A2/O-BAF工藝短程硝化模式下反硝化除磷技術(shù)在處理低C/N城市污水中的效能

闞子建

（中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司 ，天津 300450）

0 引言

為了進(jìn)一步提高城市低C/N 比例污水中的碳磷去除效率，應(yīng)充分應(yīng)用碳源，使其在除磷除氮工藝流程中更有效地發(fā)揮作用。A2/O-BAF 工藝短程硝化模式是常見的城市污水處理工藝流程，得到了廣泛應(yīng)用并證實了其良好的除氮效果，而結(jié)合短程硝化模式應(yīng)用的基本特點，以亞硝態(tài)氮作為受體[1]，采用反硝化除磷工藝，可充分解決傳統(tǒng)城市污水處理工藝中碳源不足的問題，尤其是我國低C/N 比城市污水在進(jìn)行除磷的過程中，對碳氮的要求更高，因此采用該工藝方法發(fā)揮A2/O 工藝的作用及時去除有機物氮和磷，同時發(fā)揮BAF 工藝的優(yōu)點，使兩者結(jié)合，彌補各自的缺陷，有效提高低C/N城市污水的系統(tǒng)脫氮除磷效率。該模式屬于短程硝化模式，在短程硝化模式后使硝化反應(yīng)直接進(jìn)入反硝化過程，因此屬于高經(jīng)濟(jì)、高能效的脫氮技術(shù)[2]。該研究基于A2/O-BAF 工藝短程硝化模式研究反硝化除磷技術(shù)在除磷低C/N 比例城市污水中的能效情況，希望通過該文的研究能夠為城市低C/N 類型的污水處理提供更先進(jìn)更科學(xué)的工藝，使城市污水處理達(dá)到良好的除氮除磷效果，符合節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)綠化的發(fā)展要求和方向。

1 A2/O-BAF 工藝技術(shù)分析

A2/O 工藝流程中包括厭氧池、缺氧池、好氧池以及沉淀池，其中，原水在經(jīng)過厭氧池的過程中可有效去除BOD釋放磷元素，并使廢水氨化，然后進(jìn)入缺氧池，在該工藝流程中通過攪拌釋放氮氣可起到脫氮、釋放磷元素以及吸磷去除BOD 的作用[3]，然后進(jìn)入好氧池，通過進(jìn)一步硝化吸磷去除BOD，最后進(jìn)入沉淀池沉淀。同時在好氧池所獲得的硝化液回流再次進(jìn)入缺氧池進(jìn)行循環(huán)除磷。該工藝中的除磷是通過沉淀池沉淀后的污泥反復(fù)進(jìn)入經(jīng)過厭氧、缺氧、好氧環(huán)境進(jìn)行脫磷和吸磷，然而采用該工藝的除磷效率較低[4]。

BAF 工藝常應(yīng)用于污水的深度除磷中，該工藝是一種除磷負(fù)荷較高、占地較小、出水水質(zhì)穩(wěn)定的二級除磷技術(shù)。在應(yīng)用的過程中，其生物除磷效果不好，需要通過化學(xué)輔助進(jìn)行除磷。基于上述2 種工藝的基本原理和優(yōu)勢，將2種污水處理工藝結(jié)合，形成A2/O-BAF 工藝短程硝化模式。在A2/O 工藝水力停留的時間較短，水中聚磷菌則可以有效分解有機物，僅溶解磷，但是不發(fā)生硝化反應(yīng)，有利于聚磷菌大量地繁殖生長，在厭氧缺氧環(huán)境中有良好的除磷效果，可以有效地脫磷。

2 A2/O-BAF 工藝在短程硝化模式下的反硝化除磷低C/N 城市污水效能分析

2.1 試驗裝置

該研究探索在A2/O-BAF 工藝短程硝化模式的反硝化除磷技術(shù)處理低C/N 城市污水效能，所用的A2/O-BAF 工藝試驗裝置主要包括A2/O 反應(yīng)器，二沉池以及BAF 串聯(lián)連接器。在進(jìn)行設(shè)置的過程中對A2/O 反應(yīng)器中的 HRT 設(shè)置為10 h，溶劑設(shè)置為1 ∶3 ∶1，具體的試驗裝置流程如圖1 所示。其中A2/O 階段總體容積為60 L，A1~2 號為厭氧階段，設(shè)置反應(yīng)容積為12 L，其主要作用就是發(fā)揮厭氧吸磷去除COD 的功能，A3~8 號為缺氧階段，設(shè)置反應(yīng)溶劑為36 L，可實現(xiàn)反硝化除磷功能，O1~2 號為好氧階段，設(shè)置反應(yīng)容積為12 L，主要功能是發(fā)揮好氧、吸磷、吹脫氮氣的作用。BAF 反應(yīng)器中設(shè)置直徑為0.1 m、高度為2.4 m、有效容積為18 L。在裝置內(nèi)填入75%的改性聚乙烯原料，主要實現(xiàn)短程硝化功能。在試驗過程中對A2/O的污泥控制時間為15 天，當(dāng)二沉池中存在含磷和有機物的污泥后及時排出，排出的污泥可經(jīng)過回流裝置再次進(jìn)入?yún)捬醯狝1 格。在BAF 裝置中設(shè)置硝化液回流裝置，其出水中的硝化液可回流至缺氧段A3 格。

圖1 試驗裝置流程圖

2.2 試驗步驟

所有污泥來自實驗室A2/O 反應(yīng)器，經(jīng)檢測COD 去除率達(dá)到78%，氫和正磷酸鹽去除率為80%以上。在短程硝化啟動階段，先進(jìn)行污泥馴化，所用人工配水pH 值為7.5~8.0，游離態(tài)氨濃度為99mg/L~102mg/L，亞硝態(tài)氮濃度為0.09mg/L~0.22mg/L，硝態(tài)氮濃度為0.31~0.44，F(xiàn)eCI3·6H2O 濃度為0.03g/L，硫酸鎂濃度為0.09g/L，氯化錳濃度為0.24g/L，NiCl2濃度為0.06g/L，Na2MoO4濃度為0.06g/L。進(jìn)入A2/O-BAF 階段以后，采用城市居民區(qū)生活污水作為樣本。對樣本水質(zhì)進(jìn)行檢測，其中COD 含量為181.06mg/L~279.29mg/L，游離態(tài)氨含量為45.02mg/L~61.87mg/L，亞硝態(tài)氮含量小于1mg/L，硝態(tài)氮含量小于2mg/L，TN 的含量為47.6mg/L~67.4mg/L，正磷酸鹽含量為4.07mg/L~6.71mg/L，C/N 比為2.7~5.87，水質(zhì)溫度為12℃~25℃，pH值為7.3~7.6。

2.3 試驗運行工藝調(diào)節(jié)

在BAF 啟動階段進(jìn)行短程硝化反應(yīng)的過程中，通過人工配水對所選污泥進(jìn)行馴化，充分體現(xiàn)ABO 的優(yōu)勢，達(dá)到短程硝化的目的。

在A2/O-BAF 聯(lián)合反應(yīng)階段，所用污水樣本為城市實際污水，對BAF 硝化液回流情況進(jìn)行調(diào)整，使R的比例由0%增至200%，進(jìn)一步調(diào)整曝氣量、耗氧、缺氧、曝氣時間以及水力停留時間，在BAF 階段能夠形成穩(wěn)定的亞硝態(tài)氮，BAF硝化液回流比由0%增至200%的運行時間以及各方案參數(shù)見表1。

表1 BAF 硝化液回流比由0%增至200%的A2/O-BAF 運行方案參數(shù)

2.4 檢測方法

在進(jìn)行檢測的過程中采用快速密閉催化消解法檢測COD 含量，采用分光光度法檢測游離態(tài)氨、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、TN 含量、正磷酸鹽含量，運用在線監(jiān)測儀對溫度、pH值、DO 進(jìn)行監(jiān)測。

2.5 計算方法

2.5.1 亞硝積累率計算方法

亞硝積累率計算方法為進(jìn)出水亞硝態(tài)氮濃度差與進(jìn)出水壓硝酸跟離子濃度差與硝態(tài)氮濃度差之和的比例[5]，如公式（1）所示。

2.5.2 BAF 階段的按氧化貢獻(xiàn)率

計算BAF 階段的氨氧化貢獻(xiàn)率時按照試驗方案設(shè)計的硝化液回流比為0%~200%，分別計算在A2/O 進(jìn)水出水以及BAF 出水中的游離態(tài)氨濃度，單位為mg/L，計算方法如公式（2）所示。

2.5.3 反硝化除磷效率

反硝化除磷效率在計算的過程中選擇污泥回流比為100%，硝化液回流比為0%~200%，分別計算在A2/O 厭氧出水缺水的環(huán)境下及好氧出水中的正磷酸鹽濃度，計算方法如公式（3）所示。

2.5.4 反硝化除磷菌比例

反硝化除磷菌比例在計算的過程中按照已有研究者劃分的三種不同電子受體除磷菌方法，接單純以氧氣作為電子受體的除磷菌，以氧氣+硝態(tài)氮為電子受體的除磷菌、以氧氣+硝態(tài)氮+亞硝態(tài)氮為電子受體的除磷菌三種模式進(jìn)行計算[5]。

3 研究結(jié)果

研究結(jié)果如下：1）在短程硝化BAF 啟動階段，其初始亞硝態(tài)氮從第1 天的7.6 mg/L 增至15 天的43.57 mg/L，亞硝態(tài)氮就在第11 天穩(wěn)定為4 mg/L，亞硝清除率則由62.48%升至93.07%，順利完成了短程硝化BAF 啟動。在該過程中，采用間歇性的BAF 模式有利于實現(xiàn)AOB 的富集，抑制亞硝化細(xì)菌的產(chǎn)生。2）短程硝化BAF 穩(wěn)定階段，其A2/O 階段的平均凈水游離態(tài)氨濃度為53.34 mg/L，當(dāng)R為50%~200%通過間歇性的曝氣，同時縮短盈利停留時間至 3 h，在短程硝化的過程中顯示硝態(tài)氮濃度低于1.0 mg/L，亞銷穩(wěn)定在95%以上，小明半程硝化階段有效地積累亞硝態(tài)氮，使反硝化除磷階段的電子受體來源穩(wěn)定。3）A2/O-BAF 串聯(lián)運行階段，在R=0%的情況下初期BAF 階段的游離態(tài)氨濃度波動較大，后期逐漸穩(wěn)定，顯示硝化細(xì)菌有效適應(yīng)了水質(zhì)變化情況，在R由50%升至200%的這段時間，游離態(tài)氨濃度由7.71 mg/L 降至1.01 mg/L，游離態(tài)氨去除率由84.48%升至98.06%。在A2/O-BAF 階段的凈水TN 變化效果顯著， TN 的去除率達(dá)到18.82%~76.81%，在該過程中對A2/O 階段的有限碳源用于反硝化和吸磷，而在A2/O-BAF 階段進(jìn)一步發(fā)揮反硝化除磷菌作用，達(dá)到一碳兩用的目的，提高了TN 資源利用效率，達(dá)到了良好的 TN 去除效果。4）在A2/O-BAF 階段，其COD 的去除效率較高，處于厭氧段內(nèi)的COD 去除比例由45.93%升至70.65%，而缺氧段的COD 去除率僅為10%~14%。在A2/O-BAF 工藝中其A2/O 階段不進(jìn)行硝化反應(yīng)，因此形成良好的厭氧環(huán)境，雖然缺氧但是有利于反硝化除磷。在A2/O-BAF 工藝中凈凈水正磷酸鹽濃度為4 mg/L~7 mg/L， 及除磷主要體現(xiàn)在A2/O 的好氧段，當(dāng)硝化液回流比例由50%升至200%以后， A3 格子中的硝態(tài)氮濃度為0.4 mg/L以下，表明在缺氧情況下存在少量亞酸根離子時容易出現(xiàn)缺氧心靈現(xiàn)象，使正磷酸鹽濃度呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)R為150%~200%時， DPR 效率達(dá)到70%以上，說明以亞硝態(tài)氮為電子受體的反硝化除磷成為該工藝中的重要除磷方式。

4 討論

我國城市污水的除磷技術(shù)普遍存在因碳源不足而效率低的問題，在城市低C/N 比例污水處理的過程中存在氮磷去除不充分的現(xiàn)象。硝化除磷技術(shù)充分發(fā)揮亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮作為電子受體的作用，在同步脫氮除磷的過程中繼續(xù)發(fā)揮碳離子的作用，使其能夠“一碳兩用”，既可以降低曝氣量，使其達(dá)到30%，同時也可以有效降低污泥產(chǎn)量，使其達(dá)到50%。如果繼續(xù)進(jìn)行脫氮，就會由于硝化菌和除磷數(shù)量不匹配而導(dǎo)致其中的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮不穩(wěn)定，為了在短程硝化的基礎(chǔ)上采用反硝化除磷工藝，在反硝化除磷的過程中以亞硝態(tài)氮電子受體在缺氧條件下吸磷，可降低碳源的消耗量，也可以降低25%的曝氣量，以保證短程硝化中的亞硝態(tài)氮得到穩(wěn)定供應(yīng)，同時也能保證壓硝態(tài)氮電子受體在反硝化除磷過程中發(fā)揮除磷富集的作用，提高低C/N 比例城市污水中的除氮除磷效果。

A2/O 工藝是在20 世紀(jì)40 年代開發(fā)出來的脫氮工藝，后期經(jīng)歷了不斷地研究，有效解決了該工藝過程中脫氮不足的問題，完成了現(xiàn)階段的A2/O 工藝流程，A2/O 除磷工藝在應(yīng)用的過程中將厭氧、缺氧、好氧作為一個整體，有效縮短了水力停留的時間，減少了除磷工藝所用的占地面積，而在厭氧缺氧好氧交替應(yīng)用的情況下不容易發(fā)生污泥膨脹，并有效杜絕了絲狀菌大量增殖，能夠?qū)崿F(xiàn)脫氮除磷功能，但是污泥中的含磷濃度相對較高。隨著BAF 工藝的廣泛應(yīng)用，其工進(jìn)水平也在不斷提升，在濾池中的濾料性能方面不斷地優(yōu)化，進(jìn)而產(chǎn)生多種BAF 工藝類型[6]。采用該工藝在進(jìn)行污水處理的過程中具有流程簡單、設(shè)施設(shè)備應(yīng)用較少以及無污泥膨脹等優(yōu)勢，同時生物膜上的生物量較高，具有良好的去污除磷效果，能夠有效除去污水中的有機物和氨氮元素。BAF 工藝主要包括顆粒生物填料床、爆氣系統(tǒng)以及反沖系統(tǒng)，最主要的作用是通過生化反應(yīng)和過濾作用去除污水中的污染物。它所應(yīng)用到的顆粒狀生物濾料可有效附著具有高濃度的微生物薄膜，因此在污水經(jīng)過的過程中可通過微生物進(jìn)行氧化分解，使污水通過過濾吸收氧化，在新陳代謝的過程中針對水中的污染物進(jìn)行降解，在生物濾池中存在的污泥通過定期沖洗的方式進(jìn)行排除。結(jié)合兩者優(yōu)勢，在A2/O-BAF 工藝短程硝化模式下，在A2/O 工藝階段將污水中易降解有機物轉(zhuǎn)化成VFAs，對回流污泥中存在的聚磷菌則在體內(nèi)進(jìn)行分解，釋放出的能量可以拱聚磷菌在厭氧環(huán)境下繼續(xù)生成，而另一部分能量則通過聚磷菌主動吸收VFAs，由反硝化菌利用回流硝化液對有機物進(jìn)行反硝化脫氮，最后在反硝化過程中通過回流污水中的硝態(tài)氮作為受體再一次吸磷。尤其是對城市低C/N 比的生活污水，在進(jìn)行除磷的過程中A2/O 階段可以給反硝化除磷菌提供良好的環(huán)境，使反硝化階段成為主要的除磷方式，同時有效節(jié)約了碳源，保證了后期除磷工藝的順利開展。

5 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，A2/O-BAF工藝采用反硝化除磷技術(shù)進(jìn)行低C/N 比城市污水處理，在硝化液回流比例為200%的情況下，COD、TN、游離態(tài)氨以及正磷酸鹽的去除效率分別達(dá)到85.26%、76.81%、98.06%以及93.78%，體現(xiàn)了良好的去除效果，在短程硝化反應(yīng)的過程中通過調(diào)節(jié)間歇性曝氣以及硝化液回流比例，能維持良好的亞硝態(tài)氮積累量。在反硝化除磷階段，當(dāng)R等于200%時，亞硝態(tài)氮電子受體率較高，在反硝化除磷過程中發(fā)揮了重要作用。