碳氮比對AAO-BAF工藝運行性能的影響

張為堂，薛曉飛,，龐洪濤，張杰，李冬，彭永臻

?

碳氮比對AAO-BAF工藝運行性能的影響

張為堂1，薛曉飛1,2，龐洪濤2，張杰1，李冬1，彭永臻1

（1北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)重點試驗室，北京100124；2北控水務(wù)（中國）投資有限公司，北京100124）

AAO-BAF工藝由厭氧-缺氧-好氧反應(yīng)器和曝氣生物濾池組成，屬于外硝化反硝化除磷工藝。以實際生活污水為處理對象，通過調(diào)節(jié)進水COD濃度（從211 mg·L-1增加到675 mg·L-1），研究了進水COD和TN的比（C/N）對AAO-BAF工藝運行性能的影響。結(jié)果表明，進水有機物濃度低或高，可以通過限制厭氧釋磷量或競爭AAO反應(yīng)器缺氧區(qū)的NO-3，從而影響工藝的反硝化除磷效果。當進水C/N大于4，小于7時，AAO- BAF工藝對COD、TN和PO43-的去除率分別可達86%、78%和90%以上。很高的C/N（如9.5）會使缺氧區(qū)內(nèi)存在大量揮發(fā)性脂肪酸（VFA），導(dǎo)致普通反硝化菌迅速消耗反硝化聚磷菌（DPAOs）的電子受體NO-3。

AAO；外硝化；反硝化除磷；生活污水；C/N

引 言

污水的C/N是影響傳統(tǒng)生物除營養(yǎng)物（BNR）工藝脫氮除磷效果的重要因素。在傳統(tǒng)BNR工藝中引入反硝化除磷技術(shù)，外加碳源量、污泥產(chǎn)量和曝氣量能夠分別降低50%、50%和30%[1-4]。采用AAO反應(yīng)器處理實際污水時，原水的C/N越低，反硝化除磷占總除磷的比例越高，但是過低的C/N會導(dǎo)致TN去除率低下[5]。Kerrn-Jespersen等[6]的研究表明，聚磷菌缺氧條件下的反硝化吸磷率是聚磷菌體內(nèi)聚羥基脂肪酸（PHA）儲量的一級方程。

本文作者前期對AAO-BAF工藝的硝化液回流比、HRT、曝氣量以及AAO反應(yīng)器的容積比等進行了研究[7-10]，證明該工藝是一種運行穩(wěn)定、處理效果好的外硝化反硝化除磷系統(tǒng)[10-11]。AAO-BAF工藝中，磷的去除主要在缺氧階段通過反硝化除磷實現(xiàn)，受有機物濃度的影響很大。針對不同的進水有機物濃度，需要對該工藝進行運行優(yōu)化分析，給出不同的運行策略。理論上講，在厭氧池，為保證充分釋磷，要有較高的有機物濃度；在缺氧池，為避免反硝化菌競爭硝酸鹽氮，應(yīng)有較低濃度的有機物。缺氧段存在的碳源會優(yōu)先用于普通反硝化而使出水硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度降低，在提高脫氮效果的同時，減少了反硝化吸磷的電子受體。

本文以實際生活污水為處理對象，在前期HRT試驗的基礎(chǔ)上，通過2個月的連續(xù)運行，研究了進水C/N對反硝化除磷工藝運行性能的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

AAO-BAF雙污泥反硝化除磷工藝如圖1所示。

AAO反應(yīng)器主要完成反硝化除磷脫氮；BAF的功能是完成氨氮的硝化，為AAO反應(yīng)器中的DPAOs提供電子受體，屬于外硝化單元。AAO反應(yīng)器包括9個依次連接的反應(yīng)區(qū)，有效容積為30 L。AAO反應(yīng)器的厭氧、缺氧和好氧區(qū)容積比為2:6:1。AAO反應(yīng)器的HRT為6 h，好氧格曝氣量為60 L·h-1，BAF單元的曝氣量為100 L·h-1。整個試驗分為4個階段，分別記為Run 1, 2, 3和4。BAF出水回流比()和污泥回流比()分別設(shè)定為300%和100%。

1.2 試驗用污水

試驗用生活污水取自北京工業(yè)大學(xué)教師生活區(qū)的一個化糞池，該污水屬于典型的低C/N生活污水。試驗期間在原水水箱內(nèi)加入適量乙酸鈉，調(diào)節(jié)原污水C/N 在3.3～9.5之間變化。各試驗階段主要水質(zhì)指標見表1。

表1 試驗用污水水質(zhì)Table 1 Characteristics of influent wastewater

1.3 分析方法

PO43-，NH+4，NO-2，NO-3由流動注射分析儀測定(Lachat Quik-Chem8000，Lachat Instrument，Milwaukee，USA)。TN通過TN/TOC分析儀(MultiN/C3100，Analytik Jena, AG)測定。COD按照標準方法測定[12]。

試驗中，PHA的測定采用氣相色譜（Agilent 6890N），以氫火焰離子化檢測器進行檢測[13]。揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）采用氣相色譜儀(Agilent 6890N)進行測定[14]。

2 結(jié)果和討論

2.1 AAO-BAF工藝對有機物的去除性能

不同進水有機物濃度條件下，AAO-BAF工藝對COD的去除效果見圖2。可以看出，在進水COD 濃度由211 mg·L-1增加至467 mg·L-1的過程中（Run1到Run3，C/N由3.3增加至6.8），組合工藝對COD 的去除率也持續(xù)增加至第3階段的大于90%。當繼續(xù)增加進水有機物濃度至COD平均為675 mg·L-1，C/N為9.5時，組合工藝對COD的去除率略有下降。

當C/N為3.3和4.6時，AAO反應(yīng)器出水COD濃度小于50 mg·L-1，說明污水中大部分的有機物，通過反硝化除磷過程，可以在AAO反應(yīng)器內(nèi)得到有效的利用。前期研究結(jié)果也表明，進水中約80%的COD可以在AAO反應(yīng)器的厭氧和缺氧段得到有效利用[8]。并且，隨著C/N的增加，AAO反應(yīng)器的出水COD濃度也有增加的趨勢。當C/N為6.8和9.5時，AAO反應(yīng)器的出水COD濃度分別達到60和93 mg·L-1。這對BAF的硝化性能以及穩(wěn)定運行是不利的。AAO-BAF工藝的進水C/N在9.5時，BAF出水COD濃度均大于60 mg·L-1。

第22 d，為了考察有機物在反應(yīng)器內(nèi)各功能區(qū)的轉(zhuǎn)化情況，對AAO反應(yīng)器中COD、VFA和PHA進行了測定，試驗結(jié)果見圖3。當天，原水COD，TN和PO43-的濃度分別為299.1 mg·L-1，66.1 mg·L-1和4.8 mg·L-1。

由圖3可知，當進水COD濃度為299.1 mg·L-1時，AAO反應(yīng)器厭氧末的COD降低至89.9 mg·L-1，AAO的缺氧末COD濃度約為45.5mg·L-1。進水VFA濃度為85.4 mg·L-1，AAO的厭氧末VFA濃度下降到4.5mg·L-1。通過物料衡算，可以得出厭氧段對VFA的利用率達到89.5%。大量VFA在厭氧段被聚磷菌用于合成內(nèi)碳源PHA，污泥中PHA含量達到28.2 mg PHA·(g VSS)-1。進入缺氧區(qū)后，VFA迅速降低（缺氧1內(nèi)VFA為1.3 mg·L-1，COD為48.7 mg·L-1），而PHA則緩慢降低至好氧時的9.4 mg PHA·(g VSS)-1。

容易得出，在此C/N情況下（4.5:1），可以保證缺氧區(qū)內(nèi)幾乎不存在生物易利用有機物。反硝化區(qū)內(nèi)的硝態(tài)氮能夠被DPAOs迅速利用，普通反硝化菌競爭電子受體NO-3的影響較小，從而有利于DPAOs的富集和生化反應(yīng)。當C/N繼續(xù)增加，例如增加至9.5時，則會導(dǎo)致缺氧區(qū)內(nèi)VFA的大量剩余。這樣，必然會導(dǎo)致普通反硝化菌迅速利用VFA消耗大量DPAOs的電子受體NO-3，而影響工藝的除磷性能。

需要指出的是，隨著進入BAF的有機物濃度的增加，BAF的反沖洗周期變短，運行10 d左右時，氨氮便出現(xiàn)泄漏[見圖4(a)]，BAF的下層濾料中生長了大量的微生物，濾料出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，嚴重影響了BAF的穩(wěn)定運行。

2.2 進水C/N對氮去除性能的影響

如圖4（a）所示，在C/N為3.3和4.6時，氨氮得到了全部的氧化，去除率接近100%；當C/N增加至6.8時，氨氮去除率略有下降；繼續(xù)增加到C/N=9.5時，BAF的硝化能力徹底惡化，氨氮去除率迅速下降至約70%，出水氨氮濃度達到約20 mg·L-1。與此相對應(yīng)，AAO反應(yīng)器出水氨氮濃度出現(xiàn)了積累，由前幾個階段的約16 mg·L-1達到了試驗?zāi)┑?0 mg·L-1左右。

從圖4（b）可以看出，與氨氮的去除規(guī)律稍有不同，在C/N從3.3增加到6.8的過程中，TN去除率從74%增加到78%。當C/N=9.5時，由于氨氮的不完全氧化，TN的去除率也隨之下降。這些結(jié)果表明，增加C/N是一個改善TN去除率的有效策略，但是前提是保證BAF單元的完全硝化。這就要求AAO-BAF工藝的進水C/N不宜超過6.8，BAF單元的進水COD不宜超過60 mg·L-1，相應(yīng)的BAF進水C/N不宜超過3。

2.3 進水C/N對磷去除性能的影響

較低的C/N有利于磷的去除。如圖5（a）所示，試驗期間進水磷濃度的變化不大，在C/N從3.3增大至6.8的過程中，磷的去除率從94%降至Run 3的91%。Kuba等[15]在考察A2NSBR工藝的運行特征時，發(fā)現(xiàn)其最佳C/N值為3.4，此時磷去除率幾乎達到100%。

當C/N增加至9.5時，與氨氮和TN的去除率迅速惡化一樣，PO43-去除率迅速下降至10%左右，出水PO43--P濃度達到約4.9 mg·L-1。缺氧段和好氧段存在大量有機物時，DPAOs不僅在缺氧區(qū)得不到電子受體，不能充分發(fā)生缺氧吸磷反應(yīng)；同樣，在好氧區(qū)，也由于有機物的存在（C/N=9.5時，AAO出水COD濃度超過90 mg·L-1），好氧異養(yǎng)菌競爭溶解氧，DPAOs的好氧吸磷也不充分，甚至存在釋磷行為，也加劇了出水磷濃度的升高。

在本次試驗中，還記錄了進水C/N對厭氧釋磷的影響，結(jié)果見圖5（b）?？梢钥闯觯S著AAO反應(yīng)器進水C/N的增加（COD濃度升高），厭氧釋磷量從最初的35.8mg·L-1增加到Run 4階段的平均56.2mg·L-1。但是，當C/N=9.5時，厭氧區(qū)的磷濃度出現(xiàn)了快速下降，DPAOs沒有完成充分釋磷。這或許是過高的有機物濃度對聚磷菌的厭氧釋磷產(chǎn)生了抑制作用[16]。

聚磷菌的厭氧釋磷不僅取決于進水中可快速生物降解的有機物的多寡，還依賴充分的缺氧或好氧吸磷。當C/N增大至6.8時，AAO反應(yīng)器的第6缺氧區(qū)（Ano 6）PO43-濃度出現(xiàn)升高趨勢[圖5(a)]。這說明，在較高濃度有機物的存在條件下，缺氧區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了二次釋磷現(xiàn)象；但是，此時由于釋磷量不大，AAO反應(yīng)器的好氧區(qū)能夠完成這部分磷的好氧吸收，所以并沒有影響B(tài)AF的出水磷濃度。AAO-BAF工藝對磷去除率的惡化，與該工藝的獨特運行方式有關(guān)。該組合工藝中AAO反應(yīng)器較大的缺氧好氧容積比的目的是實現(xiàn)充分的反硝化除磷，所以好氧吸磷時間短，不能夠如Run 3階段（C/N=6.8）完成剩余磷的好氧吸收。

在試驗的Run 4階段，隨著進水有機物濃度的增大，AAO反應(yīng)器的缺氧末和好氧末COD濃度分別超過了100和90 mg·L-1（圖2），而第2缺氧區(qū)的硝態(tài)氮濃度已經(jīng)為零，使缺氧區(qū)的二次釋磷量大幅增加，第6缺氧區(qū)濃度達到8～9 mg·L-1（見圖6）。

由圖6還可以看出，缺氧區(qū)內(nèi)PO43-和NO-3濃度有一定的相關(guān)性，即NO-3濃度降低，會導(dǎo)致PO43-濃度升高。在碳氮比為4.6和6.8階段，缺氧區(qū)6內(nèi)NO3-濃度由約0.6 mg·L-1降低到0 mg·L-1；與此相對應(yīng)，PO43-濃度逐漸由不足0.5 mg·L-1增加到約1.5 mg·L-1。

從理論上講，磷去除率的惡化與缺氧區(qū)內(nèi)沒有充分的電子受體硝態(tài)氮有關(guān)。當進水C/N很高時，厭氧段的可利用VFA超過了DPAOs合成PHA所需要的有機物量，過剩有機物（特別是VFA）在后續(xù)缺氧段很容易被普通異養(yǎng)菌用于反硝化脫氮，而消耗本應(yīng)用于DPAOs進行缺氧吸磷的電子受體，降低缺氧吸磷量。有機物的存在不僅能降低PAOs的反硝化吸磷速率[17]，對PAOs 的好氧吸磷也有影響。PAOs在好氧吸磷過程中可以吸收有機底物進行PHB 的富集，并伴隨著磷的釋放[18-19]。唐旭光等[20]研究表明，在好氧環(huán)境中，當有足夠的VFAs存在時，聚磷菌可利用其進行PHAs 的合成，而且速率明顯高于厭氧狀態(tài)下的合成速率。張紅等[21]采用SBR裝置，研究了有機物濃度對反硝化除磷的影響，發(fā)現(xiàn)缺氧段COD濃度越高，缺氧吸磷速率越低，反硝化速率越高，并且缺氧段存在外碳源會優(yōu)先支持反硝化。

2.4 不同進水C/N時的運行與控制策略

在本試驗條件下，結(jié)合TN和PO43-的去除特性，從AAO-BAF工藝的運行控制角度講，組合工藝的適宜進水C/N應(yīng)為4.6～6.8，此時PO43-的去除率大于90%，TN的去除率達到78%。當C/N不在此范圍內(nèi)時，可考慮如下措施：

①當C/N低于此值時，需要根據(jù)進水水質(zhì)和處理要求，適當投加外碳源，以去除過量的硝酸鹽，提高TN的去除率，并強化DPAOs的厭氧釋磷。

②當設(shè)計C/N高于此值時，缺氧區(qū)會存在多余的有機物，為普通反硝化菌提供良好條件，本來為DPAOs提供的電子受體硝態(tài)氮，優(yōu)先用于反硝化速率更高的普通反硝化菌，導(dǎo)致DPAOs可利用的電子受體量減少。此時，應(yīng)按缺氧好氧容積比為5:2進行設(shè)計，增加好氧吸磷的貢獻率，保障磷的去除。

③當C/N偶爾高于此值時，在實際運行中，還可以適當增加BAF出水的回流量，或增加AAO反應(yīng)器好氧區(qū)的曝氣量，分別提高缺氧段的電子受體量或好氧吸磷貢獻率，保障磷的去除。

3 結(jié) 論

研究表明AAO-BAF工藝具有穩(wěn)定高效的反硝化除磷性能，AAO反應(yīng)器內(nèi)可以富集大量的DPAOs。本文研究了進水C/N對AAO-BAF工藝運行性能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）保證缺氧區(qū)內(nèi)幾乎不存在反硝化菌易利用的有機物，缺氧區(qū)內(nèi)的硝態(tài)氮才能夠被DPAOs迅速利用。試驗條件下，從AAO-BAF工藝的優(yōu)化控制角度講，組合工藝的適宜進水C/N為4.6～6.8。

（2）當進水C/N 高于6.8時，應(yīng)增加AAO反應(yīng)器好氧區(qū)的曝氣量，甚至在設(shè)計時按較大的缺氧好氧容積比（如5:2）進行設(shè)計，增加好氧吸磷的貢獻率；還可以增加BAF出水的回流量，以適當增加缺氧段的電子受體。

（3）當進水C/N低于4.6時，需要根據(jù)進水水質(zhì)和處理要求，適當投加外碳源，以去除過量的硝酸鹽，提高TN的去除率，并強化DPAOs的厭氧釋磷。

References

[1] Zhou Y, Pijuan M, Yuan Z G. Development of a 2-sludge, 3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms [J]., 2008, 42(12): 3207-3217

[2] Carvalho G, Lemos P C, Oehmen A, Reis M. Denitrifying phosphorus removal: linking the process performance with the microbial community structure [J]., 2007, 41(19): 4383-4396

(2)規(guī)范操作過程。資產(chǎn)證券化的操作過程需要高度重視，需要不斷提高從業(yè)人員的素質(zhì)，規(guī)避操作規(guī)程中人為失誤而帶來的風(fēng)險，避免操作失誤，是資產(chǎn)證券化過程中的重要措施(金郁森,2005)。

[3] Ma Y, Peng Y Z, Wang X L. Improving nutrient removal of the AAO process by an influent bypass flow by denitrifying phosphorus removal [J]., 2009, 246(1-3): 534-544

[4] Xu X Y, Liu G, Zhu L. Enhanced denitrifying phosphorous removal in a novel anaerobic/aerobic/anoxic (AOA) process with the diversion of internal carbon source [J]., 2011, 102(22): 10340-10345

[5] Wu Changyong(吳昌永), Peng Yongzhen(彭永臻), Peng Yi(彭軼), Li Xiaoling(李曉玲), Chen Zhiqiang(陳志強). Characteristics of denitrifying phosphorus removal in A2O process [J].(哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報), 2009, 41(8): 46-49

[6] Kerrn-Jespersen J P, Henze M,. Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic conditions [J]., 1993, 27(4): 617-624

[7] Chen Y Z, Peng C Y, Wang J H, Ye L, Zhang L C, Peng Y Z. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic/anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) system [J]., 2011, 102(10): 5722-5727

[8] Zhang W T, Peng Y Z, Ren N Q, Liu Q S, Chen Y Z. Improvement of nutrient removal by optimizing the volume ratio of anoxic to aerobic zone in AAO-BAF system [J]., 2013, 93(11): 2859-2863

[9] Zhang Weitang(張為堂), Hou Feng(侯鋒), Liu Qingsong(劉青松), Shao Yanqing(邵彥青), Xue Xiaofei(薛曉飛), Peng Yongzhen(彭永臻). Effect of HRT and aeration rate on the performance of the AAO-BAF system for denitrifying phosphorus removal [J].(化工學(xué)報), 2014, 65(4): 1437-1442

[10] Zhang W T, Hou F, Peng Y Z, Liu Q S, Wang S Y. Optimizing aeration rate in an external nitrification-denitrifying phosphorus removal (ENDPR) system for domestic wastewater treatment [J]., 2014, 245: 342-347

[11] Hu Z R, Sotemann S, Moodley R, Wentzel M C, Ekama G A. Experimental investigation of the external nitrification biological nutrient removal activated sludge (ENBNRAS) system [J]., 2003, 83(3): 260-273

[12] APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater [M]. 21st ed. Washington, DC: American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, 2005

[13] Oehmen A, Keller-Lehmann B, Zeng R J, Yuan Z, Keller J. Optimisation of poly-beta-hydroxyalkanoate analysis using gas chromatography for enhanced biological phosphorus removal systems [J]., 2005, 1070(1-2): 131-136

[14] Randall A A, Liu Y H. Polyhydroxyalkanoates form potentially a key aspect of aerobic phosphorus uptake in enhanced biological phosphorus removal [J]., 2002, 36: 3473-3478

[15] Kuba T, Smolders G, van Loosdrecht M C M,. Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor [J]., 1993, 27(5-6): 241-252

[16] Jun H, Shin H. Substrates transformation in a biological excess phosphorus removal system [J]., 1997, 31(4): 893-899

[17] Zhang Licheng(張立成), Wu Chunrong(吳春蓉), Yuan Yashu(袁雅姝)，Zheng Tieqiang(鄭鐵強). Research on the amount of carbon source to the nitrosation denitrifying dephosphorization of PAOs [J].(給水排水), 2013(S1): 142-145

[18] Guisasola A, Pijuan M, Baeza J A,. Aerobic phosphorusrelease linked to acetate uptake in bio-P sludge: process modeling using oxygen uptake rate [J]., 2004, 85(7): 722-733

[19] Ahn J, Daidou T, Tsuneda S,. Transformation of phosphorus and relevant intracellular compounds by a phosphorus accumulating enrichment culture in the presence of both the electron acceptor and electron donor [J]., 2002, 79(1): 83-93

[20] Tang Xuguang(唐旭光), Wang Shuying(王淑瑩), Peng Yongzhen(彭永臻), Zhang Jingqian(張婧倩)，Li Jiedan(李婕旦). Effect of carbon source on phosphorus uptake in aerobic condition [J].:(中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版), 2011, 42(10): 3220-3224

[21] Zhang Hong(張紅), Zhang Chaosheng(張朝升), Rong Hongwei(榮宏偉), Zhang Kefang(張可方). Effect of carbon source concentration on denitrifying phosphorus removal [J].(廣州大學(xué)學(xué)報), 2006, 5(6): 73-76

Effect of C/N on performance of AAO-BAF process

ZHANG Weitang1, XUE Xiaofei1,2, PANG Hongtao2, ZHANG Jie1, LI Dong1, PENG Yongzhen1

(1Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Beijing Enterprises Water Group (China) Investment Limited, Beijing 100124, China)

Combining anaerobic-anoxic-oxic reactor with an external nitrification biological aerated filter, the AAO-BAF process was used to treat domestic wastewater. Adjusting the influent COD concentration from 211 to 675 mg·L-1, the effect of carbon-nitrogen ratio (C/N) on the performance of the AAO-BAF process was investigated. A low or high influent organic concentration had significant effect on the nutrients removal efficiency due to the deficient phosphorus release or nitrate competition in the anoxic zones of the AAO reactor between DPAOs and ordinary heterotrophic organisms. When C/N was between 4 and 7，the average removal efficiencies of COD, TN and PO43-could reach more than 86%, 78% and 90% respectively. Large quantity of residual volatile fatty acid (VFA）would be transferred into the anoxic zones when C/N was very high (such as 9.5), which would cause rapid consumption of NO-3by ordinary heterotrophic organisms rather than denitrifying phosphorus accumulating organisms (DPAOs).

AAO; external nitrification; denitrifying phosphorus removal; domestic wastewater;C/N

10.11949/j.issn.0438-1157.20141719

X 703.1

A

0438—1157（2015）05—1925—06

2014-11-18收到初稿，2014-12-31收到修改稿。

聯(lián)系人：彭永臻。第一作者：張為堂（1978—），男，博士。

北京市科技計劃項目（D12110900010000）；北京市教委科研基地建設(shè)—科技創(chuàng)新平臺。

2014-11-18.

Prof. PENG Yongzhen, pyz@bjut.edu.cn

supported by the Science and Technology Projects of Beijing (D12110900010000) and the Scientific Research Base and Scientific Innovation Platform of Beijing Municipal Education Commission.