A2N2雙污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝的啟動(dòng)與穩(wěn)定

王梅香，趙偉華，王淑瑩，張　勇，彭永臻，潘　聰，黃　宇

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A2N2雙污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝的啟動(dòng)與穩(wěn)定

王梅香，趙偉華，王淑瑩，張勇，彭永臻，潘聰，黃宇

（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)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心，北京 100124）

摘要:采用低C/N比實(shí)際生活污水，以 A2N2-SBR（厭氧/硝化/缺氧/硝化）雙污泥系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)考察了A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的脫氮除磷特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用在A2/O-SBR和N-SBR單元分別接種種泥，分開(kāi)培養(yǎng)馴化聚磷菌污泥和硝化菌生物膜，并利用A2/O-SBR單元的出水作為N-SBR單元的進(jìn)水，25 d好氧硝化菌生物膜掛膜成功，氨氮去除率穩(wěn)定在93%以上；A2/O-SBR單元采用先厭氧/好氧(A/O)后厭氧/缺氧(A/A)的運(yùn)行方式，43 d成功培養(yǎng)富集了反硝化聚磷菌（DPAOs），DPAOs占PAOs的67.81%，反硝化除磷率在77.9%以上；啟動(dòng)成功后原水中約73%和13%的COD分別在A2/O-SBR單元的厭氧段和N-SBR單元曝氣過(guò)程中被去除，系統(tǒng)出水COD、NH+4-N、PO43--P、TN濃度分別為40.6、0、0.4、13.5 mg·L-1，達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:A2N2雙污泥系統(tǒng)；反硝化除磷；生活污水；序批式反應(yīng)器；啟動(dòng)

引 言

隨著水體污染不斷加劇，“富營(yíng)養(yǎng)化”問(wèn)題日益突出，污水處理技術(shù)逐漸從以單一去除有機(jī)物為目的的階段進(jìn)入既要去除有機(jī)物又要脫氮除磷的深度處理階段，以控制富營(yíng)養(yǎng)化為目的的脫氮除磷成為當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。目前，廢水生物脫氮主要通過(guò)硝化反硝化過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，而生物除磷則主要通過(guò)聚磷菌過(guò)量攝磷和排泥來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管A2/O及其改良的Bardenpho、UCT和MUCT等傳統(tǒng)的生物除磷脫氮工藝兼顧了除磷和脫氮作用，但實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，主要原因是存在碳源供求和泥齡控制的矛盾，除磷過(guò)程和脫氮過(guò)程相互制約[4-5]。

與傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝相比，A2N等雙污泥反硝化除磷工藝在流程設(shè)計(jì)及條件控制上，最大限度地提高了低 C/N比城市污水中有限碳源的利用率，力求避免碳源損耗于反硝化過(guò)程和好氧過(guò)程，強(qiáng)化了聚磷菌的缺氧攝磷能力，減少了外加電子受體(O2，用于好氧攝磷)和電子供體(碳源，用于反硝化)的數(shù)量，同時(shí)降低污泥產(chǎn)量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用[2,4,6-7]。但由于傳統(tǒng)的 A2N反硝化除磷工藝運(yùn)行方式屬后置反硝化除磷，一部分氨氮?dú)埩粼诜聪趸孜勰嘀袥](méi)有經(jīng)過(guò)硝化直接排放，造成出水NH+4-N濃度超標(biāo)，出水TN不達(dá)標(biāo)，從而限制了其推廣應(yīng)用[8]。

針對(duì)傳統(tǒng)后置反硝化除磷 A2N工藝存在的問(wèn)題，有研究者提出了培養(yǎng)顆粒污泥，提高污泥沉降性，增大容積交換比以降低出水氨氮濃度[9]，或縮短污泥齡提高氨氮同化作用[2]，但效果有限，系統(tǒng)出水NH+4-N仍然不能達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)（≤5 mg·L-1）。在此基礎(chǔ)上，作者提出了一種按照“厭氧/硝化/缺氧/硝化”方式運(yùn)行的新型雙污泥反硝化除磷工藝——A2N2工藝，通過(guò)對(duì)SBR反應(yīng)時(shí)序的靈活控制，生活污水首先進(jìn)入A2/O-SBR反應(yīng)器，在厭氧階段吸收外碳源轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存 PHA和釋磷，然后靜沉排水，富含氨氮的上清液進(jìn)入N-SBR反應(yīng)器完成硝化反應(yīng)，硝化出水回流到A2/O-SBR反應(yīng)器進(jìn)行缺氧反硝化除磷反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行短暫的好氧吸磷，完成剩余磷的吸收，同時(shí)吹脫反硝化除磷過(guò)程中產(chǎn)生的氮?dú)?，然后靜止沉淀，排水再次進(jìn)入N-SBR反應(yīng)器完成剩余氨氮的硝化，二次硝化出水作為最終出水排放，因此出水幾乎不含氨氮，徹底解決了傳統(tǒng)A2N工藝出水氨氮過(guò)高的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷。

由于硝化菌和聚磷菌生理特性的不同[10-11]，為了減少培養(yǎng)富集 DPAOs和好氧硝化生物膜以及A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間，采用實(shí)際生活污水并利用A2/O-SBR單元的出水作為N-SBR硝化系統(tǒng)的進(jìn)水的方式[12-13]，在不同的SBR中分開(kāi)獨(dú)立培養(yǎng)好氧聚磷菌和好氧硝化生物膜，使之在較適宜的條件下和較短的時(shí)間內(nèi)迅速生長(zhǎng)，待系統(tǒng)好氧吸磷效果、硝化效果穩(wěn)定后，進(jìn)入下一階段培養(yǎng)（即進(jìn)行硝化液回流），進(jìn)一步培養(yǎng)富集好氧硝化生物膜和反硝化聚磷菌，待反硝化脫氮除磷效果穩(wěn)定后，進(jìn)行二次硝化，降低系統(tǒng)出水濃度，完成A2N2系統(tǒng)的啟動(dòng)。本試驗(yàn)采用 A2N2工藝，重點(diǎn)考察了硝化菌生物膜掛膜特性、反硝化聚磷菌(DPAOs)的馴化培養(yǎng)特性及 A2N2雙污泥反硝化除磷工藝啟動(dòng)過(guò)程中的脫氮除磷特性，以期為該工藝的快速啟動(dòng)和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

A2N2工藝試驗(yàn)裝置和處理流程分別如圖1（a）、（b）所示，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、A2/O-SBR單元（厭氧/缺氧/好氧除磷系統(tǒng)）、N-SBR單元（生物膜硝化系統(tǒng)）。試驗(yàn)用序批次反應(yīng)器（SBR）均為有機(jī)玻璃制成的圓柱形、平底、敞口式反應(yīng)器，直徑20 cm，高45 cm，總?cè)莘e為12 L，有效容積為10 L，并在反應(yīng)器有機(jī)玻璃壁的垂直方向設(shè)置一排取樣口，用于取樣和排水。系統(tǒng)每周期進(jìn)水體積為7 L，充水比為0.7。其中A2/O-SBR反應(yīng)器采用活性污泥法，內(nèi)設(shè)有攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌速度為90 r·min-1，反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行排泥，使反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）維持在2500～3000 mg·L-1，SRT為10 d；N-SBR采用生物膜法，放置聚乙烯蜂窩式活性生物懸浮填料，掛好氧硝化菌生物膜，在反應(yīng)器底部設(shè)有黏砂塊作為微孔曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，為保證填料處于流化狀態(tài)，使其與底物充分接觸，DO控制在4～6 mg·L-1，DO、T和pH傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程各參數(shù)值的變化。進(jìn)水量、硝化液回流量均由蠕動(dòng)泵控制，曝氣量通過(guò)反應(yīng)器上玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)控。本試驗(yàn)在環(huán)境溫度下運(yùn)行，反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行均按照預(yù)設(shè)程序由時(shí)控開(kāi)關(guān)控制。

圖1　A2N2反硝化除磷試驗(yàn)裝置和工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of A2N2denitrifying phosphorus removal experimental device and process flow

1.2 接種污泥

試驗(yàn)用接種污泥取自北京市某污水處理廠A/O工藝運(yùn)行的二沉池回流污泥，屬全程污泥，具有良好的脫氮性能。反應(yīng)器中接種污泥特性為: MLSS=3457 mg·L-1，MLVSS=2284 mg·L-1，SV=28%，SVI=81 ml·g-1，f=66%，污泥沉降性能良好，無(wú)機(jī)質(zhì)含量較高。

1.3 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用生活污水來(lái)源于北京工業(yè)大學(xué)西區(qū)家屬院化糞池的實(shí)際生活污水，經(jīng)過(guò)化糞池預(yù)處理后，泵入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)水水箱，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。從表中可以看出，該污水屬于典型的低C/N比生活污水。

1.4 培養(yǎng)運(yùn)行方式

在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中將涉及到兩類菌群的培養(yǎng)馴化，一類是好氧硝化生物膜的培養(yǎng)，另一類是反硝化聚磷菌的培養(yǎng)[11]。A2N2雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)啟動(dòng)期間的運(yùn)行參數(shù)為:系統(tǒng)每周期的進(jìn)水流量 7 L，A2/O-SBR反應(yīng)器內(nèi)的MLSS控制在2500～3000 mg·L-1，污泥齡為 15 d，N-SBR生物膜系統(tǒng)和A2SBR活性污泥系統(tǒng)好氧吸磷段的溶解氧分別控制在5～6 mg·L-1和1～2 mg·L-1；啟動(dòng)過(guò)程不控制溫度，均在室溫下進(jìn)行，系統(tǒng)各階段其他的具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，A2N2反硝化除磷工藝整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程可分為3個(gè)階段。

表1　進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Characteristics of influent wastewater

表3　A2N2系統(tǒng)各階段運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operation parameters of A2N2system in each phase

第1階段:A2/O-SBR反應(yīng)器通過(guò)A/O（厭氧/好氧）交替運(yùn)行方式，富集聚磷菌（PAO），同時(shí)在N-SBR反應(yīng)器投加聚丙烯蜂窩式空心環(huán)活性生物懸浮填料（填料特性如表3所示），掛硝化菌生物膜。在這一階段，生活污水首先進(jìn)入A2O-SBR反應(yīng)器，在厭氧段去除大部分可生物降解的有機(jī)物，合成并儲(chǔ)存PHA，釋放正磷酸鹽，然后靜沉排水，其去除有機(jī)物的富含氨氮的出水作為 N-SBR的進(jìn)水，在N-SBR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行硝化。待系統(tǒng)硝化完全，除磷效果穩(wěn)定后，進(jìn)入下一階段培養(yǎng)馴化。

第2階段:A2/O-SBR反應(yīng)器通過(guò)A/A（厭氧/缺氧）或A/A/O（厭氧/缺氧/好氧）交替運(yùn)行方式，并將 N-SBR反應(yīng)器的硝化液在缺氧初回流至A2/O-SBR反應(yīng)器，進(jìn)行反硝化除磷，富集反硝化除磷菌（DPAOs）。待系統(tǒng)硝化完全，除磷效果穩(wěn)定后，進(jìn)入下一階段培養(yǎng)馴化。

第3階段:待好氧硝化生物膜和反硝化聚磷污泥培養(yǎng)成熟后，將系統(tǒng)的運(yùn)行方式由厭氧/硝化/缺氧改為厭氧/硝化/缺氧/硝化（即將 A2/O-SBR系統(tǒng)生物除磷后的出水，回流至N-SBR硝化系統(tǒng)進(jìn)行二次硝化，去除剩余氨氮），同時(shí)延長(zhǎng)第一次硝化的硝化時(shí)間，提高系統(tǒng)氨氮去除率，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，此時(shí)完成了A2N2系統(tǒng)的啟動(dòng)。

表3　懸浮填料特性Table 3 Characteristics of suspended carriers

1.5 檢測(cè)指標(biāo)與分析方法

所有水樣均經(jīng)過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾，以去除懸浮物的影響，再進(jìn)行水質(zhì)分析，測(cè)定水樣中的COD、，其中COD采用COD快速測(cè)定儀測(cè)定；采用納氏試劑光度法測(cè)定；采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定；采用麝香草酚分光光度法測(cè)定；TP采用抗壞血酸-鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定；MLSS采用濾紙稱重法測(cè)定[14]；溫度、pH和DO采用WTW Multi 340i在線監(jiān)測(cè)儀測(cè)定；其中所有水樣取自各反應(yīng)段的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)。

2　結(jié)果與討論

2.1 N-SBR硝化生物膜系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)

生物脫氮除磷工藝啟動(dòng)的關(guān)鍵在于微生物的培養(yǎng)與馴化[12]，因此 N-SBR硝化生物膜系統(tǒng)掛膜啟動(dòng)是 A2N2工藝快速啟動(dòng)的前提和基礎(chǔ)[13]。在A2N2系統(tǒng)中，N-SBR反應(yīng)器的主要功能是完成硝化，為反硝化除磷提供充足的電子受體。

由于硝化菌（即氨氧化菌 AOB）與亞硝化菌（NOB的統(tǒng)稱)是化能自養(yǎng)菌[15]，不需要有機(jī)性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以二氧化碳為碳源，從無(wú)機(jī)物的氧化中獲取能量進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，不需要提供有機(jī)物。王建華等[15]發(fā)現(xiàn)，采用不含有機(jī)物的模擬生活污水對(duì)BAF進(jìn)行掛膜，掛膜成功只需18 d，由于進(jìn)水不含有機(jī)物，異養(yǎng)菌無(wú)法生長(zhǎng)，沒(méi)有異養(yǎng)菌在空間上和 DO等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，硝化細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，與含有有機(jī)物的實(shí)際生活污水相比，啟動(dòng)時(shí)間可縮短6 d。為了縮短 N-SBR好氧硝化型生物膜的掛膜啟動(dòng)時(shí)間，分別在A2/O-SBR和N-SBR單元接種種泥，并利用A2/O-SBR單元的出水作為N-SBR硝化系統(tǒng)的進(jìn)水，該水具有“低COD濃度、高濃度”的特點(diǎn)[12]，避免了好氧型異養(yǎng)菌在生物膜上大量生長(zhǎng)，與自養(yǎng)型硝化菌競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)空間和溶解氧[15]，有利于好氧型硝化菌生物膜的形成；同時(shí)選用江蘇裕隆環(huán)保有限公司生產(chǎn)的高活性聚丙烯蜂窩式空心環(huán)懸浮生物填料作為微生物載體進(jìn)行掛膜，該填料密度比水低，表面粗糙，比表面積大，為微生物的附著生長(zhǎng)提供了充足的空間，孔隙率大，具有良好的通氣過(guò)水特性，不易堵塞，提高了基質(zhì)的傳質(zhì)效率[13]，便于生物膜的形成（填料的具體性能見(jiàn)表3）。張淼等[13]也采用了此填料在生物接觸氧化反應(yīng)器中掛膜。去除效果的好壞直接反映了N-SBR系統(tǒng)的硝化性能的好壞。因此，在N-SBR硝化生物膜系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)過(guò)程中，主要考察了系統(tǒng)的氨氮去除效果和 N-SBR反應(yīng)器內(nèi)生物填料的顏色變化。N-SBR好氧硝化生物膜系統(tǒng)掛膜啟動(dòng)過(guò)程中氨氮的變化情況如圖2所示。由于在N-SBR反應(yīng)器中接種了硝化性能良好的種泥，在掛膜啟動(dòng)的第2天，系統(tǒng)就表現(xiàn)出很好的硝化性能，出水濃度為0.2 mg·L-1，去除率高達(dá)99.7%，并且在掛膜啟動(dòng)的前11 d，平均氨氮去除率高達(dá)93.4%，平均出水濃度為4.3 mg·L-1，滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2　N-SBR掛膜啟動(dòng)過(guò)程中硝化效果的變化Fig.2 Variations of nitrification effect in N-SBR hanging membrane start process

圖3　N-SBR反應(yīng)器內(nèi)生物填料顏色變化Fig.3 Variations of bio-filler color in N-SBR reactor

2.2 A2/O-SBR除磷系統(tǒng)DPAOs的培養(yǎng)馴化特性

根據(jù)聚磷菌的分類理論[2]及近期國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)聚磷菌的組成及生物特性的研究成果[16-19]可知，以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌是聚磷菌中的一部分，因此反硝化聚磷菌的培養(yǎng)馴化分兩個(gè)階段進(jìn)行。第 1階段，采取 A/O方式交替運(yùn)行，富集聚磷菌（PAO）；第2階段，采用A/A（厭氧/缺氧）方式運(yùn)行，目的是富集利用硝態(tài)氮為電子受體的反硝化聚磷菌。

2.2.1 PAO的培養(yǎng)富集特性 A2/O-SBR除磷系統(tǒng)啟動(dòng)之初，接種北京某污水處理廠二沉池的回流污泥作為接種污泥，在厭氧/好氧條件下間歇進(jìn)行，富集以O(shè)2為電子受體的好氧聚磷菌（PAO）。如圖4所示，活性污泥馴化開(kāi)始就表現(xiàn)出一定的厭氧釋磷能力和好氧吸磷能力，在系統(tǒng)啟動(dòng)的第2天，系統(tǒng)凈厭氧釋磷量為9.0 mg·L-1，凈好氧吸磷量為8.1 mg·L-1，說(shuō)明該系統(tǒng)的接種污泥本身就含有一定量的聚磷菌，具有一定的好氧吸磷能力，其對(duì)應(yīng)的出水濃度為5.2 mg·L-1高于其進(jìn)水濃度4.3 mg·L-1，說(shuō)明此時(shí)A2/O-SBR除磷系統(tǒng)并沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)化生物除磷特性，仍需要進(jìn)一步培養(yǎng)富集PAO，強(qiáng)化其生物除磷特性。第5天，系統(tǒng)的凈厭氧釋磷量為25 mg·L-1，凈好氧吸磷量為26.1 mg·L-1，此時(shí)系統(tǒng)厭氧段釋放的磷在后續(xù)的好氧吸磷過(guò)程中被全部吸收，說(shuō)明此時(shí)以氧氣為電子受體的聚磷菌已成為A2/O-SBR除磷系統(tǒng)活性污泥體系的優(yōu)勢(shì)菌屬。作為對(duì)比，在A2N反硝化除磷系統(tǒng)[11]中，經(jīng)過(guò)12 d厭氧/好氧間歇運(yùn)行，好氧聚磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌群。第8天，系統(tǒng)厭氧末濃度為34.8 mg·L-1，凈厭氧釋磷量為30.5 mg·L-1，出水濃度為0.48 mg·L-1，去除率高達(dá)88.8%，說(shuō)明系統(tǒng)此時(shí)具備了一定的強(qiáng)化生物除磷性能。在平均進(jìn)水TP濃度為6.2 mg·L-1的條件下，平均出水TP濃度為0.3 mg·L-1，平均TP去除率為94.6%。以上結(jié)果說(shuō)明:經(jīng)過(guò)8 d的培養(yǎng)馴化，A2/O-SBR除磷系統(tǒng)內(nèi)PAO大量生長(zhǎng)繁殖，快速得到了富集，從而使系統(tǒng)表現(xiàn)出高效、穩(wěn)定的好氧吸磷效果。

圖4　PAO富集過(guò)程中凈釋磷量、凈吸磷量及磷去除率變化Fig.4 Variations of net P release, net P uptake population and phosphorus removal rate in process of PAO enrichment

從圖4可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，系統(tǒng)的凈厭氧釋磷量和凈好氧吸磷量總體上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，分別從6.2 mg·L-1增加到49 mg·L-1、從7.9 mg·L-1增加到56.9 mg·L-1，到第34天，凈厭氧釋磷量基本穩(wěn)定在40.8 mg·L-1左右，凈好氧吸磷量基本穩(wěn)定在47.5 mg·L-1左右，TP去除率保持在93%左右。在第14～33天，系統(tǒng)的凈厭氧釋磷量和凈好氧吸磷量分別約為27.6 mg·L-1、32.3 mg·L-1，相對(duì)于第 13天的凈厭氧釋磷量 37.2 mg·L-1和凈好氧吸磷量40.6 mg·L-1有所降低。分析原因可能是由于進(jìn)水中有機(jī)物濃度降低，碳源不足使厭氧釋磷不充分，從而降低了厭氧釋磷量，進(jìn)而影響了好氧吸磷量。張為堂等[20]認(rèn)為進(jìn)水有機(jī)物濃度低或高，可以通過(guò)限制厭氧釋磷量或競(jìng)爭(zhēng)AAO反應(yīng)器缺氧區(qū)的，從而影響工藝的反硝化除磷效果。

2.2.2 DPAOs的培養(yǎng)富集特性 A2/O-SBR除磷系統(tǒng)中的活性污泥經(jīng)過(guò)上一階段的培養(yǎng)馴化，聚磷菌的比例大大增加，已經(jīng)具備了很好的好氧吸磷性能。隨后進(jìn)入第2階段的培養(yǎng)馴化，進(jìn)行硝化液回流，將A2/O-SBR反應(yīng)器改用厭氧/缺氧（A/A）或厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）的方式交替運(yùn)行，將N-SBR反應(yīng)器的硝化液在缺氧初回流至A2/O-SBR反應(yīng)器，為反硝化除磷提供電子受體，富集以為電子受體的反硝化聚磷菌（DPAOs）。

圖5　DPAO培養(yǎng)富集過(guò)程中凈釋磷量、凈吸磷量、反硝化除磷量及磷去除率的變化Fig.5 Variations of population of net P release,net P uptake, denitrifying phosphorus removal and phosphorus removal rate during DPAO culture enrichment process

如圖5所示，DPAOs培養(yǎng)富集過(guò)程被分為兩個(gè)階段。在第II階段，A2/O-SBR反應(yīng)器按厭氧/缺氧交替方式運(yùn)行，其中厭氧1 h，缺氧2.5 h，厭/缺氧時(shí)間比為2:5。DPAOs富集培養(yǎng)的第3天，厭氧末和缺氧末的磷濃度分別為 34.7 mg·L-1和 7.6 mg·L-1，28.5 mg·L-1的磷在缺氧條件下被吸收，說(shuō)明 A2/O-SBR反應(yīng)器活性污泥系統(tǒng)本身存在著反硝化聚磷菌，也證明了聚磷菌分為兩類，其中一類既可以利用氧氣，又可以利用硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化吸磷[2]，楊慶娟等[11]研究也證實(shí)了該結(jié)論。A2/O-SBR系統(tǒng)在此完全反硝化除磷無(wú)好氧吸磷方式下運(yùn)行30 d后，系統(tǒng)厭氧釋磷能力和反硝化除磷能力逐漸降低，除磷效果惡化。這是由于厭氧段釋放的磷不能在后續(xù)的缺氧段通過(guò)反硝化除磷被完全去除，磷去除率、凈厭氧釋磷量、凈吸磷量均逐漸降低，系統(tǒng)平均出水磷濃度由0.53 mg·L-1上升到5.7 mg·L-1。在第30天，凈厭氧釋磷量只有1.5 mg·L-1，反硝化除磷量只有0.5 mg·L-1。

試驗(yàn)表明，DPAOs可能是好氧菌或兼性菌，缺氧反硝化吸磷現(xiàn)象不能在只有厭氧/缺氧交替的狀態(tài)下長(zhǎng)期存在[21]。生物反硝化除磷脫氮工藝要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保持高的脫氮除磷率就必須為 DPAOs提供好氧段。因此，在第Ⅲ階段將缺氧段減少0.5 h，并在其后增加 0.5 h好氧段進(jìn)行短暫曝氣，A2/O-SBR反應(yīng)器運(yùn)行方式由厭氧/缺氧改為厭氧/缺氧/好氧。系統(tǒng)凈釋磷量和反硝化除磷量隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸增加。在第38天，系統(tǒng)凈釋磷量和反硝化除磷量分別增加至 18.1 mg·L-1和 15.2 mg·L-1。第33天（即好氧曝氣第3天），磷去除率迅速增加到99.4%，并在此之后穩(wěn)定維持在94.8%左右，平均出水磷濃度為0.3 mg·L-1，這說(shuō)明好氧曝氣使系統(tǒng)的除磷性能迅速得到恢復(fù)，表現(xiàn)出穩(wěn)定高效的除磷性能。張為堂等[22]在AAO-BAF反硝化除磷系統(tǒng)二次啟動(dòng)特性的研究中發(fā)現(xiàn)，含有較長(zhǎng)好氧反應(yīng)時(shí)間的啟動(dòng)方式更有利于除磷性能的恢復(fù)。王春英[23]發(fā)現(xiàn)位于缺氧段后的二次曝氣是達(dá)到完全脫氮除磷及去除COD不可缺少的。

經(jīng)過(guò)43 d的馴化，PAOs中DPAOs的比例提高到67.81%（試驗(yàn)中DPAOs在PAOs中所占比例的測(cè)定參照 Wachtmeister等[24]的方法），這與 Zhang 等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，反硝化聚磷菌富集程度較高，表明通過(guò)第Ⅱ和第Ⅲ階段的強(qiáng)化，DPAOs得到了有效增殖。

2.3 A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中各污染物的去除特性

A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中各污染物的變化規(guī)律如圖6所示，其中圖6（a）為COD的去除特性、（b）為氨氮的轉(zhuǎn)化特性、（c）為磷的去除特性、（d）為TN的去除特性。從圖6可以看出，A2N2系統(tǒng)的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV 4個(gè)階段。第Ⅰ階段，N-SBR反應(yīng)器完成好氧硝化型生物膜的掛膜啟動(dòng)，同時(shí)A2/O-SBR反應(yīng)器完成PAO的培養(yǎng)富集，無(wú)硝化液回流，N-SBR單元硝化出水作為最終出水。在此階段盡管沒(méi)有回流硝化液進(jìn)行反硝化，但系統(tǒng)仍表現(xiàn)出一定的脫氮能力，平均TN去除率為17.9%，這主要是由微生物自身同化作用和 N-SBR反應(yīng)器內(nèi)同步硝化反硝化作用去除[25]。

第Ⅱ、第Ⅲ階段，進(jìn)行硝化液回流，培養(yǎng)富集DPAOs，A2/O-SBR單元生物除磷出水作為最終出水。結(jié)合圖6（a）～（d）可知，在第Ⅱ、Ⅲ階段，系統(tǒng)的硝化性能、脫氮性能均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，除磷性能呈先下降后上升的趨勢(shì)，而有機(jī)物去除性能僅出現(xiàn)輕微減少現(xiàn)象，其去除率保持在76.3%左右；第Ⅱ階段厭氧段去除的有機(jī)物僅占有機(jī)物總?cè)コ康?68.9%，相對(duì)于第Ⅰ階段下降了7%，表現(xiàn)為厭氧末COD濃度不斷增加，平均COD濃度為111.6 mg·L-1。在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)不大，平均進(jìn)水COD、、、TN濃度分別為247、 66.3、5.9、66.6 mg·L-1的條件下，出水 COD、、、TN濃度逐漸上升，并且 TN和的去除率波動(dòng)較大，脫氮除磷效果極不穩(wěn)定。分析其原因可能是:進(jìn)行硝化液回流后，由于硝化時(shí)間的減少和試驗(yàn)環(huán)境溫度的降低，使硝化效果變差，提供的減少，進(jìn)而影響了反硝化除磷效果，電子受體的限制以及污泥濃度的降低，不能保證氮、磷的高效穩(wěn)定去除。張為堂等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AAO的HRT為6 h，BAF氣水比為 3:1時(shí)，由于 BAF的水力停留時(shí)間太短，導(dǎo)致BAF硝化性能變差，回流至AAO反應(yīng)器缺氧區(qū)的減小，進(jìn)而導(dǎo)致了的去除效果迅速惡化。

盡管在第Ⅳ階段中系統(tǒng)的有機(jī)物、磷的去除性能較第Ⅲ階段變化不大，平均COD 去除率為80.1%，平均磷去除率為94%，但COD和TP的去除途徑卻大為不同。在第Ⅳ階段，平均厭氧末COD濃度由第Ⅲ階段的 126.7 mg·L-1下降至 72.4 mg·L-1；厭氧段COD去除量占系統(tǒng)COD總?cè)コ康?6%，比上一階段增加了19.4%，這說(shuō)明原水中約86%的COD在厭氧段被去除，用于合成PHA；系統(tǒng)中的磷基本上通過(guò)反硝化除磷途徑去除，反硝化除磷量占系統(tǒng)總除磷量的91.3%，比上一階段增加了32.5%，反硝化除磷能力不斷增加，平均出水磷濃度為0.3 mg·L-1。這可能是由于硝化時(shí)間的延長(zhǎng)，使硝化反應(yīng)充分進(jìn)行，進(jìn)入N-SBR單元的氨氮經(jīng)過(guò)5 h的好氧曝氣幾乎完全被氧化成。在內(nèi)交換比不變的前提下，通過(guò)硝化液回流至A2/O-SBR單元缺氧初的增加，從而為反硝化除磷提供了充足的電子受體，使厭氧段所釋放的磷基本上在缺氧段被吸收，同時(shí)也消耗了更多厭氧段合成并儲(chǔ)存在體內(nèi)的內(nèi)碳源PHA，因此在下一周期厭氧段需消耗更多可生物降解的有機(jī)物來(lái)合成更多的PHA儲(chǔ)存在體內(nèi)，表現(xiàn)為厭氧末COD濃度降低。

對(duì)比分析圖 6（b）、（d）可知，在第Ⅱ階段和第Ⅲ階段系統(tǒng)TN與去除率、出水TN與濃度的變化規(guī)律完全相似，這說(shuō)明在第Ⅱ階段和第Ⅲ階段，A2N2系統(tǒng)出水是系統(tǒng)出水TN主要成分，A2N2系統(tǒng)中的硝化效果直接制約了系統(tǒng)TN的去除效果。分析其原因是由于硝化時(shí)間不足，N-SBR單元硝化不充分，硝化末仍有約30 mg·L-1的氨氮剩余，隨硝化液回流至A2/O-SBR單元，不能通過(guò)反硝化除磷作用去除，這直接影響了系統(tǒng)TN去除率。在第Ⅳ階段，系統(tǒng)去除率和TN去除率相對(duì)于前兩階段均呈現(xiàn)出大幅度增加，系統(tǒng)TN的去除率取決于進(jìn)水有機(jī)物濃度，而不是N-SBR單元回流的，平均去除率高達(dá)98.6%，平均TN去除率為71%，這與該運(yùn)行工況下（內(nèi)交換比為0.7）理論TN去除率70%相吻合，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)水碳源充足，滿足反硝化除磷需求，能將回流的完全還原為N2。系統(tǒng)出水TN與出水濃度的變化規(guī)律完全相似，系統(tǒng)出水TN主要為，平均出水TN濃度為14.6 mg·L-1。此外，由于N-SBR單元二次硝化后的出水作為系統(tǒng)最終出水，因此系統(tǒng)出水TN的主要成分由變?yōu)椤?/p>

2.4 A2N2系統(tǒng)典型周期內(nèi)各污染物質(zhì)的變化規(guī)律

圖7反映了A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)成功后一個(gè)典型周期內(nèi)各污染物質(zhì)的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，原水進(jìn)入A2/O-SBR單元后被沉淀污泥稀釋，使得厭氧初COD、濃度均明顯下降；由于在進(jìn)水過(guò)程中不進(jìn)行攪拌，進(jìn)入到系統(tǒng)中的生活污水與沉淀污泥層混合不均勻，氨氮僅通過(guò)自身的紊動(dòng)傳質(zhì)作用擴(kuò)散到沉淀污泥層，而且進(jìn)水時(shí)間短，導(dǎo)致進(jìn)水氨氮稀釋不夠徹底，因此在厭氧釋磷過(guò)程中由于系統(tǒng)沉淀污泥的進(jìn)一步稀釋作用和微生物同化作用，系統(tǒng)內(nèi)濃度仍所有下降；厭氧末A2/O-SBR單元中COD濃度降為61.66 mg·L-1，原水中約73%的COD在A2/O-SBR單元的厭氧段被聚磷菌利用，轉(zhuǎn)化為 PHA儲(chǔ)存在胞內(nèi)，同時(shí)大量釋磷，厭氧末濃度達(dá)到最大值30.6 mg·L-1；由于N-SBR單元具有良好的硝化性能，進(jìn)入該單元的氨氮全部被氧化成，硝化末濃度高達(dá)35.2 mg·L-1，同時(shí)N-SBR單元進(jìn)、出水COD濃度分別為61.5、33 mg·L-1，通過(guò)物料衡算可得約13%的COD在N-SBR單元好氧曝氣過(guò)程中被去除。而陳永志等[27]在A2/O-BAF系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)COD的去除由A2/O和BAF共同完成，兩者的貢獻(xiàn)率分別為84.5%和1.3%。

圖7　A2N2系統(tǒng)典型周期內(nèi)各污染物質(zhì)的變化規(guī)律Fig.7 Variation tendency of each pollutant in A2N2system during typical period

此外，當(dāng)N-SBR 單元的硝化液回流至A2/O-SBR單元時(shí)，硝化液和沉淀污泥相互稀釋，從而使得缺氧初COD濃度有所上升，濃度從0增加至10.3 mg·L-1，NO-3-N濃度從35.2 mg·L-1下降到20.4 mg·L-1。缺氧段由于DPAOs的反硝化除磷作用，使得、濃度均表現(xiàn)急劇下降，缺氧末接近0，為5.1 mg·L-1，這說(shuō)明N-SBR硝化液回流的電子受體不足，使得反硝化除磷不夠徹底，反硝化吸磷率為83%，剩余磷在后續(xù)好氧段中被進(jìn)一步好氧吸收，好氧末為0.4 mg·L-1。系統(tǒng)出水COD、、、TN濃度分別為40.6、0、0.4、13.5 mg·L-1，其去除率分別為81.9%、100%、94%、72%，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明A2N2反硝化除磷工藝取得了穩(wěn)定的反硝化脫氮除磷效果，至此可認(rèn)為A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)成功。

3　結(jié) 論

（1）提出了A2N2雙污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝，采用實(shí)際生活污水，在N-SBR單元接種硝化性能較好的種泥，并利用 A2/O-SBR單元的出水作為N-SBR硝化系統(tǒng)的進(jìn)水進(jìn)行掛膜啟動(dòng)。培養(yǎng)馴化25 d，N-SBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的去除效果，去除率在93%以上。

（2）A2/O-SBR單元采用先厭氧/好氧(A/O)，后厭氧/缺氧(A/A)的運(yùn)行方式，運(yùn)行8 d后，好氧聚磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌；經(jīng)過(guò)43 d的培養(yǎng)馴化，DPAOs占PAOs中的67.81%。

（3）在A2N2系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的第Ⅱ階段和第Ⅲ階段，的硝化效果直接制約了TN的去除效果，系統(tǒng)出水TN主要成分為；第Ⅳ階段系統(tǒng)出水TN主要為，TN去除率取決于進(jìn)水有機(jī)物濃度，而不是N-SBR單元回流的，平均出水TN為14.6 mg·L-1。

（4）原水中約 73%和 13%的 COD分別在A2/O-SBR單元的厭氧段和N-SBR單元被去除。

（5）A2N2反硝化除磷系統(tǒng)啟動(dòng)成功后具有良好的反硝化脫氮和除磷性能，系統(tǒng)出水COD、、、TN濃度分別為40.6、0、0.4、13.5 mg·L-1，去除率分別為81.9%、100%、94%、72%，解決了傳統(tǒng)A2N工藝出水氨氮高的問(wèn)題，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

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2016-01-25收到初稿，2016-03-14收到修改稿。

聯(lián)系人:王淑瑩。第一作者:王梅香（1991—），女，碩士研究生。

Received date: 2016-01-25.

中圖分類號(hào):X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438—1157（2016）07—2987—11

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20160107

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578014)；北京市教委資助項(xiàng)目。

Corresponding author:Prof. WANG Shuying, wsy@bjut.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51578014) and the Funding Projects of Beijing Municipal Commission of Education.

Startup and stability of A2N2double sludge system denitrifying phosphorus removal process

WANG Meixiang, ZHAO Weihua, WANG Shuying, ZHANG Yong, PENG Yongzhen, PAN Cong, HUANG Yu
(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:The A2N2-SBR (anaerobic/nitrification/anoxic/nitrification) double sludge system was investigated by using low C/N domestic sewage. This study focused on the characteristics of nitrifying bacteria biofilm membrane and denitrifying phosphorus accumulating bacteria (DPAOs) domestication and cultivation, A2N2double sludge denitrifying phosphorus removal process denitrification and phosphorus removal characteristics of the startup process. The results showed that by connecting sludge to A2/O-SBR unit and N-SBR unit, respectively to culture domestication phosphorus accumulating bacteria sludge and nitrifying bacteria biofilms separately. By using the A2/O-SBR unit effluent as the influent of N-SBR nitrifying units, the nitrification biofilm was grown up successfully within 25 d. The ammonia nitrogen removal rate was stable above 93%. In the A2/O-SBR unit, the sludge mixture was operated under anaerobic/aerobic (A/O) condition firstly. Then, the activated sludge was conducted under anaerobic/anoxic (A/A) condition, which reinforced the effect of the inoculating sludge denitrifying phosphorus removal commendably. After 43 d, the denitrifying phosphorus accumulating bacteria (DPAOs) was successfully enriched. DPAOs accounted PAOs for 67.81%. The denitrifying phosphorus removalrate steadily stayed above 77.9%. After startup successfully, about 73%, 13% COD of raw water was used by phosphorus accumulating bacteria during the A2/O-SBR unit anaerobic phase and was removed in the N-SBR unit aeration process, respectively. The A2N2system effluent COD, NH+4-N, PO43--P, TN concentrations was 40.6, 0, 0.4 and 13.5 mg·L-1, respectively, meeting national level A emission standards. It was suggested that A2N2double sludge system denitrifying phosphorus removal process with good denitrification and phosphorus removal performance.

Key words:A2N2double sludge system; denitrifying phosphorus removal; domestic sewage; sequencing batch reactor; startup