有機負荷對污泥減量HA-A/A-MCO 工藝吸放磷的影響

曾 曜

針對現有污泥減量技術中存在的尖銳問題——氮、磷去除率低，尤其是污泥減量與生物除磷不能兼優［1，2］，筆者輔以外排厭氧富磷污水除磷，開發了具有強化除磷脫氮功能的低污泥產率HAA/A-MCO工藝(Hydrolysis-Acidogenosis-Anaerobic/Anoxic-Multistep Continuous Oxic tank)，其生物處理單元是采用水解酸化、多級串聯接觸曝氣、連續流的除磷脫氮A2/O工藝。研究發現該系統具有良好的同步除污和污泥減量性能。本研究通過靜態試驗考察分析有機負荷對厭氧釋磷和好氧吸磷過程的影響規律，來確定HA-A/A-MCO系統適宜的有機負荷以達到良好的除磷效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及工藝流程

圖1 HA-A/A-MCO工藝流程示意圖

HA-A/A-MCO工藝流程見圖1。該工藝生物處理單元是采用水解酸化、多級串聯接觸曝氣、連續流的除磷脫氮A2/O工藝，由水解酸化池、厭氧釋磷池、缺氧池、多級串聯接觸曝氣池、二沉池、側流除磷池和化學除磷池組成。反應裝置用PVC材料制作，其中水解酸化池有效容積為50 L，HRT為2.5 h;厭氧池和缺氧池有效容積均為30 L，HRT均為1.5 h;多級串聯接觸曝氣池分成相對獨立的三格:第一格細菌分散培養區有效容積為15 L，HRT為0.5 h～0.75 h;第二格原生動物生長區有效容積為30 L，HRT為1.5 h;第三格后生動物生長區有效容積為40 L，HRT為2 h;多級串聯接觸曝氣池池底安裝有微孔曝氣管通過空氣壓縮機充氧，第二、三格填有填充比為40%的組合式生物填料。側流沉淀池用以提供化學除磷所需的厭氧釋磷上清液，HRT為1 h;二沉池采用輻流式，HRT為1 h。

污水與少量厭氧釋磷污泥導入水解酸化池，完成VFA的轉化和污泥量的減少。水解后富含VFA的清液與缺氧脫氮后的反硝化回流液混合進入厭氧池，在VFA刺激下，強化聚磷菌釋磷獲得高濃度釋磷液。據厭氧釋磷液磷濃度，將13%進水量的釋磷清液導入化學除磷池進行磷的化學固定，產生的化學污泥用于磷回收。釋磷后的混合液與好氧硝化液、回流污泥一起導入缺氧池完成氮的反硝化去除，脫氮后混合液與除磷上清液進入多級串聯接觸曝氣池完成磷的好氧吸收、碳的氧化以及氮的氨化、硝化，該池利用有機物濃度梯度、水利停留時間和溶解氧濃度及生物填料填充比等因素控制范圍的不同提高高等微生物的生長密度、延長食物鏈，利用微型動物的逐級捕食作用減少污泥產量，經多級串聯接觸曝氣池生物反應后的混合液最后經二沉池沉淀出水排放。

運行過程中，裝置進水流量為20 L/h;多級串聯接觸曝氣池三格的 DO 分別為(0.5 ～1.0)mg/L，(1.0 ～1.5)mg/L，(1.0 ～1.5)mg/L;污泥回流比、硝化液回流比、反硝化脫氮液回流比、厭氧釋磷污泥回流比分別為40%，150%，100%和2%。

1.2 試驗水質及測試方法

試驗用水由重慶大學校園生活污水，自來水，淀粉，葡萄糖，奶粉，NH4Cl，KH2PO4和無水Na2CO3配制而成，其COD為316 mg/L～407 mg/L，TP為8 mg/L～12 mg/L，NH3-N為13 mg/L～20 mg/L，TN為17 mg/L～26 mg/L，pH 值為7～8。

COD:HACH Dr/2010 COD測定儀;TP:鉬酸銨分光光度法;NH3-N:納氏試劑光度法;TN:過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法;pH:ORP-431型pH測定儀;DO:YSI 5100型DO測定儀;MLSS:重量法。

1.3 靜態試驗方法

從HA-A/A-MCO系統厭氧池中取25 L污泥混合液，靜置排除上清液后得到污泥10 L，放入體積為28 L的聚乙烯桶反應器中培養，培養過程為:加原污水15 L、厭氧攪拌1.5 h、曝氣4 h、沉淀排水0.5 h。培養5 d后，向反應器中投加過量磷酸鹽使除磷菌在好氧階段吸磷達到飽和狀態，然后用自來水反復漂洗以去除混合液中過量的磷，排除上清液后，將10 L污泥均分到5個有效容積為5 L的聚乙烯桶反應器，向其中分別加入3 L有機物濃度不同的污水，使得5個反應器中污泥濃度一樣、有機負荷各不相同，將其分別編號1號～5號，其他運行工況參數如表1所示。

2 試驗結果

2.1 TP和COD沿程變化規律分析

圖2，圖3反映了5個試驗工況條件下混合液中TP和COD隨反應時間的沿程變化情況。

表1 靜態試驗運行參數

圖2 TP隨反應時間的變化

從圖2試驗結果可以看出，在低有機負荷(0.049 g COD/(g MLSS·d))條件下，由于碳源不足，導致厭氧磷釋放基本以線性方式、在很低的速率下進行;而在其余4個較高負荷條件下，厭氧釋磷速率和數量較之低負荷時大大增加，且磷的釋放速率初始增加較快，隨厭氧時間延長釋放速率越來越小，最終趨于穩定。從圖2還可以看出，當負荷分別增加至0.162 g COD/(g MLSS·d)和0.207 g COD/(g MLSS·d)時，混合液中釋放磷的量增幅很小，基本與負荷為0.141 g COD/(g MLSS·d)時的釋放速率和數量相當。即當負荷增加至一定值時，有機物不再是磷釋放的限制性因子。也就是在本實驗條件下，0.141 g COD/(g MLSS·d)是厭氧釋磷的最適(臨界)負荷。

結合圖3中COD濃度隨厭氧時間的變化情況可以看出，在較高有機負荷條件下(0.141 g COD/(g MLSS·d)，0.162 g COD/(g MLSS·d)和 0.207 g COD/(g MLSS·d))，厭氧階段后期混合液中尚存在一定量的COD，而磷釋放量的增幅卻很小，分析認為是因為混合液污泥中可釋放的貯磷基本釋放完全。

圖3 COD隨反應時間的變化

2.2 污泥最大可釋放貯磷量

有研究認為，厭氧條件下，當有機物充足時，磷的釋放速率取決于污泥本身可釋放的貯磷量［3］。

其中，t為反應時間，h;k為反應速率常數;M為污泥濃度，mg/L;P為釋放的磷量，mg/L;Ps為污泥中可釋放的貯磷量，mg/L;Pm為污泥中最大可釋放的貯磷量，mg/L。

假設試驗過程中污泥濃度M保持不變，即為常數，對式(1)兩邊積分，得單位污泥釋磷量(P/M)為:

通過繪制單位污泥釋磷量P/M隨厭氧釋磷時間的沿程變化情況(如圖4所示)，可求得單位污泥的最大可釋放貯磷量Pm/M的值。

圖4 單位污泥釋磷量隨厭氧時間的變化

式(1)和式(2)成立的前提是混合液中有機物量充足，因此，在碳源受限時(有機負荷為0.049 g COD/(g MLSS·d)和0.105 g COD/(g MLSS·d))此兩式不成立。

從圖4可以看出，P/M隨厭氧時間的變化規律與TP厭氧釋放規律很相似。且有機負荷為3號0.141 g COD/(g MLSS·d)，4 號0.162 g COD/(g MLSS·d)和5 號0.207 g COD/(g MLSS·d)對應的試驗結果與式(2)最為吻合，從這三條曲線發展趨勢可以估測出單位污泥最大可釋放貯磷量Pm/M為5.7 mg P/g MLSS。

3 結語

當系統有機負荷較低時，有機物濃度是磷厭氧釋放的限制性因素，當負荷增加至一定值，有機物不再是磷釋放的限制性因子，厭氧釋磷的臨界有機負荷為0.141 g COD/(g MLSS·d)。HA-A/A-MCO系統中單位污泥最大可釋放貯磷量為5.7 mg P/g MLSS。

［1］ 左 寧，吉芳英，萬小軍，等.污泥齡對LSP＆PNR污泥減量新工藝運行效能的影響［J］.環境工程學報，2008，2(1):105-109.

［2］ Yuansong wei，R T.Van Houten，A R.Borger，et al.Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment［J］.Water Research，2003，37(1):4453-4467.

［3］ 趙 斌，何紹江.微生物學實驗［M］.北京:科學出版社，2002.