COD、－N與后置曝氣對A2SBR反硝化除磷的影響

張蘭河，劉 強，賈艷萍，馬 軍

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱，zhanglanhe@163.com;2.東北電力大學化學工程學院，132012吉林吉林;3.城市水資源開發利用(北方)國家工程研究中心，150090哈爾濱)

為了對反硝化除磷工藝進行系統的理論研究，本研究采用A2SBR工藝，考察COD、硝態氮質量濃度與后置曝氣對A2SBR工藝反硝化除磷效果的影響.

1 實驗

1.1 實驗裝置

采用7套規格完全一致的SBR反應器進行反硝化除磷試驗(分別為1～7#).1～4#反應器COD質量濃度分別控制為150、200、250和300 mg/L，硝態氮質量濃度均為40 mg/L;5－7#反應器COD質量濃度均為200 mg/L，硝態氮質量濃度分別控制為30、35和40 mg/L.反應器工作容積均為1.7 L.穩定運行階段每天運行3個周期，每個周期運行8 h:①進水(10 min);②2.5 h厭氧階段;③3.5 h缺氧階段:一次性加入硝酸鹽，硝態氮質量濃度30～40 mg/L;④10 min曝氣;⑤沉淀(90 min);⑥排水(10 min).實驗裝置如圖1所示.

本實驗污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠的二沉池，該廠采用A/O工藝處理生活污水.污泥質量濃度為2.5 g/L.溫度20～30℃，pH控制在6.8～8.0，污泥齡控制在20 d.

圖1 A2SBR工藝實驗裝置圖

1.2 原水水質

實驗采用人工配水，乙酸鈉作為碳源，磷酸二氫鉀作為磷源，其中COD為200 mg/L，－P控制在4～6 mg/L，在缺氧段加入－N、NH4Cl(0.02 g/L)、MgSO4·7H2O(0.6 g/L)、CaCl2·2H2O(0.07 g/L)、EDTA(0.01 g/L).每升水中加入2 mL營養溶液，營養溶液成分:FeCl3·6H2O(1.5 g/L)、H3BO3(0.15 g/L)、CuSO4· 5H2O(0.03 g/L)、KI(0.03 g/L)、MnCl2·4H2O (0.12 g/L)、CoCl2·6H2O(0.15 g/L)和ZnSO4·7H2O(0.12 g/L).

1.3 分析項目及方法

2 結果與討論

2.1 A2SBR工藝穩定運行試驗效果

污泥經過1個月的馴化，實現了反硝化除磷系統的啟動，系統啟動后穩定運行1個月.圖2為SBR反應器穩定運行第30天1個周期內各污染物的變化.進水COD質量濃度為200 mg/L，磷酸鹽質量濃度在4～6 mg/L，缺氧段加入的－N為40 mg/L.厭氧段COD在0.5 h內從200 mg/ L降到 105.7 mg/L，－P質量濃度從4.67 mg/L上升到20.5 mg/L，表明DPB能夠高效利用COD合成PHB進行磷的釋放.厭氧段結束后，系統中的COD和－P質量濃度分別為48.74和37.56 mg/L.在缺氧段開始1 h內－N和－P質量濃度分別從40和37.56 mg/L下降至12.4和16.57 mg/L.在缺氧段結束時，系統的COD、－N和－P的去除率分別為80.17%、90.3%和91%.在好氧段曝氣10 min后，COD和－N的質量濃度分別為38.95和3.88 mg/L，－P質量濃度接近于零，去除率接近100%.

2.2 COD質量濃度對反硝化除磷系統的影響

將馴化好的污泥等量分成4份，分別放在4個SBR反應器中.在厭氧段開始時，COD分別控制在1#150、2#200、3#250和4#300 mg/L，考察COD對反硝化除磷系統的影響，該階段的試驗穩定運行10個周期.

圖3表明不同質量濃度COD在一個周期內的變化.0～0.5 h 4個SBR反應器中COD降解速率均較高.從0.5 h開始，COD降解速率開始下降，厭氧結束(2.5 h)，1#、2#、3#SBR反應器COD質量濃度均保持穩定，4#SBR反應器3 h后達到穩定.1～4#SBR反應器最終COD的去除率分別為79%、80%、81.6%和80.2%.

圖2 啟動后COD、－P與－N隨時間的變化

圖3 一個運行周期COD隨時間變化

圖4表明1～4#反應器中磷酸鹽的變化.0～0.5 h磷酸鹽釋磷量快速增加，在厭氧結束后，1～3#SBR反應器磷酸鹽質量濃度均達到最高，而4#SBR反應器在3 h達到最高.在缺氧段開始時，4個反應器中投加硝酸鹽，其質量濃度控制在35 mg/L，磷酸鹽的質量濃度開始降低，即DPB開始吸磷，在缺氧段結束后，1～4#反應器出水磷酸鹽質量濃度分別為2.56、0.40、0.37和3.62 mg/ L，其磷酸鹽去除率分別為51.78%、92.32%、92.97%和62.45%.

從圖3、4對比可以看出，1#反應器由于進水COD較低，導致在厭氧段DPB污泥細胞內沒有貯存足夠的PHB顆粒，在缺氧段缺少足夠的能量從水體中吸收磷酸鹽，最終導致系統去除磷酸鹽的能力較低.4#反應器進水COD較高，厭氧結束COD為80.5 mg/L，因此，當加入硝酸鹽時，系統優先進行傳統的反硝化反應，這時并未進行吸磷反應，而是仍然存在釋磷，但釋磷量較低.當COD降到一定質量濃度(60 mg/L左右)時，再進行吸磷反應，由于這時硝酸鹽質量濃度較低，最終導致磷的去除率較低.2#和3#反應器中COD質量濃度適宜(200～250 mg/L)，既未發現能量不足，也未發生缺氧段COD質量濃度過高現象，因此，磷去除率較高.

圖4 一個運行周期－P隨時間變化

為了證明COD的存在是否影響缺氧段的釋磷，在缺氧段開始同時加入硝酸鹽和乙酸鈉.圖5表明，當缺氧段開始，系統并未立即進行吸磷，而進行少量釋磷，并在1 h內COD和硝態氮均迅速下降，1 h后系統開始吸磷.Koichi Soejima等［9］研究也發現，在AOA工藝中好氧段開始加入一定質量濃度COD，可以導致好氧段不進行吸磷.A.Wachtmeister等［10］在研究電子受體和電子供體同時存在時發現在缺氧段存在COD時，系統不進行吸磷，而是進行反硝化反應，只有當COD質量濃度很低時才開始進行吸磷.

圖5 一個運行周期P－N和COD隨時間的變化

2.3 硝態氮質量濃度對反硝化除磷的影響

厭氧結束后的污泥分成3份，分別放置在3個SBR反應器(5～7#)中.缺氧段開始加入不同質量濃度的硝酸鹽，考察硝酸鹽對反硝化除磷效果的影響，該階段穩定運行10個周期.

圖6為硝態氮在缺氧段的變化.0～1 h 3個反應器的反硝化速率均較高.1 h開始反硝化速率開始降低.5.5 h時5#反應器硝態氮質量濃度達0.25 mg/L，說明其反硝化過程結束.缺氧結束時，3個反應器出水硝態氮分別為 0、0.6和3.41 mg/L，硝態氮去除率分別為100%、98.3%和91.5%，這說明該系統反硝化效率較高.

圖7為磷酸鹽質量濃度在缺氧段的變化.加入硝酸鹽后，3個系統開始吸磷.5#在5.5 h時，磷酸鹽質量濃度達到最低0.52 mg/L，而在缺氧段最后0.5 h內(5.5～6.0 h)，磷酸鹽質量濃度開始上升，這表明再次發生了釋磷現象.6#、7#反應器在缺氧結束后，吸磷結束.最終3個反應器磷酸鹽出水質量濃度分別為2.34、0.34和0.45 mg/L.

從圖6、7可以看出，在5.5 h時5#反應器中硝態氮與總磷質量濃度達到最低.在5.5～6.0 h中由于硝態氮質量濃度接近零，并且水中不存在溶解氧，該系統從缺氧狀態變成厭氧狀態，導致DPB污泥又開始釋磷，但是這種釋磷在缺少COD條件下進行，屬于無效釋磷，對系統有害.6#與7#反應器出水磷酸鹽質量濃度較低，但是7#反應器硝態氮出水質量濃度為3.41 mg/L，高于6#硝態氮出水質量濃度(6#硝態氮出水質量濃度0.6 mg/L).

圖6 －N質量濃度隨時間的變化

2.4 后置曝氣對反硝化除磷效果的影響

如圖8所示，當經過3.5 h的缺氧段后，磷酸鹽質量濃度為0.4～0.6 mg/L，去除率達到91%左右.在3.5 h之后進行10 min曝氣(控制DO質量濃度為1 mg/L)，出水磷酸鹽質量濃度下降至0.05 mg/L左右，去除率達99%.在缺氧段結束后，硝酸鹽質量濃度為0.5 mg/L左右，不能夠滿足去除水中磷酸鹽的要求.DPB污泥不但可以利用硝酸鹽，還可以用氧氣來作為電子受體進行吸磷.并且DPB污泥利用氧氣作為電子受體的效率比利用硝態氮作為電子受體高25%［11］，因此，能夠快速去除水中殘余的磷酸鹽.

圖7 －P質量濃度隨時間的變化

圖8 后置曝氣對磷酸鹽去除率的影響

另外，實驗發現當缺氧段反硝化過程結束后，產生的氮氣附著在污泥上，導致污泥上浮.一部分污泥沉降在反應器的底部;一部分污泥漂浮在水體上面;還有一部分污泥上下浮動.如果閑置時間足夠長，將會出現污泥整體上浮.當進行10 min的曝氣后，能夠有效地對氮氣進行吹脫，使污泥的沉降性能得到明顯的改善.對曝氣后出水進行SV檢測，SV為21%.

3 結論

1)當進水COD質量濃度為200～250 mg/L時，系統出水磷酸鹽去除率保持在92%左右.當缺氧段硝態氮質量濃度為35 mg/L時，其去除率可達 98.3%，磷酸鹽出水質量濃度達最低0.34 mg/L.

2)當缺氧段同時存在高質量濃度COD和硝態氮時，系統進行傳統的反硝化;當COD質量濃度低于60 mg/L左右時，開始進行反硝化除磷.

3)快速曝氣10 min能夠有效去除水中殘余磷酸鹽，磷酸鹽去除率從缺氧段的92%提高到99%，并且能夠有效改善污泥的沉降性能，SV為21%，避免氮氣污泥上浮的發生.

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