高原環境下AAO工藝水力停留時間對脫氮除磷的影響

尤俊豪，郭明哲，宗永臣,*，郝凱越，黃德才

(1.西藏農牧學院水利土木工程學院，西藏林芝 860000；2.西藏土木水利電力工程技術研究中心，西藏林芝 860000)

隨著西藏自治區城鎮化的快速發展，生活污水和工業污水的排放量在不斷增加。目前主要的污水處理工藝有AAO、SBBR、氧化溝等[1]。其中AAO工藝因具有同步脫氮除磷、結構簡單、不易產生污泥膨脹等優點被污水處理廠廣泛應用，據不完全統計，在我國城鎮污水處理廠中AAO工藝占據約50%[2-3]，同時也是青藏高原地區主要的污水處理工藝之一[4]。

由于AAO工藝受多方面因素的影響，脫氮除磷的效果并不穩定[5]。水力停留時間(HRT)作為AAO工藝重要的參數，對脫氮除磷的效果有重要的影響。歐陽海等[6]研究表明HRT對CODCr去除率的影響小，對總氮(TN)、總磷(TP)的去除率影響大，并隨HRT的增加呈先增后減的趨勢,當HRT為8 h處理效果最佳。潘欣語等[7]研究表明HRT對TN、TP、氨氮去除率的影響大，TN、氨氮的去除率隨HRT的增加而增加，TP的去除率隨HRT的增加呈先增后減趨勢，此時最佳HRT為5～8 h。HRT的過長過短都會對脫氮除磷造成影響。HRT過長會影響污泥齡(sludge retention time，SRT)，進而影響釋磷作用，同時會增加剩余污泥的排放量，造成經濟負擔的增加。HRT過短，反應池中各微生物種群沒有充分的時間生長，污泥流失過快，硝化反應和反硝化反應都沒有得到充分的進行。本試驗以高原地區為背景，研究了HRT對AAO工藝脫氮除磷的影響，為高原地區AAO工藝在不同HRT工況下的運行提供相關數據基礎。

1 試驗與方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，利用傳統AAO工藝城市污水處理模擬裝置[4]，在厭氧池與缺氧池中都設有攪拌裝置，設定攪拌速度為110 r/min，在好氧池底部設有膜片式微孔曝氣頭為其供氧。試驗進水和污泥回流均采用磁力驅動循環泵，并借助浮子流量計及球式閥門進行流量控制，硝化液回流采用蠕動泵控制。用恒溫循環器控制試驗用水溫度，硝化液回流比、污泥回流比分別控制為150%、100%。用好氧池進行35 d的污泥培養，控制溫度為(20.0±1.0)℃，溶解氧(DO)質量濃度為2～3 mg/L，pH值為6～8。當測得污泥沉降比(SV30)為28%和活性污泥質量濃度(MLSS)為3 716 mg/L時，正式開展試驗。

圖1 AAO工藝流程

本試驗直接采用西藏農牧學院辦公樓區生活污水為試驗用水，主要進水水質指標如下。pH值為8.25～8.51，CODCr質量濃度為102.82～464.06 mg/L，TN質量濃度為37.70～121.50 mg/L，TP質量濃度為1.58～31.45 mg/L，氨氮質量濃度為32.93～162.93 mg/L。

1.2 試驗操作

研究不同HRT下AAO工藝對各污染物去除的相關性，保持培養階段控制指標不變，調節進水流量分別為8、12、14、16 L/h，即HRT為26.25、21.00、17.50、15.00 h。各工況條件下運行72 h后開展正式試驗，分別取水樣和污泥樣品進行檢測。

1.3 水質指標測定

采用連續性進水模式，各工況下間隔24 h取各反應池中水樣，持續9 d。所有水樣經靜置沉淀后取上清液，進行CODCr、氨氮、TN、TP等污染物指標檢測，檢測方法參照水和廢水檢測分析方法[8]進行。

1.4 數據處理與分析方法

試驗數據在Excel處理后，使用主成分分析法[9]，利用SPSS對提取的數據進行主成分分析。首先對原始數據進行標準化，以公共因子解釋的累計方差不小于85%，提取公共因子，并通過因子得分矩陣和旋轉后的公共因子的方差貢獻率進行計算，算出每組的綜合評價得分，最后使用Origin 2018作圖。

2 結果與討論

2.1 不同HRT對CODCr的影響

不同HRT對CODCr去除率的影響如圖2所示。CODCr平均進水質量濃度為130～330 mg/L，波動較大。進水濃度與去除率的趨勢大致相同，表明CODCr進水濃度與去除率之間有正相關性。在HRT為15.00、17.50 h時，CODCr的出水平均質量濃度為20～50 mg/L，滿足一級A排放標準，波動也較穩定。由圖2可知，隨HRT的增加，出水CODCr的濃度整體呈上升趨勢。CODCr的平均去除率隨HRT從15.00 h時的85.50%降為26.25 h時的76.53%，可見CODCr去除率變化不大，不同HRT條件下的CODCr平均去除率整體在70%～90%。

圖2 不同HRT條件下CODCr的去除效果

由上述分析可知，不同HRT條件下的CODCr去除率都較高且穩定，這說明HRT在15.00～26.25 h的變化對CODCr的去除率幾乎沒影響，這與潘欣語等[7]研究結果表明HRT的變化對CODCr的去除率影響小相同。CODCr在HRT為17.0 h時的出水濃度低于HRT為15.0 h時，兩者都滿足一級A排放標準，同時HRT的增加會導致運行成本增加，當去除效果一定時，HRT越小，單位時間內處理的污水量越多，處理效率越高[10]。因此，綜合考慮最佳HRT為15.00 h。

2.2 不同HRT對氨氮的影響

由圖3可知，氨氮的進水平均質量濃度為10～38 mg/L，變化幅度大。隨HRT的變化，氨氮的出水質量濃度變化較穩定，且小于5.00 mg/L。雖進水濃度波動大，但出水濃度穩定，去除率達到93%。這說明試驗裝置對氨氮有較好去除效果，具有較強的抗沖擊能力。當HRT為17.50、21.00、26.25 h時，進水平均質量濃度從10 mg/L增至38 mg/L，出水平均質量濃度是1.20、2.86、3.36 mg/L，此時平均去除率由89.49%升至91.11%。表明較長的HRT對氨氮的出水濃度與去除率有一定的影響。較長的HRT會導致出水濃度上升，并且對氨氮的去除率有小幅度提高，同時也表明進水濃度與出水濃度和去除率呈正相關。隨HRT的上升，氨氮平均去除率由92.94%降至91.11%，下降幅度較小。這說明HRT為15.00 h時，可以使各反應池進行充分反應，此時氨氮的去除率已達到最佳狀態。

圖3 不同HRT條件下氨氮的去除效果

2.3 不同HRT對TN的影響

氨氮進水質量濃度在10～38 mg/L，TN進水質量濃度在24～40 mg/L，氨氮進水濃度約占TN進水濃度的90%，說明污水中TN的主要組成部分是氨氮[10]。在HRT為15.00～21.00 h時，氨氮與TN的進水濃度變化趨勢較相似。

由圖4可知，TN的出水質量濃度為5～15 mg/L，滿足一級A排放標準。在不同HRT下，TN的平均去除率為58.00%～80.00%，其波動幅度較大。當HRT為15.00、17.50、21.00、26.25 h時，TN平均去除率分別為69.70%、79.20%、76.30%、58.81%，可看出15.00、26.25 h的TN平均去除率均小于17.50、21.00 h。說明HRT過長或過短都不利于TN的去除，HRT過短，水流較快，不利于好氧池中的硝化反應，進而使缺氧池硝態氮濃度過低，無法進行反硝化反應，影響脫氮去除率[10]；HRT過長，系統的有機負荷率降低，會使生物的內源呼吸加劇，影響污泥的活性，最終降低系統對污染物去除效果。4組HRT對TN的去除率整體并未達到預期效果，分析可能是高原地區海拔高、溫度低、紫外線強所導致。由于處在高原地區，本次試驗溫度在(20.0±1.0)℃，王榮昌等[11]研究表明當系統溫度在20～30 ℃，TN的去除率在90%左右，同樣羅憶涵等[12]在采用AAO模式運行下，表明溫度在30 ℃時，TN的平均去除率在90%以上。溫度的升高，微生物生長繁殖速率加快，同化作用效率提高，使更多的氮轉化為微生物體內的氮化合物，同時溫度升高也加快硝化反硝化速率，促進微生物代謝能力，增加脫氮效率[13]。研究表明硝化細菌最適生長溫度在25～30 ℃[14]，而低溫將會影響硝化反硝化菌的活性，進而影響脫氮性能。而本次試驗有模擬高原紫外線照射工況，方德新等[15]在對比高原與非高原污水處理系統研究發現，受紫外線照射，高原污水處理系統微生物多樣性顯著低于非高原，而較低微生物多樣性又是脫氮效果不佳的重要原因。因此，TN的去除率不僅受HRT的影響，還受溫度和紫外線的影響。TN的去除率隨HRT的增加，整體呈先增后減的趨勢。單考慮TN去除效果，當HRT為17.50 h時最佳。

圖4 不同HRT條件下TN的去除效果

2.4 不同HRT對TP的影響

由圖5可知，TP的進水質量濃度為3～8 mg/L，在HRT為26.25 h最高。在不同HRT條件下，出水TP質量濃度在0～2 mg/L，但4組TP的出水濃度均都未達到一級A排放標準。一方面因為高原地區海拔高、氣壓低，大氣中氧濃度較低，使污水處理系統中的DO含量低[16]，實際在試驗中，好氧池DO質量濃度多數在2.4 mg/L左右，低DO會抑制聚磷菌的活性，影響聚磷菌好氧吸磷。另一方面原因是碳源，反硝化菌與聚磷菌存在碳源競爭，在AAO工藝中進水碳源不足時，會造成3個池子形成營養遞減區，好氧池聚磷菌因缺少碳源而影響吸磷。

圖5 不同HRT條件下TP的去除效果

當HRT為15.00、17.50、21.00、26.25 h時，TP的平均去除率分別是80.92%、77.62%、64.04%、80.67%。隨HRT的增加，TP的去除率呈先減后增趨勢，并與出水濃度趨勢相同，表明TP去除率和出水濃度同時受HRT的影響。其中最佳HRT為15.00 h，說明較長的HRT不利于TP的去除。一方面因為此時HRT較長，硝化細菌與聚磷菌之間存在激烈競爭，而聚磷菌的生存能力低于硝化細菌，會導致聚磷菌的死亡，不利于吸磷的進行，影響TP的去除效果[11]。另一個原因可能是SRT，本次4組HRT對應的SRT是8、12、16、20 d。SRT過長，會造成在消化過程中活性污泥的活性下降，而且會影響聚磷菌對磷的吸收，從而導致活性污泥中糖類物質的累積及非聚磷菌的增長，使除磷效果降低，同時有研究表明最佳SRT處于3.5～7 d[17-18]。

2.5 不同HRT對系統脫氮除磷的影響

在AAO工藝中脫氮主要通過硝化反硝化，除磷主要通過聚磷菌的厭氧釋磷和好氧吸磷，都需要一定的HRT。首先是聚磷菌的釋磷，如果HRT不能滿足，將會影響后續的吸磷；在反硝化脫氮(硝酸鹽轉化為氮氣)時，需要的HRT較短，一般反硝化與硝化的HRT之比為1∶3[19]；而在硝化階段需要較長的HRT來滿足硝化反應(有機氮轉化為硝酸鹽)和滿足聚磷菌有充分的時間吸磷，提高除磷效果。由表1可知，當HRT在15.00～26.25 h，氨氮的平均去除率均高于其他3個指標，CODCr、TP的平均去除率相對高于TN。說明AAO工藝對氨氮的去除具有良好的效果，且處理效果穩定，同時也表明AAO工藝在運行良好時，可以實現脫氮與除磷同時超過60%，但不能同時實現高效率的脫氮與除磷。例如當HRT為26.25 h時，TP的平均去除率達到80.67%，而TN的平均去除率只有58.81%。在綜合對比不同HRT下，當HRT為15.00 h時，系統中CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率效果最好，但是此時系統平均MLSS只有493 mg/L，并低于其他3組HRT下的污泥濃度，這與污泥濃度低、微生物數量少，從而影響系統功能發揮[20-21]的理論相反，可能是高原地區特殊的環境所造成，但具體原因有待研究。

表1 不同HRT下各污染物的平均去除率和MLSS

為了更科學、更準確地得出4組HRT在綜合CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率條件下的最佳HRT，由圖6可知，當HRT為15.00 h時的綜合評價得分最高，這也驗證了上述分析的最佳HRT是正確的，其次是26.25、17.50、21.00 h。這表明HRT對系統脫氮除磷的發揮有很大的影響。

圖6 PCA分析不同HRT條件下的綜合評價得分

3 結論與建議

本次試驗結果表明HRT對CODCr、氨氮的去除影響小，對TN、TP的影響大。隨HRT的增加，TN的去除率先增后減，TP的去除率先減后增。綜合考慮各污染物的去除效果，最佳HRT是15.00 h，此時CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率分別為85.50%、92.94%、69.70%、80.92%，其中CODCr、氨氮、TN出水濃度滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準，TP出水濃度滿足二級排放標準。

本次試驗以高原地區為背景，討論了海拔高、氣壓低、溫度低、紫外線強等原因對AAO工藝脫氮除磷效果的影響，因此，這些因素可作為提高高原地區AAO工藝脫氮除磷效率的研究方向。同時，本次試驗結果顯示脫氮效率不高，建議通過調整合適的DO、pH、回流比等工況來提高脫氮效率。