多點循環的厭氧/缺氧并聯+好氧工藝脫氮除磷

赫俊國，魏文濤，邱 微，2，胡惠秩，劉明超

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱;

2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱)

目前，我國污水廠普遍采用同步脫氮除磷工藝，如A2/O、SBR、氧化溝等.SBR工藝對自控設備要求較高，且生化反應均在同一空間中進行，脫氮和除磷相互影響;氧化溝工藝處理效果穩定，但占地面積大而難以在大中型城市中使用，且不適于北方寒冷地區的污水處理［3-4］;A2/O工藝是南北方、大中小規模污水處理廠廣泛采用的工藝［5-6］，具有流程簡單、總水力停留時間短等優勢［7］，已成為我國尤其是北方地區污水廠的主要處理工藝.然而傳統A2/O工藝中，由于各種功能菌群對環境、營養物和生存空間的競爭，及脫氮菌群與除磷菌群之間污泥齡的矛盾，脫氮除磷的效果難以達到更高要求［8］.針對以上問題，提出了多點循環的厭氧/缺氧并聯+好氧工藝，將厭氧/缺氧工藝并聯設置，出水在好氧段混合，采取控制進水和污泥、硝化液多點循環的運行方式，以期有效解決各種功能菌群間污泥齡的矛盾以及營養物競爭等問題，從而為污水廠對氮、磷污染物的深度削減提供技術支持.

1 實驗

1.1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1(a)、(b)所示，可在并聯、串聯兩種條件下運行.處理流量為5 L/h，總容積為40 L.其中厭氧段、缺氧段均為5 L;好氧段分為3格，有效容積為30 L;二沉池為13 L.通過冷水機控制反應器內部溫度維持在(22±1)℃，裝置進水及各回流系統均采用BT100-2J型蠕動泵，在反應器各段均設有多個取樣口.厭氧段和缺氧段設有JJ-1型增力電動攪拌器.好氧段風機選用ACO-004型電磁式空氣泵，通過LZB-4型轉子流量計調節曝氣量，控制溶解氧在厭氧段小于0.2 mg/L、缺氧段為0.2～0.5 mg/L、好氧段為1.5～2.5 mg/L.前期研究表明，當厭氧段與缺氧段進水量分別達總處理量的30%以上時，可滿足厭氧段釋磷與缺氧段反硝化的營養物需求，使營養物不成為限制因素.因此，首先固定厭氧段、缺氧段進水比例為1∶1，確定污泥回流至厭氧段的最佳范圍，在此基礎上確定污泥回流至好氧段的最佳范圍，再考察硝化液的最佳回流量，確定厭氧/缺氧最佳進水比例，最終得到系統的最優工況點.

實驗用水取自哈爾濱市某家屬區的生活污水，水質指標如下(mg/L):COD 250～380，NO3-N 0.2～2.0，NH3-N 30～50，TN 50～70，TP 3.5～5.5，SS 100～200.接種污泥取自正常運行污水廠的二沉池污泥，污泥指標如下:MLSS 6.5 g/L，MLVSS 4.8 g/L，SV3050%，SVI 77.

1.2 分析方法

COD、NO3-N、NH3-N、TN、TP、MLSS、MLVSS、SV30、DO和pH均采用2002年國家環保局發布的水和廢水檢測分析方法［9］.實驗數據均由系統穩定后采集3組數據取平均值得到.

圖1 實驗工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 污泥回流比對處理效能的影響

2.1.1 厭氧段污泥回流比對除磷效果的影響

傳統A2/O工藝中，由于聚磷菌在厭氧段釋磷后先經過缺氧段，導致在好氧段吸磷動力無法充分釋放，除磷效果受到影響［10］.本實驗工藝將厭氧段與好氧段直接相連，最大程度利用了厭氧段積累的吸磷動力.設置8組厭氧段污泥回流比，即5%、10%、15%、20%、40%、60%、80%、100%，研究厭氧段不同污泥回流比對系統除磷效果的影響.

厭氧段釋磷倍數(n釋)與好氧段吸磷比例(1∶n吸)分別定義如下:

式中:ρ進(TP)、ρ厭(TP)、ρ好(TP)分別為進水、扣除稀釋作用后厭氧段及好氧段TP質量濃度，mg/L.

由圖2(a)可知，隨著厭氧段污泥回流比的逐漸增大，n釋與1∶n吸均隨之增大，最大n釋達6.20倍，最大1∶n吸為1∶7.16，1∶n吸與n釋有較強的相關性.當回流比低于15%時，n釋＜4，1∶n吸＜1∶5，主要是回流至厭氧段的聚磷菌生物量較少，造成聚磷菌的釋磷量受限，因而好氧段的吸磷量也受到影響.當回流比高于60%時，n釋維持在6.10～6.20倍，1∶n吸處于1∶7.06～1∶7.16，增大的趨勢并不明顯，這是因為厭氧段水力停留時間的縮短使得聚磷菌未能充分釋磷，吸磷能力得不到最大程度的利用.由圖2(b)可知，隨著厭氧段污泥回流比的增大，出水TP質量濃度逐漸降低，TP去除率逐漸升高.當厭氧段污泥回流比低于15%時，系統出水TP質量濃度大于0.5 mg/L，去除率低于90%;當回流比大于等于15%時，去除率均高于93%且變化并不明顯，出水TP均可達到國家一級A排放標準［11］.考慮到污泥回流比越大，動力消耗也相應增大，確定厭氧段污泥最佳回流比為15%.

圖2 厭氧段污泥回流比與除磷效果的關系

2.1.2 好氧段污泥回流比對硝化效果的影響

增設好氧段污泥回流可以增加好氧段的生物量，有利于系統中硝化細菌的繁殖與保持，保證好氧段的硝化效果［12］.此外，并聯進水使得回流至好氧段的硝化細菌不必經過厭氧段，避免了傳統A2/O工藝中厭氧段過低的溶解氧對硝化細菌的抑制作用.設置6組好氧段污泥回流比，即85%、70%、55%、40%、30%、20%，研究好氧段不同污泥回流比對系統硝化效果的影響.

如圖3(a)所示，隨著好氧污泥回流比的逐漸增大，好氧段氨氮的轉化率也隨之增大，最高可達98.44%.當回流比為20%時，氨氮的轉化率僅為90.52%，低于其他5種回流比條件下95%以上的氨氮轉化率，這說明回流比降至20%時，硝化效果已受到影響.由圖3(b)可知，隨著好氧段污泥回流比的減小，出水氨氮質量濃度由0.57 mg/L增至3.82 mg/L，均能達到國家一級A排放標準［11］，但回流比為20%時出水氨氮已接近5 mg/L的限值，而在其他5組回流比條件下出水氨氮均在1.7 mg/L以下，因此，為保證系統對氨氮具有穩定的去除率，同時考慮回流能耗的影響，確定好氧污泥最佳回流比為30%.

圖3 好氧段污泥回流比與硝化效果的關系

2.2 硝化液回流比對反硝化效果的影響

研究表明［13-15］，當缺氧段的反硝化碳源充足時，系統的脫氮效率與硝化液回流比密切相關.硝化液回流量過低會直接降低氨氮轉化率以及TN去除率，而回流量過高則會破壞缺氧環境，影響反硝化效果［16］.實驗設置5組硝化液回流比，即200%、250%、300%、350%、400%，研究不同硝化液回流比對反硝化效果的影響.

圖4表明，當硝化液回流比為200%、250%、300%、350%、400%時，對應的系統出水TN質量濃度分別為14.38、11.42、8.20、8.69、10.33 mg/L，均能滿足國家一級A排放標準［11］，TN去除率分別為77.60%、81.88%、87.52%、86.60%、83.15%.隨著回流比的增加，TN去除率呈現先增加后減少的趨勢.與之前的分析一致，當回流比為300%時脫氮效果最佳，因此，確定硝化液最佳回流比為300%.

圖4 硝化液污泥回流比與反硝化效果的關系

2.3 進水比例對處理效能的影響

當進水碳源不足時，由于反硝化細菌缺乏足夠的營養物，傳統A2/O工藝往往會出現脫氮效果變差的情況［17-18］.倒置A2/O工藝解決了低碳源條件下的脫氮問題，卻難以實現對磷的同步去除［19］;外投碳源會增加系統運行費用［20］;利用剩余污泥發酵的上清液作為補充碳源，受溫度的影響較大［21］.為此，實驗工藝通過控制厭氧段、缺氧段的進水比例，調整分配到厭氧段與缺氧段的碳源量，為解決A2/O工藝中營養物競爭問題提供了新的思路.設置4種進水比例，分別為1∶3、1∶1、3∶1及反應器串聯，研究不同進水比例對系統處理效果的影響.

2.3.1 進水比例對有機物去除效果的影響

由圖5可知，在4種條件下，COD去除率分別為92.58%、92.27%、91.02%及90.48%，出水質量濃度均達到國家一級A排放標準［11］.并聯條件的COD去除率均高于串聯條件，這是因為并聯條件下進水被分流，原水中碳源的利用率更高.4種條件下，厭氧段的HRT分別為4、2、1.3及1 h，缺氧段的HRT分別為1.3、2、4及1 h，可見并聯進水增加了厭氧段與缺氧段的HRT，生化反應進行得更為充分.因此，并聯進水可增強系統對有機物的去除效果.

圖5 進水比例與有機物去除效果的關系

2.3.2 進水比例對脫氮效果的影響

由圖6(a)、(b)可知，在4種條件下，氨氮去除率分別為98.01%、97.54%、97.25%及96.83%，TN去除率分別為84.53%、87.52%、80.18%及76.75%，氨氮與TN的出水質量濃度均達到國家一級A排放標準［11］.并聯條件的氨氮與TN去除率均高于串聯條件，除因并聯條件下缺氧段的HRT較長外，還由于大部分硝化細菌與反硝化細菌不經過無意義的厭氧階段，生存條件更為適宜，活性更高.并聯條件下，系統對氨氮與TN去除率最高的進水比例分別為1∶3和1∶1.這是因為進水比例為1∶3時好氧段首段COD質量濃度最低，氨氮的去除率也最高;而缺氧段的進水比例越低，回流硝化液的比例越高，在碳源充足的條件下，TN去除率也越高.但隨著缺氧段進水比例的降低，碳源也隨之減少，因此，進水比例為1∶1時，系統對TN的去除效果最好.

圖6 進水比例與脫氮效果的關系

2.3.3 進水比例對除磷效果的影響

由圖7可知，在4種條件下，TP去除率分別為94.35%、96.66%、96.23%及95.19%，TP出水質量濃度均達到國家一級A排放標準［11］.并聯進水比為1∶3時，TP的去除率及厭氧段TP質量濃度(16.38 mg/L)均最低，此時進入厭氧段的碳源量已經不能滿足聚磷菌釋磷所需.在串聯條件下，厭氧段TP質量濃度高達29.50 mg/L，釋磷效果最好，但由于缺氧段的干擾，在好氧段聚磷菌的吸磷動力無法得到充分釋放.在并聯進水比為3∶1條件下，碳源量充足，但厭氧段HRT較短，厭氧段TP質量濃度為19.36 mg/L，未能充分發揮聚磷菌的釋磷潛能.而當并聯進水比為1∶1時，厭氧段TP的質量濃度為22.56 mg/L，此時碳源量及水力停留時間等條件俱佳，因此，TP的去除率最高.

圖7 進水比例與除磷效果的關系

2.3.4 最佳進水比例的確定

由上述分析可知，并聯進水比為1∶3時，COD及氨氮的去除率最高;而并聯進水比為1∶1時，TN及TP的去除率最高，COD及氨氮的去除率略低于進水比為1∶3時的去除率.因此，確定厭氧/缺氧并聯進水的最佳比例為1∶1.

2.4 最佳工況點條件下反應器特性

實驗表明，本工藝系統的最佳運行工況點:厭氧段污泥回流比為15%，好氧段污泥回流比為30%，硝化液回流比為300%，厭氧/缺氧進水比例為1∶1.此時，系統COD去除率為92.27%，氨氮去除率為97.54%，TN去除率為87.52%，TP去除率為96.66%.

2.4.1 生物固體平均停留時間的計算

實驗分別測定了按傳統A2/O工藝運行的串聯工況以及厭氧/缺氧并聯最佳運行工況點條件下系統內各段的MLSS值，結果見表1.

表1 兩種工況下系統內各段MLSS值mg·L-1

由生物固體平均停留時間tsr的計算公式

可推得

式中:tc總、tc、tc厭、tc缺、tc好分別為系統內、各段、厭氧段、缺氧段及好氧段生物固體平均停留時間，d;V為各段的容積，L;X為各段的MLSS，mg/L;ΔX為各段每日排出的活性污泥量，mg/d.

當控制系統內tsr為15 d時，按傳統A2/O工藝運行的串聯工況條件下，聚磷菌和硝化細菌均需依次經歷厭氧段、缺氧段及好氧段，因此，聚磷菌和硝化細菌的生物固體平均停留時間均為15 d.而在厭氧/缺氧并聯最佳運行工況點條件下，聚磷菌和硝化細菌只是分別經歷厭氧段、好氧段以及缺氧段、好氧段.經計算，厭氧段、缺氧段及好氧段的tsr分別為0.96、1.78及12.26 d，可知聚磷菌的生物固體平均停留時間縮短，有利于提高除磷效率.通過回流污泥的分流控制，解決了厭氧段回流污泥中的NO3--N對聚磷菌的不利影響，除磷效率進一步加強.另一方面，雖然硝化細菌的泥齡縮短，但由于增設污泥回流至好氧段的比例較大，且大部分硝化細菌未經歷厭氧段，硝化細菌的污泥質量濃度及活性均較串聯工況條件下高，彌補了硝化泥齡變短的不利影響，由前面的結果可知，實驗工藝的硝化效果優于傳統A2/O工藝.2.4.2微生物群落結構特性分析

采用PCR-DGGE技術對系統中微生物群落結構特性進行分析，結果表明:除磷菌群主要分布在厭氧段與好氧段，包括纖維單胞菌屬等;脫氮菌群主要分布在缺氧段與好氧段，包括Brachymonas菌屬、假單胞菌屬等.

3 結論

1)實驗工藝的最佳工況點為:厭氧段污泥回流比為15%，好氧段污泥回流比為30%，硝化液回流比為300%，厭氧/缺氧進水比例為1∶1.在實際應用中，若進水水質發生變化，工藝參數可按實際進行調整.

2)在最佳工況點條件下，系統COD去除率為92.27%，氨氮去除率為97.54%，TN去除率為87.52%，TP去除率為96.66%，脫氮除磷效果優于傳統A2/O工藝，說明通過對厭氧段和缺氧段碳源的合理分配，可以有效地解決反硝化細菌與聚磷菌對營養物的競爭問題.

3)控制污泥分別回流到厭氧段和好氧段，可有效減少厭氧段回流污泥中NO3--N的干擾，并通過提高硝化細菌的污泥質量濃度及活性彌補硝化泥齡變短的不利影響，提高了系統的同步脫氮除磷效果.

4)分子生物學實驗結果表明，纖維單胞菌屬等除磷菌群主要分布在厭氧段與好氧段，Brachymonas菌屬、假單胞菌屬等脫氮菌群主要分布在缺氧段與好氧段，實驗工藝有效地解決了各種功能菌群對環境、營養物和生存空間的競爭問題.

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