容積分配比對A2/O-生物接觸氧化工藝反硝化除磷特性的影響

張 淼 彭永臻 王 聰 汪傳新 薛曉飛 龐洪濤 曾 薇

(1北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室, 北京 100124)(2北京北控水務(中國)投資有限公司, 北京 100124)

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容積分配比對A2/O-生物接觸氧化工藝反硝化除磷特性的影響

張 淼1彭永臻1王 聰1汪傳新1薛曉飛2龐洪濤2曾 薇1

(1北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室, 北京 100124)(2北京北控水務(中國)投資有限公司, 北京 100124)

A2/O-生物接觸氧化;反硝化除磷;容積分配比;同步硝化反硝化;熒光原位雜交

隨著國家現代化進程的加快,氮磷過量排放帶來的水體富營養化已引起人們的廣泛關注[1].目前原水碳氮比低(m(COD)/m(TN)<5.0)已成為城市污水處理過程中普遍面臨的難題,傳統外加碳源的方式并不能從根本上解決碳源不足的問題，同時也增加了運行成本[2-3].因此在污水排放標準日益嚴格的今天,研究和開發高效經濟的生物脫氮除磷工藝已成為水污染控制領域的重點和熱點[4-5].

近年來,提出了一種新型的雙污泥處理系統A2/O-BAF (anaerobic anoxic oxic-biological aerated filter)[6],該工藝將長短泥齡分離,實現了“一碳兩用”,尤其在低m(COD)/m(TN)條件下有利于反硝化聚磷菌(DNPAOs)成為優勢菌,具有脫氮除磷效率高、節省碳源和曝氣量、污泥產率低等諸多優點[7].但BAF易堵塞、運行周期短、需定期反沖洗[8]、對風壓要求高、運行管理復雜等問題限制了其進一步的推廣應用.

基于上述問題,本文提出了一種改進的A2/O-生物接觸氧化(anaerobic anoxic oxic-biological contact oxidation, A2/O-BCO)工藝,主要采用孔隙率較大的懸浮填料替代BAF單元,充分發揮生物接觸氧化池處理負荷高、抗沖擊能力強、不易堵塞、運行穩定、維護管理方便[9-10]等優點.除此之外,本工藝中生物接觸氧化池采用三段串聯的運行方式,可根據氨氮負荷靈活調控各格室的曝氣量,硝化效果穩定且節能降耗.同時,廊道式的格局便于系統的一體化構建,為現有或新建污水處理廠的達標排放和升級改造[11]提供了思路.

為了實現工藝的推廣應用,設計參數的調控和優化是系統運行的前提和關鍵[12],作為一種新工藝,不同運行參數對系統脫氮除磷性能的影響尚不明確.本研究以實際生活污水為處理對象,著重考察A2/O反應器中不同厭氧/缺氧/好氧容積分配比對系統反硝化除磷特性的影響,以期為實際工程的應用管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

A2/O-BCO工藝主要由A2/O反應器、中間沉淀池、BCO反應器順序連接組成,系統裝置見圖1.原水首先進入A2/O反應器,經過厭氧區、缺氧區沿程推流,好氧區出水經中心管進入中間沉淀池;完成泥水分離后,上清液進入BCO反應器,沉淀污泥回流到A2/O反應器的厭氧區;含有氨氮的上清液在BCO反應器三格內沿程推流,完成氨氮的氧化,硝化液經斜板沉淀進入A2/O反應器的缺氧區,為反硝化除磷提供電子受體. A2/O反應器有效容積為42 L,均分為7個格室,總水力停留時間為8 h;通過改變硝化液回流口的位置和曝氣閥門的開關,實現厭氧/缺氧/好氧區容積比的調節;其中厭氧區和缺氧區內均設有攪拌裝置,好氧區底部設有曝氣頭,溶解氧DO=0.5～1.5 mg/L,氧化還原電位ORP=-50～-20 mV, A2/O反應器的污泥齡12 d左右.中間沉淀池為豎流式,采用中間進水周邊出水的運行方式,有效容積為15 L,污泥回流比為100%.BCO反應器3格(記為N1,N2,N3)串聯,有效容積為18 L,內設聚丙烯懸浮填料,比表面積為900 m2/m3,密度略低于水,可在水中懸浮,填充率為45%;該階段主要完成氨氮的氧化,硝化液回流比為300%.此外,曝氣采用空氣壓縮機,總曝氣量為0.18～0.20 m3/h,通過流量計調節各格室的曝氣量.進水、污泥回流以及硝化液回流均通過蠕動泵控制.

1.2 進水水質及試驗方案

試驗用水取自某大學化糞池的實際生活污水,水質特征見表1,屬于典型的碳氮比m(COD)/m(TN)低的污水.整個試驗歷時208 d,在此期間進水水質波動較大,主要通過向原水水箱投加乙酸鈉,保證進水m(COD)/m(TN)<3.50,試驗期間水溫在22.8～25.5 ℃范圍內.在特定的水力停留時間(HRT)下,考察不同的厭氧/缺氧/好氧停留時間對系統釋磷、吸磷及反硝化特性的影響.本試驗分為5個工況,分別記為工況1～工況5,具體試驗條件見表1.在保持其他運行參數不變的情況下,主要分析了A2/O 反應器中不同的容積分配比對整個系統脫氮除磷性能的影響.為了保證試驗數據的可靠性,每個工況的運行時間至少持續3個SRT.系統啟動過程中,接種污泥取自校園內同樣處理生活污水的中試SBR反應器,馴化15 d后脫氮除磷效果基本穩定.

圖1 A2/O-BCO工藝裝置示意圖

表1 A2/O-生物接觸氧化系統進水水質及試驗條件 mg/L

1.3 常規項目監測

1.4 系統氮元素平衡分析方法

系統中氮的去除主要包括A2/O 反應器內反硝化除磷脫氮率RDPR、微生物同化作用固氮率RAssi以及生物接觸氧化反應器中同步硝化反硝化脫氮率RSND,可通過下列公式進行理論計算[18-19]:

(1)

(2)

(3)

RSND=Rtotal-RDPR-RAssi

(4)

式中,Rtotal為TN的總去除率;Cinf,Ceff為系統進出水的TN濃度,mg/L;CA,inf,CA,eff為缺氧區進出水的TN濃度, mg/L;R,r為硝化液回流比和污泥回流比;MLSSwaste為剩余污泥濃度,mg/L;fvss/ss為混合液揮發性懸浮固體濃度與懸浮固體濃度之比;Vwaste為每天排放的剩余污泥量,L/d;fN/biomass為污泥中氮的含量,計算中取12.39%[20];Q為進水流量,L/d.

2 結果與討論

2.1 系統中有機物的去除特性

由圖2可知,進水COD濃度在130～300 mg/L范圍內波動,但經過A2/O 反應器出水的COD濃度已基本低于60 mg/L.再經過BCO反應器,最終出水的COD均可滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準.上述現象表明盡管進水水質波動較大,但系統對有機物的去除依然體現了較好的穩定性.同時可以看到,在上述5種工況下,COD的去除效果差別不大,平均去除率為80.73%～83.41%,說明容積比的變化并沒有影響系統對碳源的利用.主要是由于原水首先進入厭氧區,其中約70%的COD(大多數為易降解有機物)被DNPAOs用于合成內碳源PHA[21],此時COD基本低于75 mg/L,再經過缺氧區的部分反硝化作用,使COD得到進一步的降解.可見,厭氧區是有機物被吸收和利用的主要場所,缺氧區在外碳源缺乏的條件下,刺激DNPAOs利用PHA進行同步脫氮除磷(PHA利用率超過75%),有利于反硝化聚磷菌成為優勢菌.同時好氧區的存在與否對系統COD的去除效率影響不大.此外,A2/O反應器中COD的去除率和系統的總去除率相近(見圖2),試驗數據表明正是由于有機物在A2/O反應器中的高效利用,才為BCO反應器中自養型硝化菌的富集提供了可能[6].

圖2 系統中COD的去除特性

2.2 系統中氮的去除特性

對于反硝化效果而言, 工況5的TN去除率明顯偏低,平均出水TN濃度為22.78 mg/L,尚未達到一級B排放標準.而工況1和工況3的TN去除率分別達到75.22%和78.70%,平均出水TN濃度為14.50, 13.41 mg/L,此數據表明為了實現TN的高效去除,缺氧反應時間應不少于4.57 h(4格).上述2種工況下缺氧區的反硝化負荷達到0.10～0.14 kg/(kg·d).Ma等[3]考察了不同的分流比(側流流量/進水流量)對AAO系統反硝化除磷特性的影響,試驗結果表明缺氧區的污泥負荷在0.08～0.10 kg/(kg·d)時平均TN去除率為72%～76%.此外,Vaiopoulou等[22]研究發現,在UCT(University of Cape Town)工藝中,當進水m(COD)/m(TN)=5.8、缺氧停留時間為4.3 h時，系統達到了最理想的脫氮效果(TN去除率為83%).相比之下,本系統體現了較高的反硝化能力和TN去除率(即使進水m(COD)/m(TN)=3.50).對于工況4,雖然保持較高的TN去除率,但由于沒有好氧區的吹脫作用,中間沉淀池的污泥沉降性較差,容易發生污泥流失.

(a) TN，NH+4-N進出水濃度及去除率

(b) 不同工況下TN，NO-x-N的沿程變化

由圖3(b)中TN的變化趨勢可發現,5種工況下,中間沉淀池和最終出水的TN濃度均存在不同程度的氮損失. BCO反應器中的混合液濁度一直比較低(NTU<15),平均SS(suspended solid)含量在20～30 mg/L,所以計算時忽略了這部分污泥中氮的含量.根據式(1)～(4)對系統進行氮元素平衡分析,盡管缺氧區反硝化除磷是系統主要的脫氮途徑,但是BCO反應器中的同步硝化反硝化(SND)現象對TN去除的貢獻卻不容忽視.如表2所示,5種工況下BCO反應器中同步硝化反硝化脫氮率RSND分別為7.61%, 14.71%, 7.93%, 6.41%和12.07%,在一定程度上強化了TN的去除效果.當然,由于BCO反應器中COD的濃度已經比較低(見圖2),碳源的缺乏導致SND效率不高.葛士建等[23]也研究發現,改良UCT分段進水工藝中好氧區的SND貢獻率達35.3%,很大程度上提高了系統的TN去除率.因此在保證硝化效果的前提下,最大程度地強化SND作用有利于實現深度脫氮.

表2 A2/O-BCO系統氮元素平衡分析

(a) 全菌,探針標記EUBmix

(b) 目標菌,探針標記Anammox

2.3 系統中磷的去除特性

(a) PO3-4-P進出水濃度及去除率

(b) 不同工況下PO3-4-P的沿程變化

2.4 系統反硝化除磷特性分析

作為一種能量的儲存與釋放過程,內碳源PHA(80%以上的含量為PHB)的合成與降解在聚磷菌的釋磷、吸磷過程中發揮著十分重要的作用[29].為了更直觀地認識生物除磷機理并驗證污泥的反硝化除磷性能,本研究在系統運行的132 d時嘗試了對聚磷污泥的細胞染色,包括PHB染色和polyP染色,鏡檢照片如圖6所示.取厭氧區污泥進行PHB染色,圖中粉紅色部分為細胞質,藍黑色顆粒物為PHB顆粒,藍黑色顆粒的出現表明厭氧釋磷過程聚磷菌體內發生了PHB的合成.同時取缺氧區污泥進行polyP染色,圖中淺藍色部分為細胞質,而大量的深藍色顆粒為polyP顆粒,即證明了缺氧階段微生物細胞確實吸收了大量的磷.細胞染色結果再次說明了聚磷菌能較好地發揮微生物代謝功能,為整個系統的脫氮除磷奠定了基礎.此外,根據Brdjanovic等[30]給出的理論公式,計算得出本系統中污泥的含磷量為6.04%～8.62%,是傳統A2/O工藝的2～3倍[31],反硝化除磷過程中較高的含磷量在強化除磷效果的同時有利于改善污泥沉降性.

(a) PHB染色圖

(b) polyP染色圖

3 結論

1) 系統對有機物的去除具有較好的穩定性,A2/O反應器可實現碳源的高效利用,且容積分配比對COD的去除效果影響不大,平均去除率為80.73%～83.41%.

2) 厭氧階段在2.28 h內完成了充分的釋磷,為了實現TN的高效去除,缺氧反應時間應不少于4.57 h;同時為了防止A2/O反應器發生硝化反應,好氧反應時間應不超過1.14 h.

3) BCO反應器中SND現象強化了TN的去除效果,同步硝化反硝化脫氮率RSND占TN去除率的6.41%～14.71%.FISH試驗表明,厭氧氨氧化菌占全菌約為 (0.86±0.15)%,在一定程度上也促進了氮損失.

References)

[1]Rahimi Y, Torabian A, Mehrdadi N, et al. Simultaneous nitrification-denitrification and phosphorus removal in a fixed bed sequencing batch reactor (FBSBR) [J].JournalofHazardousMaterials, 2011, 185(2): 852-857.

[2]Kim D, Kim T S, Ryu H D, et al. Treatment of low carbon-to-nitrogen wastewater using two-stage sequencing batch reactor with independent nitrification [J].ProcessBiochemistry, 2008, 43(4): 406-413.

[3]Ma Y, Peng Y Z, Wang X L. Improving nutrient removal of the AAO process by an influent bypass flow by denitrifying phosphorus removal [J].Desalination, 2009, 246(1): 534-544.

[4]Zhu G B, Peng Y Z, Wang S, et al. Effect of influent flow rate distribution on the performance of step-feed biological nitrogen removal process [J].ChemicalEngineeringJournal, 2007, 131(1): 319-328.

[5]Xu X Y, Liu G, Zhu L. Enhanced denitrifying phosphorous removal in a novel anaerobic/aerobic/anoxic (AOA) process with the diversion of internal carbon source [J].BioresourceTechnology, 2011, 102(22): 10340-10345.

[6]Chen Y Z, Peng C Y, Wang J H, et al. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic/anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) system[J].BioresourceTechnology, 2011, 102(10): 5722-5727.

[7]Zhang W T, Hou F, Peng Y Z, et al. Optimizing aeration rate in an external nitrification-denitrifying phosphorus removal (ENDPR) system for domestic wastewater treatment[J].ChemicalEngineeringJournal, 2014, 245: 342-347.

[8]Vigne E, Choubert J M, Canler J P, et al. A biofiltration model for tertiary nitrification of municipal wastewaters[J].WaterResearch, 2010, 44(15): 4399-4410.

[10]Bassin J P, Dezotti M, Sant’ Anna G L. Nitrification of industrial and domestic saline wastewaters in moving bed biofilm reactor and sequencing batch reactor [J].JournalofHazardousMaterials, 2011, 185(1): 242-248.

[11]孟濤,劉杰,楊超,等.MBBR工藝用于青島李村河污水處理廠升級改造[J].中國給水排水,2013,29(2):59-61. Meng Tao, Liu Jie, Yang Chao, et al. Application of MBBR process in upgrading and reconstruction of Licunhe WWTP in Qingdao city [J].ChinaWaterandWastewater, 2013, 29(2): 59-61. (in Chinese)

[12]Wang Y Y, Peng Y Z, Stephenson T. Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a two-sludge sequencing batch reactor process [J].BioresourceTechnology, 2009, 100(14): 3506-3512.

[13]Clesceri L,Greenberg A E,Eaton A D.Standardmethodsfortheexaminationofwaterandwastewater[M]. 21st ed. Washington, DC,USA: American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, 2005.

[14]Gong L X, Jun L, Yang Q, et al. Biomass characteristics and simultaneous nitrification-denitrification under long sludge retention time in an integrated reactor treating rural domestic sewage [J].BioresourceTechnology, 2012, 119: 277-284.

[15]曹雪梅.A2/O工藝反硝化除磷的實現及性能的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學市政環境工程學院,2007.

[16]Guo J H, Peng Y Z, Wang S Y, et al. Effective and robust partial nitrification to nitrite by real-time aeration duration control in an SBR treating domestic wastewater [J].ProcessBiochemistry, 2009, 44(9): 979-985.

[17]Lahav O, Massada I B, Yackoubov D, et al. Quantification of anammox activity in a denitrification reactor for a recirculating aquaculture system [J].Aquaculture, 2009, 288(1/2): 76-82.

[18]Chen Y, Wen Y, Zhou Q, et al. Effects of plant biomass on nitrogen transformation in subsurface-batch constructed wetlands: a stable isotope and mass balance assessment [J].WaterResearch, 2014, 63: 158-167.

[19]Lee J K, Choi C K, Lee K H, et al. Mass balance of nitrogen, and estimates of COD, nitrogen and phosphorus used in microbial synthesis as a function of sludge retention time in a sequencing batch reactor system[J].BioresourceTechnology, 2008, 99(16): 7788-7796.

[20]葛士建,彭永臻,曹旭，等.改良UCT分段進水工藝處理生活污水性能優化研究[J].環境科學,2011,32(7): 2006-2012. Ge Shijian, Peng Yongzhen, Cao Xu, et al. Optimization of a modified UCT step feed process treating municipal wastewater[J].EnvironmentalScience, 2011, 32(7): 2006-2012. ( in Chinese)

[21]Ma J, Peng Y Z, Wang S Y, et al. Denitrifying phosphorus removal in a step-feed CAST with alternating anoxic-oxic operational strategy[J].JournalofEnvironmentalSciences, 2009, 21(9): 1169-1174.

[22]Vaiopoulou E, Aivasidis A. A modified UCT method for biological nutrient removal: Configuration and performance[J].Chemosphere, 2008, 72(7): 1062-1068.

[23]葛士建,彭永臻,張亮,等.改良UCT分段進水脫氮除磷工藝性能及物料平衡[J].化工學報,2010,61(4):1009-1017. Ge Shijian, Peng Yongzhen, Zhang Liang, et al. Performance and material balance of modified UCT step feed enhanced biological nitrogen and phosphate removal process [J].CIESCJournal, 2010, 61(4): 1009-1017. (in Chinese)

[24]Guo J B, Zhang L H, Chen W, et al. The regulation and control strategies of a sequencing batch reactor for simultaneous nitrification and denitrification at different temperatures [J].BioresourceTechnology, 2013, 133: 59-67.

[25]Joo H S,Hirai M,Shoda M. Piggery wastewater treatment using Alcaligenes faecalis strain No.4 with heterotrophic nitrification and aerobic denitrification[J].WaterResearch, 2006, 40(16): 3029-3036.

[26]Cao G H, Wang S Y, Peng Y Z, et al. Biological nutrient removal by applying modified four step-feed technology to treat weak wastewater [J].BioresourceTechnology, 2013, 128: 604-611.

[27]Liu H B, Zhu M L, Gao S S, et al. Enhancing denitrification phosphorus removal with a novel nutrient removal process: role of configuration[J].ChemicalEngineeringJournal, 2014, 240: 404-412.

[28]王曉蓮,王淑瑩,王亞宜,等.強化A2/O工藝反硝化除磷性能的運行控制策略[J].環境科學學報,2006,26(5):722-727. Wang Xiaolian,Wang Shuying,Wang Yayi, et al. Control strategies of enhancing denitrifying phosphorus removal performance of the conventional anaerobic-anoxic-oxic process[J].ActaScientiaeCircumstantiae, 2006, 26(5): 722-727. (in Chinese)

[29]Zhou Y, Lim M, Harjono S, et al. Nitrous oxide emission by denitrifying phosphorus removal culture using polyhydroxyalkanoates as carbon source[J].JournalofEnvironmentalSciences, 2012, 24(9): 1616-1623.

[30]Brdjanovic D, Slamet A, van Loosdrecht M C M, et al. Impact of excessive aeration on biological phosphorus removal from wastewater [J].WaterResearch, 1998, 32(1): 200-208.

[31]李欣,彭永臻,王建華,等.A2O-BAF與A2O工藝處理較高C/N比生活污水時的污泥沉降性對比分析[J].中南大學學報:自然科學版,2012,43(3):1198-1203. Li Xin, Peng Yongzhen, Wang Jianhua, et al. Comparative analysis of sludge settleability of A2O-BAF process and A2O process treating higher C/N ratio domestic sewage[J].JournalofCentralSouthUniversity:ScienceandTechnology, 2012, 43(3): 1198-1203. (in Chinese)

Effect on denitrifying phosphorus removal by optimizing volume ratios in A2/O-biological contact oxidation (A2/O-BCO) process

Zhang Miao1Peng Yongzhen1Wang Cong1Wang Chuanxin1Xue Xiaofei2Pang Hongtao2Zeng Wei1

(1Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) (2Beijing Enterprises Water Group (China) Investment Limited, Beijing 100124, China)

anaerobic anoxic oxic-biological contact oxidation (A2/O-BCO); denitrifying phosphorus removal; volume ratio; simultaneous nitrification denitrification (SND); fluorescence in situ hybridization (FISH)

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.021

2014-10-25. 作者簡介: 張淼(1989—),女,博士生;彭永臻(聯系人),男,博士,教授,博士生導師,pyz@bjut.edu.cn.

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA063406)、北京市科研基地建設-科技創新平臺資助項目、北京工業大學第十三屆研究生科技基金資助項目(ykj-2014-10614).

張淼,彭永臻,王聰，等.容積分配比對A2/O-生物接觸氧化工藝反硝化除磷特性的影響[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):531-538.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.021

X703.1

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1001-0505(2015)03-0531-08