改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝對(duì)低C/N比生活污水的強(qiáng)化除磷

鄭凱，張子賢，吳勇，王萬(wàn)紅，武福平

（1 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2 甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070；3 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430000）

生物處理工藝及其組合在城鎮(zhèn)污水處理中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。然而生活污水的低碳氮比限制了生物工藝的脫氮除磷效果[4-6]。生物工藝脫氮除磷的強(qiáng)化是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。高小波[7]采用多級(jí)A/O處理低碳源生活污水時(shí)，通過(guò)在一級(jí)缺氧池前加厭氧池對(duì)工藝進(jìn)行改良，結(jié)果表明出水COD、氨氮、總氮滿(mǎn)足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而總磷滿(mǎn)足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。Boelee 等[8]在低COD 生活污水工藝中加入了生物膜部分，結(jié)果表明生物膜對(duì)污水起到深度處理作用。李權(quán)等[9]發(fā)現(xiàn)多級(jí)A/O 耦合MBR 工藝運(yùn)行時(shí)，低C/N比對(duì)氨氮、COD去除效果影響不大，工藝對(duì)總氮、總磷的去除效果不佳。王之暉等[10]利用MBR長(zhǎng)污泥齡強(qiáng)化硝化作用的特點(diǎn)，采用A/O-MBR 工藝處理高氨氮生活污水，結(jié)果表明該工藝對(duì)低碳氮比、高氨氮的進(jìn)水有著良好的去除效果，其中COD 和氨氮的平均去除率分別達(dá)97.40% 和87.20%。采用多級(jí)A/O-MBR 組合工藝對(duì)低碳氮比污水進(jìn)行處理時(shí)，多級(jí)A/O-MBR 組合工藝同時(shí)具有多級(jí)A/O 工藝和MBR 工藝的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)碳源的高效利用實(shí)現(xiàn)了較好的脫氮效果，對(duì)磷仍然未達(dá)到理想處理效果。為實(shí)現(xiàn)磷的有效去除，化學(xué)除磷[11-12]常被應(yīng)用于實(shí)際工程中，但存在成本高、產(chǎn)生大量污泥等不足。相對(duì)而言，生物除磷具有應(yīng)用范圍更廣及成本低等優(yōu)勢(shì)。Kuba 等[13]發(fā)現(xiàn)，在生物脫氮除磷過(guò)程中，將傳統(tǒng)的厭氧-好氧條件替換為厭氧-缺氧條件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量反硝化聚磷菌富集的現(xiàn)象，分析工藝運(yùn)行時(shí)存在反硝化聚磷菌過(guò)量吸磷的同時(shí)進(jìn)行著反硝化脫氮過(guò)程，反映了生物除磷的潛力。

本研究通過(guò)改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝強(qiáng)化處理低C/N 比生活污水的TP，考察改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝處理低C/N 比生活污水時(shí)的除磷效果，并通過(guò)污泥靜態(tài)分析研究該工藝的強(qiáng)化除磷機(jī)理，為多級(jí)A/O-MBR 組合工藝的應(yīng)用及優(yōu)化提供指導(dǎo)和依據(jù)，以期為污水處理廠提標(biāo)改造工程提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由多級(jí)A/O 反應(yīng)器和MBR 反應(yīng)器兩部分組成，反應(yīng)器總體積為83.7L，MBR 池為16.5L。多級(jí)A/O 裝置橫向分隔成三級(jí)反應(yīng)器，一級(jí)反應(yīng)器包括前置厭氧段（A0）、缺氧段（A1）和好氧段（O1），二級(jí)包括缺氧段（A2）和好氧段（O2），三級(jí)包括缺氧段（A3）和好氧段（O3）。在好氧段底部設(shè)有微孔曝氣管，采用空氣泵進(jìn)行曝氣，在非好氧段采用電動(dòng)攪拌器。MBR 裝置采用中空纖維簾式膜加產(chǎn)水泵進(jìn)行泥水分離，池內(nèi)采用大孔曝氣管件連續(xù)微曝氣。改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝是在多級(jí)A/O-MBR 組合工藝流程的基礎(chǔ)上，將原來(lái)回流至厭氧段（A0）的回流污泥回流至缺氧段（A1），增加從缺氧段（A1）到厭氧段（A0）的內(nèi)循環(huán)。多級(jí)A/O-MBR 組合工藝流程及改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝流程如圖1 和圖2所示。

圖1 多級(jí)A/O-MBR組合工藝流程

圖2 改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝流程

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

本試驗(yàn)原水為校園生活污水（COD/TN 為5.250），屬于典型低碳氮值生活污水，水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)

1.3 分析方法

COD 采用COD 快速測(cè)定儀測(cè)定；pH 采用pH計(jì)測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；總磷、正磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法（A）測(cè)定；溶解氧用溶解氧儀測(cè)定。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)運(yùn)行主要控制參數(shù)：1～10天為未改良工藝的運(yùn)行，進(jìn)水流量8.33L/h，流量分配比為50%∶35%∶15%，污泥回流比為50%，污泥齡20d，好氧段溶解氧（DO）為1.5mg/L；11～40天為改良工藝的運(yùn)行，厭氧段（A0）與缺氧段（A1）之間的內(nèi)循環(huán)的內(nèi)回流比為25%，其他運(yùn)行條件不變；工藝改良前后均在運(yùn)行穩(wěn)定的條件下進(jìn)行沿程取樣分析。

污泥靜態(tài)分析試驗(yàn)：①分別用10L的SBR反應(yīng)器取工藝運(yùn)行第10、20、30、40天的回流污泥，并投加乙酸鈉作為碳源、磷酸二氫鉀作為磷源，初始COD 濃度為200.0mg/L，磷酸鹽濃度為6.030mg/L。在厭氧條件（DO 為0.1mg/L） 下進(jìn)行攪拌，在150min內(nèi)每隔30min取樣、離心并測(cè)定上清液磷酸鹽濃度。②150min 后將混合液分別倒入兩個(gè)SBR反應(yīng)器中，其中一個(gè)反應(yīng)器中加入硝酸鉀，使初始硝酸鹽氮濃度為25mg/L，并在缺氧條件下（DO 為0.4mg/L）進(jìn)行攪拌；另一個(gè)反應(yīng)器在好氧條件下（DO 為4.0mg/L） 曝 氣 攪 拌；在300min 內(nèi) 每 隔30min分別取樣檢測(cè)上清液磷酸鹽濃度。計(jì)算比吸磷速率v，如式(1)所示。

式中，v為比吸磷速率，mg/(g·h)；ΔC為Δh時(shí)間內(nèi)磷酸鹽濃度的變化量，mg/L；x 為污泥濃度，g/L；Δh為時(shí)間變化量，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝性能

2.1.1 對(duì)TP的去除效果

工藝改良前后對(duì)TP 的去除效果和各處理單元正磷酸鹽的沿程變化情況分別如圖3 和圖4 所示。從圖3 可以看出，多級(jí)A/O-MBR 組合工藝改良前（第1～10 天）出水TP 平均去除率為77.78%；工藝改良后，系統(tǒng)運(yùn)行第11～20 天出水TP 平均去除率為77.13%，系統(tǒng)運(yùn)行第21～30 天出水TP 平均去除率為79.60%；隨著改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，TP 的去除效果顯著增強(qiáng)，運(yùn)行第30～40天出水總磷平均去除率為86.36%。由圖4可以看出，改良前后的工藝在厭氧段（A0）都有明顯的磷釋放，改良后的工藝釋磷量明顯增大，第40天的磷釋放量已經(jīng)是第10天的2倍左右。

圖3 各階段對(duì)總磷的去除效果

圖4 各處理單元正磷酸鹽的沿程變化情況

把組合工藝污泥回流的格室由（A0）室更改至（A1）室，避免了回流污泥增加厭氧（A0）室的溶解氧破壞厭氧環(huán)境，厭氧區(qū)環(huán)境的優(yōu)化使聚磷菌及反硝化聚磷菌釋磷充分，進(jìn)而增強(qiáng)了聚磷菌及反硝化聚磷菌在缺氧區(qū)及好氧區(qū)的吸磷效果[14]，強(qiáng)化了A/O-MBR 組合工藝的除磷效果；同時(shí)，由圖4 可以看出厭氧段（A0）的磷含量顯著提升將使C/P 顯著下降，低C/P 在抑制聚糖菌的同時(shí)促進(jìn)了聚磷菌的生長(zhǎng)[15]，厭氧段（A0）中聚磷菌數(shù)量增多將有效強(qiáng)化A/O-MBR組合工藝的除磷效果。

2.1.2 對(duì)COD、氨氮及TN的去除效果

圖5 各階段對(duì)COD、TN、氨氮的去除效果

改良前后工藝對(duì)COD、氨氮及TN的去除效果如圖5所示。工藝改良前后系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率分別為89.65%和89.85%，因?yàn)閮蓚€(gè)階段系統(tǒng)好氧段污泥負(fù)荷在0.1200～0.1600kgCOD/kgMLSS·d 之間，均屬于低有機(jī)負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)去除有機(jī)物容量充足，均能夠很好地去除原水中COD；較低的氨氮負(fù)荷也使得工藝改良前后對(duì)氨氮均有良好的去除效果，工藝改良前后系統(tǒng)對(duì)氨氮的平均去除率分別為95.06%和95.24%；工藝改良前后系統(tǒng)對(duì)TN的平均去除率分別為73.34%和75.44%，改良型多級(jí)A/OMBR 組合工藝能小幅提升系統(tǒng)對(duì)TN 的去除效果，分析原因?yàn)楦牧夹投嗉?jí)A/O-MBR 組合工藝的反硝化聚磷菌在厭氧區(qū)充分釋磷之后，在缺氧區(qū)以硝酸鹽氮為電子受體進(jìn)行吸磷，硝酸鹽被還原成了氮?dú)?，反硝化聚磷菌本身可以通過(guò)代謝在除磷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮，在不增加額外碳源消耗情況下增加了反硝化脫氮這一途徑，解決了傳統(tǒng)工藝脫氮除磷時(shí)對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)[16-17]，從而提高了TN的去除率。

2.2 改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝的反硝化除磷

將原來(lái)回流至厭氧段（AO）的回流污泥回流至缺氧段（A1），并增加從缺氧段（A1）到厭氧段（AO）的內(nèi)循環(huán)的改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化除磷，對(duì)TP 去除率顯著提高，達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)污泥靜態(tài)分析試驗(yàn)量化反硝化聚磷菌的比例，進(jìn)一步探索改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝強(qiáng)化反硝化除磷機(jī)理。

第10、20、30、40 天污泥厭氧釋磷、缺氧吸磷及好氧吸磷的變化特征如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，工藝改良前污泥在厭氧條件下（0～150min）釋磷，磷酸鹽濃度由6.03mg/L提升至14.48mg/L，從圖6(b)～(d)可以看出，工藝改良后，第20、30、40 天靜態(tài)試驗(yàn)中，150min 厭氧釋磷后的磷酸鹽濃度分別為21.53mg/L、25.46mg/L、28.39mg/L，因?yàn)殪o態(tài)污泥試驗(yàn)投加了乙酸鈉導(dǎo)致釋磷量有所提升；改良型組合工藝的厭氧區(qū)釋磷效果逐步提高，良好的釋磷效果將有助于組合工藝對(duì)TP 的去除，這與2.1.1 節(jié)中的分析相一致。

同時(shí)由圖6可以看出，最大比缺氧吸磷速率分別為0.0680mg/(g·h)、0.1370mg/(g·h)、0.2860mg/(g·h)、0.3290mg/(g·h)；最大比好氧吸磷速率分別為0.3770mg/(g·h)、 0.7190mg/(g·h)、 1.155mg/(g·h)、1.232mg/(g·h)，兩者的比值可以認(rèn)為是污泥中反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例[18-19]，分別為18.04%、19.05%、24.76%、26.70%，由此量化了反硝化聚磷菌第10、20、30、40 天時(shí)占總聚磷菌比例。隨著改良型組合工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，反硝化聚磷菌的比例呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，組合工藝改良前系統(tǒng)中存在反硝化聚磷菌但聚磷作用并不明顯。反硝化聚磷菌與聚磷菌釋磷原理相同，但在吸磷階段，能以氧氣、硝酸鹽作為電子受體的反硝化聚磷菌可以從廢水中過(guò)量吸磷[20]，同時(shí)，反硝化聚磷菌的反硝化除磷過(guò)程中對(duì)硝酸鹽的利用彌補(bǔ)了低C/N值污水碳源不足，實(shí)現(xiàn)了低C/N值污水良好的除磷效果。富集的反硝化聚磷菌在強(qiáng)化除磷的同時(shí)也能提高TN 的去除效果，與2.1.2節(jié)中TN去除率的提高相一致。

圖6 不同階段污泥厭氧釋磷、缺氧吸磷及好氧吸磷特征

組合工藝改良后增加厭氧段（A0）與缺氧段（A1）之間的內(nèi)循環(huán)強(qiáng)化了厭氧/缺氧交替環(huán)境，反硝化聚磷菌作為兼性厭氧細(xì)菌得到了富集[21-22]，導(dǎo)致反硝化聚磷菌比例的提高，從而在一定程度上強(qiáng)化組合工藝對(duì)磷的去除；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)反硝化聚磷菌增多的同時(shí)，反硝化速率也在一定程度上提高了，其中，回流位置的改變使回流至缺氧段（A1）的硝酸鹽顯著增多，硝酸鹽濃度的升高將有效提高反硝化聚磷菌的吸磷速率，同時(shí)，這種因流加方式而增多的硝酸鹽不會(huì)導(dǎo)致亞硝酸的累積而抑制反硝化過(guò)程[23-24]；改良型組合工藝有效增加了反硝化反應(yīng)的數(shù)量與速率，利用反硝化除磷過(guò)程實(shí)現(xiàn)了低C/N生活污水的強(qiáng)化除磷。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)將原來(lái)回流至厭氧段的回流污泥回流至缺氧段，并增加從缺氧段到厭氧段的內(nèi)循環(huán)的改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝，顯著提高了對(duì)總磷去除效果，去除率達(dá)到了86.36%，同時(shí)對(duì)COD、氨氮及總氮具有良好的去除效果，均達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）改良型多級(jí)A/O-MBR 組合工藝提高了反硝化聚磷菌的比例，由18.04%提升至26.70%，通過(guò)強(qiáng)化反硝化聚磷菌的反硝化除磷作用，提升了TP 和TN 的去除率。同時(shí)，改良型多級(jí)A/O-MBR組合工藝較好的厭氧環(huán)境提高了聚磷菌比例，也強(qiáng)化了組合工藝中聚磷菌的除磷效果。