改良型多級A/O-MBR組合工藝對低C/N比生活污水的強化除磷

鄭凱，張子賢，吳勇，王萬紅，武福平

（1 蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅蘭州730070；2 甘肅省黃河水環境重點實驗室，甘肅蘭州730070；3 中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430000）

生物處理工藝及其組合在城鎮污水處理中得到廣泛應用[1-3]。然而生活污水的低碳氮比限制了生物工藝的脫氮除磷效果[4-6]。生物工藝脫氮除磷的強化是研究的難點和熱點。高小波[7]采用多級A/O處理低碳源生活污水時，通過在一級缺氧池前加厭氧池對工藝進行改良，結果表明出水COD、氨氮、總氮滿足一級A標準，而總磷滿足一級B標準。Boelee 等[8]在低COD 生活污水工藝中加入了生物膜部分，結果表明生物膜對污水起到深度處理作用。李權等[9]發現多級A/O 耦合MBR 工藝運行時，低C/N比對氨氮、COD去除效果影響不大，工藝對總氮、總磷的去除效果不佳。王之暉等[10]利用MBR長污泥齡強化硝化作用的特點，采用A/O-MBR 工藝處理高氨氮生活污水，結果表明該工藝對低碳氮比、高氨氮的進水有著良好的去除效果，其中COD 和氨氮的平均去除率分別達97.40% 和87.20%。采用多級A/O-MBR 組合工藝對低碳氮比污水進行處理時，多級A/O-MBR 組合工藝同時具有多級A/O 工藝和MBR 工藝的優點，對碳源的高效利用實現了較好的脫氮效果，對磷仍然未達到理想處理效果。為實現磷的有效去除，化學除磷[11-12]常被應用于實際工程中，但存在成本高、產生大量污泥等不足。相對而言，生物除磷具有應用范圍更廣及成本低等優勢。Kuba 等[13]發現，在生物脫氮除磷過程中，將傳統的厭氧-好氧條件替換為厭氧-缺氧條件時，會出現大量反硝化聚磷菌富集的現象，分析工藝運行時存在反硝化聚磷菌過量吸磷的同時進行著反硝化脫氮過程，反映了生物除磷的潛力。

本研究通過改良型多級A/O-MBR 組合工藝強化處理低C/N 比生活污水的TP，考察改良型多級A/O-MBR 組合工藝處理低C/N 比生活污水時的除磷效果，并通過污泥靜態分析研究該工藝的強化除磷機理，為多級A/O-MBR 組合工藝的應用及優化提供指導和依據，以期為污水處理廠提標改造工程提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由多級A/O 反應器和MBR 反應器兩部分組成，反應器總體積為83.7L，MBR 池為16.5L。多級A/O 裝置橫向分隔成三級反應器，一級反應器包括前置厭氧段（A0）、缺氧段（A1）和好氧段（O1），二級包括缺氧段（A2）和好氧段（O2），三級包括缺氧段（A3）和好氧段（O3）。在好氧段底部設有微孔曝氣管，采用空氣泵進行曝氣，在非好氧段采用電動攪拌器。MBR 裝置采用中空纖維簾式膜加產水泵進行泥水分離，池內采用大孔曝氣管件連續微曝氣。改良型多級A/O-MBR組合工藝是在多級A/O-MBR 組合工藝流程的基礎上，將原來回流至厭氧段（A0）的回流污泥回流至缺氧段（A1），增加從缺氧段（A1）到厭氧段（A0）的內循環。多級A/O-MBR 組合工藝流程及改良型多級A/O-MBR 組合工藝流程如圖1 和圖2所示。

圖1 多級A/O-MBR組合工藝流程

圖2 改良型多級A/O-MBR組合工藝流程

1.2 試驗水質

本試驗原水為校園生活污水（COD/TN 為5.250），屬于典型低碳氮值生活污水，水質見表1。

表1 原水水質

1.3 分析方法

COD 采用COD 快速測定儀測定；pH 采用pH計測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；總磷、正磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法（A）測定；溶解氧用溶解氧儀測定。

1.4 試驗方法

試驗運行主要控制參數：1～10天為未改良工藝的運行，進水流量8.33L/h，流量分配比為50%∶35%∶15%，污泥回流比為50%，污泥齡20d，好氧段溶解氧（DO）為1.5mg/L；11～40天為改良工藝的運行，厭氧段（A0）與缺氧段（A1）之間的內循環的內回流比為25%，其他運行條件不變；工藝改良前后均在運行穩定的條件下進行沿程取樣分析。

污泥靜態分析試驗：①分別用10L的SBR反應器取工藝運行第10、20、30、40天的回流污泥，并投加乙酸鈉作為碳源、磷酸二氫鉀作為磷源，初始COD 濃度為200.0mg/L，磷酸鹽濃度為6.030mg/L。在厭氧條件（DO 為0.1mg/L） 下進行攪拌，在150min內每隔30min取樣、離心并測定上清液磷酸鹽濃度。②150min 后將混合液分別倒入兩個SBR反應器中，其中一個反應器中加入硝酸鉀，使初始硝酸鹽氮濃度為25mg/L，并在缺氧條件下（DO 為0.4mg/L）進行攪拌；另一個反應器在好氧條件下（DO 為4.0mg/L） 曝 氣 攪 拌；在300min 內 每 隔30min分別取樣檢測上清液磷酸鹽濃度。計算比吸磷速率v，如式(1)所示。

式中，v為比吸磷速率，mg/(g·h)；ΔC為Δh時間內磷酸鹽濃度的變化量，mg/L；x 為污泥濃度，g/L；Δh為時間變化量，h。

2 結果與討論

2.1 改良型多級A/O-MBR組合工藝性能

2.1.1 對TP的去除效果

工藝改良前后對TP 的去除效果和各處理單元正磷酸鹽的沿程變化情況分別如圖3 和圖4 所示。從圖3 可以看出，多級A/O-MBR 組合工藝改良前（第1～10 天）出水TP 平均去除率為77.78%；工藝改良后，系統運行第11～20 天出水TP 平均去除率為77.13%，系統運行第21～30 天出水TP 平均去除率為79.60%；隨著改良型多級A/O-MBR 組合工藝的穩定運行，TP 的去除效果顯著增強，運行第30～40天出水總磷平均去除率為86.36%。由圖4可以看出，改良前后的工藝在厭氧段（A0）都有明顯的磷釋放，改良后的工藝釋磷量明顯增大，第40天的磷釋放量已經是第10天的2倍左右。

圖3 各階段對總磷的去除效果

圖4 各處理單元正磷酸鹽的沿程變化情況

把組合工藝污泥回流的格室由（A0）室更改至（A1）室，避免了回流污泥增加厭氧（A0）室的溶解氧破壞厭氧環境，厭氧區環境的優化使聚磷菌及反硝化聚磷菌釋磷充分，進而增強了聚磷菌及反硝化聚磷菌在缺氧區及好氧區的吸磷效果[14]，強化了A/O-MBR 組合工藝的除磷效果；同時，由圖4 可以看出厭氧段（A0）的磷含量顯著提升將使C/P 顯著下降，低C/P 在抑制聚糖菌的同時促進了聚磷菌的生長[15]，厭氧段（A0）中聚磷菌數量增多將有效強化A/O-MBR組合工藝的除磷效果。

2.1.2 對COD、氨氮及TN的去除效果

圖5 各階段對COD、TN、氨氮的去除效果

改良前后工藝對COD、氨氮及TN的去除效果如圖5所示。工藝改良前后系統對COD的平均去除率分別為89.65%和89.85%，因為兩個階段系統好氧段污泥負荷在0.1200～0.1600kgCOD/kgMLSS·d 之間，均屬于低有機負荷運行，系統去除有機物容量充足，均能夠很好地去除原水中COD；較低的氨氮負荷也使得工藝改良前后對氨氮均有良好的去除效果，工藝改良前后系統對氨氮的平均去除率分別為95.06%和95.24%；工藝改良前后系統對TN的平均去除率分別為73.34%和75.44%，改良型多級A/OMBR 組合工藝能小幅提升系統對TN 的去除效果，分析原因為改良型多級A/O-MBR 組合工藝的反硝化聚磷菌在厭氧區充分釋磷之后，在缺氧區以硝酸鹽氮為電子受體進行吸磷，硝酸鹽被還原成了氮氣，反硝化聚磷菌本身可以通過代謝在除磷的同時實現反硝化脫氮，在不增加額外碳源消耗情況下增加了反硝化脫氮這一途徑，解決了傳統工藝脫氮除磷時對碳源競爭[16-17]，從而提高了TN的去除率。

2.2 改良型多級A/O-MBR組合工藝的反硝化除磷

將原來回流至厭氧段（AO）的回流污泥回流至缺氧段（A1），并增加從缺氧段（A1）到厭氧段（AO）的內循環的改良型多級A/O-MBR 組合工藝實現了強化除磷，對TP 去除率顯著提高，達到一級A排放標準。通過污泥靜態分析試驗量化反硝化聚磷菌的比例，進一步探索改良型多級A/O-MBR組合工藝強化反硝化除磷機理。

第10、20、30、40 天污泥厭氧釋磷、缺氧吸磷及好氧吸磷的變化特征如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，工藝改良前污泥在厭氧條件下（0～150min）釋磷，磷酸鹽濃度由6.03mg/L提升至14.48mg/L，從圖6(b)～(d)可以看出，工藝改良后，第20、30、40 天靜態試驗中，150min 厭氧釋磷后的磷酸鹽濃度分別為21.53mg/L、25.46mg/L、28.39mg/L，因為靜態污泥試驗投加了乙酸鈉導致釋磷量有所提升；改良型組合工藝的厭氧區釋磷效果逐步提高，良好的釋磷效果將有助于組合工藝對TP 的去除，這與2.1.1 節中的分析相一致。

同時由圖6可以看出，最大比缺氧吸磷速率分別為0.0680mg/(g·h)、0.1370mg/(g·h)、0.2860mg/(g·h)、0.3290mg/(g·h)；最大比好氧吸磷速率分別為0.3770mg/(g·h)、 0.7190mg/(g·h)、 1.155mg/(g·h)、1.232mg/(g·h)，兩者的比值可以認為是污泥中反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例[18-19]，分別為18.04%、19.05%、24.76%、26.70%，由此量化了反硝化聚磷菌第10、20、30、40 天時占總聚磷菌比例。隨著改良型組合工藝的穩定運行，反硝化聚磷菌的比例呈現明顯增長趨勢，組合工藝改良前系統中存在反硝化聚磷菌但聚磷作用并不明顯。反硝化聚磷菌與聚磷菌釋磷原理相同，但在吸磷階段，能以氧氣、硝酸鹽作為電子受體的反硝化聚磷菌可以從廢水中過量吸磷[20]，同時，反硝化聚磷菌的反硝化除磷過程中對硝酸鹽的利用彌補了低C/N值污水碳源不足，實現了低C/N值污水良好的除磷效果。富集的反硝化聚磷菌在強化除磷的同時也能提高TN 的去除效果，與2.1.2節中TN去除率的提高相一致。

圖6 不同階段污泥厭氧釋磷、缺氧吸磷及好氧吸磷特征

組合工藝改良后增加厭氧段（A0）與缺氧段（A1）之間的內循環強化了厭氧/缺氧交替環境，反硝化聚磷菌作為兼性厭氧細菌得到了富集[21-22]，導致反硝化聚磷菌比例的提高，從而在一定程度上強化組合工藝對磷的去除；進一步分析發現反硝化聚磷菌增多的同時，反硝化速率也在一定程度上提高了，其中，回流位置的改變使回流至缺氧段（A1）的硝酸鹽顯著增多，硝酸鹽濃度的升高將有效提高反硝化聚磷菌的吸磷速率，同時，這種因流加方式而增多的硝酸鹽不會導致亞硝酸的累積而抑制反硝化過程[23-24]；改良型組合工藝有效增加了反硝化反應的數量與速率，利用反硝化除磷過程實現了低C/N生活污水的強化除磷。

3 結論

（1）通過將原來回流至厭氧段的回流污泥回流至缺氧段，并增加從缺氧段到厭氧段的內循環的改良型多級A/O-MBR 組合工藝，顯著提高了對總磷去除效果，去除率達到了86.36%，同時對COD、氨氮及總氮具有良好的去除效果，均達到一級A排放標準。

（2）改良型多級A/O-MBR 組合工藝提高了反硝化聚磷菌的比例，由18.04%提升至26.70%，通過強化反硝化聚磷菌的反硝化除磷作用，提升了TP 和TN 的去除率。同時，改良型多級A/O-MBR組合工藝較好的厭氧環境提高了聚磷菌比例，也強化了組合工藝中聚磷菌的除磷效果。