生態(tài)強(qiáng)化型一體式反應(yīng)器同步脫氮除磷及特性

宋小康，丁 敏，陰方芳，王昕竹

（1.蘇州凈研環(huán)保科技有限公司，江蘇蘇州 215011；2.蘇州科技大學(xué) 江蘇省《環(huán)境科學(xué)與工程》重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215011）

響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)，綠色水處理技術(shù)融入是未來實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段，國內(nèi)外有不少采用生態(tài)強(qiáng)化型工藝進(jìn)行生活污水脫氮除磷處理的研究，與單獨(dú)生物處理工藝對比，具有更好的美觀性和污水凈化效果。生態(tài)強(qiáng)化型反應(yīng)器多應(yīng)用于農(nóng)村生活污水、區(qū)域性生活污水及城鎮(zhèn)生活污水的處理，而對河道、航海船只生活污水的應(yīng)用較為鮮見。針對船只排放的生活污水，具有有機(jī)污染物含量高、水質(zhì)波動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]，同時(shí)在現(xiàn)存處理中氮磷去除效率并不理想。

三室的厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）耦合連續(xù)攪拌反應(yīng)裝置（CSTR）的組合工藝具有良好的同步脫氮除磷效果，可用于常規(guī)生活廢水處理，但存在著處理深度不高、不穩(wěn)定及耗能高效率低的問題。為處理真實(shí)河道船只的生活污水，常規(guī)生物脫氮除磷反應(yīng)器難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效處理，為尋求更具環(huán)保效益的革新技術(shù)，對此工藝改進(jìn)，采用末端生態(tài)強(qiáng)化構(gòu)成深化處理一體式反應(yīng)器，通過種植皇冠草、投放草金魚形成水生生態(tài)系統(tǒng)作為末端生態(tài)強(qiáng)化單元，用以改善系統(tǒng)的能源渠道。反應(yīng)器通過生態(tài)系統(tǒng)的融入，水體污染物去除效率得到強(qiáng)化。

本文采用末端生態(tài)強(qiáng)化型一體式反應(yīng)器進(jìn)行污水同步脫氮除磷啟動(dòng)，以深化污水處理與生態(tài)效益的互饋?zhàn)饔茫龠M(jìn)我國生態(tài)融入的水污染處理綠色工藝的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 生態(tài)強(qiáng)化型一體式反應(yīng)器示意圖

生態(tài)強(qiáng)化型一體式反應(yīng)器裝置圖見圖1，三室ABR反應(yīng)器、CSTR反應(yīng)器和生態(tài)強(qiáng)化格室分別命名為A1～A5，體積分別為3L、3L、4L、5L和20L，其中A1，A2為厭氧區(qū)，A3為缺氧區(qū)，A4好氧曝氣區(qū)，A5由水生植物、魚類和基質(zhì)構(gòu)成。末端生態(tài)強(qiáng)化格室采用皇冠草，種植水深度為40cm。基質(zhì)采用水草泥，投放魚類選用草金魚魚苗。生態(tài)格室在提供景觀性的同時(shí)通過生態(tài)循環(huán)發(fā)揮自凈作用。

1.2 污水水質(zhì)及接種污泥

實(shí)驗(yàn)用污水采用經(jīng)沉淀過濾后的蘇州某河道船只生活污水，水質(zhì)指標(biāo)見表1，通過投加碳酸氫鈉（NaHCO3）調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

反應(yīng)器中接種污泥取自蘇州某污水廠污泥濃縮池底部，表觀顏色深灰，污泥活性良好，通過篩網(wǎng)濾后進(jìn)行悶曝處理，72h后接種于一體式反應(yīng)器，A1～A3中污泥占60%的體積，A4中MLSS為6g/L，A5中基質(zhì)采用天然亞熱帶酸性肥沃黑土制成的水草泥。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

表1 各階段運(yùn)行工況

采用逐步縮短水力停留時(shí)間（HRT）的策略啟動(dòng)同步脫氮除磷，設(shè)計(jì)運(yùn)行方案見表1。其中工況1控制HRT為35h，運(yùn)行15d；工況2運(yùn)行12d，HRT為28h；工況3運(yùn)行10d，HRT是21h；工況4運(yùn)行8d，HRT為14h。好氧區(qū)采用空氣泵進(jìn)行曝氣，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間控制DO穩(wěn)定于（2.0±0.3）mg/L。

1.4 檢測分析方法

COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、TP等水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)通過標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行分析[2]。DO采用便攜式測定儀（HACH，美國），pH為便攜式酸度計(jì)（FiveGo F2），VFAs含量為滴定法。污泥特性通過OlympusCX41三目生物顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 污水COD去除情況

本研究中一體式反應(yīng)器進(jìn)水為實(shí)際廢水，COD濃度波動(dòng)范圍較大為332～474mg/L，采用逐漸縮短系統(tǒng)的水力停留時(shí)間來改變工藝受處理污水量的水平，將反應(yīng)器的總HRT分別調(diào)控于36h、28h、21h和16h運(yùn)行，系統(tǒng)一體式反應(yīng)器各運(yùn)行格室COD去除情況見圖2，隨著HRT逐漸減小，A2出水及A4出水COD濃度均會(huì)先短暫上升然后趨于穩(wěn)定，去除率也均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，這是由于突然縮短的工藝HRT，A1和A2的厭氧污泥需要一定的時(shí)間去適應(yīng)其突然改變。

圖2 系統(tǒng)COD去除情況

在工況1和2中，A3出水COD濃度穩(wěn)定于80mg/L以下，A4出水COD含量比之減少至21mg/L左右，系統(tǒng)總?cè)コ示S持于80%～90%，出水COD濃度仍高于35mg/L。繼續(xù)縮短系統(tǒng)HRT至21h和16h時(shí)，流經(jīng)A1后COD濃度升高至150mg/L，反應(yīng)器對有機(jī)物去除效率逐漸升高，A4出水COD濃度處于40mg/L上下。由圖知，在4個(gè)不同HRT下，ABR段對COD去除始終保持較高的去除貢獻(xiàn)，效率可達(dá)80%以上，這是由于反應(yīng)器中厭氧區(qū)接種的絮狀污泥在運(yùn)行過程中逐漸顆粒化，對于污水中有機(jī)物質(zhì)具有良好的去除功效。在經(jīng)過A4后COD濃度持續(xù)下降，隨著在生態(tài)強(qiáng)化格室A5中植物根系附著的生物量的日益增長，進(jìn)一步了強(qiáng)化一體式反應(yīng)器對COD的去除。在工況3至工況4中，反應(yīng)裝置對于污水中COD的去除率可保持在90%以上。

2.2 系統(tǒng)同步脫氮除磷效能

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行下NH4+-N的去除情況

圖4 沿程PO43--P濃度情況

對一體式反應(yīng)器，A4硝化效果影響出水氮素濃度，同時(shí)對其氧化產(chǎn)物NO2--N和NO3--N有直接影響。硝化段存在一定的DO濃度梯度，同步硝化反硝化作用進(jìn)一步降低TN。NH4+-N濃度及去除率情況如圖3所示，HRT從35h逐漸縮短至21h的過程中，氨氮含量減少，當(dāng)HRT減至16h時(shí)，NH4+-N去除率呈現(xiàn)先降后升逐漸穩(wěn)定的趨勢，可見在反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行后，A4硝化菌逐漸適應(yīng)水力沖擊變化，尤其在生態(tài)強(qiáng)化后，去除效果趨于穩(wěn)定，NH4+-N去除率保持于91%以上。同步脫氮除磷通過反硝化聚磷菌在缺氧區(qū)利用NOx--N為電子受體氧化污泥體內(nèi)PHB，進(jìn)行過量吸磷合成體內(nèi)聚磷的同時(shí)脫氮，實(shí)現(xiàn)水體中TP和TN去除。本研究中，A3利用A4回流液中的氮氧化物，PO43--P最高濃度位于A2，由圖4可見，在工況1至4中，A3平均吸磷量隨HRT縮短先增后減。HRT為35h和28h時(shí)，ABR缺氧段吸磷量均較小，此時(shí)反硝化除磷未完全啟動(dòng)，除磷效果在A4和A5較為顯著，但總體除磷效果不佳。當(dāng)HRT縮短為21h，A3吸磷量明顯增加，A4出水PO43--P平均為0.81mg/L，反硝化除磷量占比80.7%。在已充分釋磷情況下，除磷程度取決于缺氧區(qū)可被提供的電子受體濃度。HRT進(jìn)一步減少時(shí)，A2釋磷量持續(xù)增長，濃度由11.23mg/L升至12.01mg/L，而A3缺氧吸磷量未隨之增加，其中A4出水磷濃度由1.28mg/L增為1.39mg/L，反硝化除磷量占比降至78.6%，說明此時(shí)HRT過短使A2未完全利用完回流的電子受體，同步脫氮除磷效果受限，而A5生態(tài)強(qiáng)化效果依舊顯著，系統(tǒng)出水磷濃度降至0.89mg/L。

2.3 污泥形態(tài)特征變化

圖5表明系統(tǒng)運(yùn)行中A2厭氧污泥和A4硝化污泥的形態(tài)特征變化，粒徑較小的污泥隨著水力停留時(shí)間不斷縮短而被篩出淘汰，同時(shí)水力沖刷使污泥表明逐漸光滑強(qiáng)化顆粒化。其中A2厭氧區(qū)因底物濃度更大而在形成顆粒污泥過程中優(yōu)于硝化污泥。工況4下，通過不同粒徑的篩網(wǎng)過濾A2和A4格室污泥，得出兩種污泥粒徑高于0.58mm的占比分別大于75%及30%，可見硝化污泥的顆粒化進(jìn)程因有機(jī)基質(zhì)在前端被大量消耗而受限。

圖5 顯微鏡下污泥形態(tài)（40X7）

3 結(jié)論

1）采用末端生態(tài)強(qiáng)化的一體式反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)污水同步脫氮除磷，逐步縮短水力停留時(shí)間（HRT）從35h至16h，45d內(nèi)達(dá)到COD、NH4+去除率穩(wěn)定于90%以上，總出水PO43-濃度低于1mg·L-1。生態(tài)格室進(jìn)一步吸附水體中氮磷元素，強(qiáng)化污水凈化效果。

2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ABR有效去碳的最佳HRT為16h。

3）隨著系統(tǒng)HRT逐漸縮小，污泥形成顆粒化，其中厭氧區(qū)因底物濃度更大而在形成顆粒污泥的過程中優(yōu)于A4段硝化污泥。