥質(zhì)量濃度及活性均較串聯(lián)工況條件下高，彌補(bǔ)了硝化泥齡變短的不利影響，由前面的結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)工藝的硝化效果優(yōu)于傳統(tǒng)A2/O工藝.2.4.2微生物群落結(jié)構(gòu)特性分析

采用PCR-DGGE技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明:除磷菌群主要分布在厭氧段與好氧段，包括纖維單胞菌屬等;脫氮菌群主要分布在缺氧段與好氧段，包括Brachymonas菌屬、假單胞菌屬等.

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)工藝的最佳工況點(diǎn)為:厭氧段污泥回流比為15%，好氧段污泥回流比為30%，硝化液回流比為300%，厭氧/缺氧進(jìn)水比例為1∶1.在實(shí)際應(yīng)用中，若進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生變化，工藝參數(shù)可按實(shí)際進(jìn)行調(diào)整.

2)在最佳工況點(diǎn)條件下，系統(tǒng)COD去除率為92.27%，氨氮去除率為97.54%，TN去除率為87.52%，TP去除率為96.66%，脫氮除磷效果優(yōu)于傳統(tǒng)A2/O工藝，說明通過對(duì)厭氧段和缺氧段碳源的合理分配，可以有效地解決反硝化細(xì)菌與聚磷菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)問題.

3)控制污泥分別回流到厭氧段和好氧段，可有效減少厭氧段回流污泥中NO3--N的干擾，并通過提高硝化細(xì)菌的污泥質(zhì)量濃度及活性彌補(bǔ)硝化泥齡變短的不利影響，提高了系統(tǒng)的同步脫氮除磷效果.

4)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維單胞菌屬等除磷菌群主要分布在厭氧段與好氧段，Brachymonas菌屬、假單胞菌屬等脫氮菌群主要分布在缺氧段與好氧段，實(shí)驗(yàn)工藝有效地解決了各種功能菌群對(duì)環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)物和生存空間的競(jìng)爭(zhēng)問題.

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