污水處理三級(jí)AO耦合工藝低溫脫氮

　　我國(guó)北方冬季氣溫普遍較低，冬季城市污水平均溫度在10℃左右，尤其是我國(guó)部分新建城區(qū)，有機(jī)物含量低且水質(zhì)水量變化大，對(duì)后續(xù)處理系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。采用活性污泥法對(duì)低溫污水進(jìn)行處理，其微生物吸附能力、沉降性能、生長(zhǎng)速率和代謝能力均會(huì)受較大影響，污水處理效能顯著降低。同時(shí)低溫環(huán)境對(duì)設(shè)備有損害，會(huì)造成北方地區(qū)污水處理廠提高取暖成本，增加外加碳源(C源)和化學(xué)除磷藥劑的用量，進(jìn)而增加了污水處理廠運(yùn)行成本。

　　低溫城市污水強(qiáng)化生物處理可根據(jù)硝化細(xì)菌生長(zhǎng)特性調(diào)控運(yùn)行參數(shù)，增加DO濃度和延長(zhǎng)污泥齡。污泥齡在20d時(shí)，可減少低溫(15℃)的不利影響，并穩(wěn)定硝化作用。通過投加生物填料，在低溫下(7~10℃)，以沸石作為填充物的曝氣生物濾池對(duì)低溫廢水中氨氮的去除能力更強(qiáng)。利用開發(fā)的嗜冷菌株將其接種在反應(yīng)器中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氨氮去除效果良好。對(duì)A2/O-MBR污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低溫下A2/O-MBR系統(tǒng)的硝化速率高于普通A2/O工藝。分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝通過合理分配原水中有機(jī)物，保證系統(tǒng)反硝化所需C源，無需硝化液回流即可實(shí)現(xiàn)脫氮功能。分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝具有脫氮效率高、污泥濃度高、節(jié)約能源等特點(diǎn)。近年來分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝的研究不斷加深，多級(jí)A/O工藝在城市污水處理廠的改造和新建項(xiàng)目中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，研究表明：采用JASSFR工藝對(duì)TN和TP的去除率可達(dá)到81.4%和86.1%。在達(dá)到理想TN去除率的同時(shí)(大于97%)，為生物除磷創(chuàng)造了良好的厭氧條件，磷的去除率大于98%。

　　流離生化技術(shù)是產(chǎn)生于近年內(nèi)的一種有機(jī)廢水處理新技術(shù)。填料為表面經(jīng)過特殊處理的集合體(流離球)。污水在流動(dòng)中存在著球體外流速快，球體內(nèi)流速慢的狀況，污水中漂浮物集中在流速慢的地方產(chǎn)生流離現(xiàn)象。經(jīng)過無數(shù)次流離作用，使污水中的固體物和有機(jī)物膠體與水分離。再結(jié)合生化分解，構(gòu)成了流離生化技術(shù)。

　　本研究以實(shí)際污水處理廠冬季運(yùn)行環(huán)境條件為參考，利用分段進(jìn)水三級(jí)A/O活性污泥耦合流離生化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫城市污水穩(wěn)定高效去除污染物。通過考察工藝的低溫污水總體去除效率，分析各隔室內(nèi)污染物濃度及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。同時(shí)考察工藝缺氧反硝化及好氧硝化速率，解析低溫條件下多級(jí)AO耦合流離生化工藝污染物去除機(jī)理。

　　一、材料與方法

　　試驗(yàn)采用分段進(jìn)水三級(jí)A/O反應(yīng)器(圖1)，該裝置缺氧池與好氧池體積比為3：4，且各級(jí)缺氧池、好氧池沿池長(zhǎng)方向分別設(shè)為AX1/AX2/OX1/OX2(A代表缺氧隔室、O代表好氧隔室、X代表級(jí)數(shù))，缺氧、好氧池底部擋板設(shè)有過流孔連通。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，總?cè)莘e為144L，有效容積為126L。二沉池為豎流沉淀池，中心管進(jìn)水、上部溢流堰排水，污泥從底部排空管定期排放。采用4臺(tái)蠕動(dòng)泵分別輸送原水至各級(jí)缺氧池AX1與污泥回流，曝氣區(qū)采用氣泵為系統(tǒng)好氧隔室供氣，通過空氣流量計(jì)控制曝氣量。6臺(tái)機(jī)械攪拌器對(duì)缺氧區(qū)進(jìn)行攪拌。

　　1.1 運(yùn)行控制方案

　　實(shí)驗(yàn)在低溫控制室內(nèi)進(jìn)行，控制風(fēng)機(jī)的啟停溫度分別為9.5~12℃，實(shí)測(cè)水溫為(10±0.5)℃，HRT為8h，進(jìn)水流量分配比例為3：2：1，污泥回流比控制在50%。進(jìn)水采用3臺(tái)蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制，各級(jí)均單獨(dú)控制，每級(jí)進(jìn)水進(jìn)入各級(jí)的第一個(gè)缺氧區(qū)。污泥回流至第一級(jí)缺氧段。

　　1.2 試驗(yàn)污泥及水質(zhì)

　　本試驗(yàn)研究采用的接種活性污泥取自長(zhǎng)春市某污水處理廠，接種初期污泥濃度為5000mg/L左右。

　　試驗(yàn)原水為模擬城市污水，配水使用的藥劑為可溶性淀粉、牛肉膏、蛋白胨、乙酸鈉(CH3COONa)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氫氧化鈉(NaOH)，藥劑純度均為分析純。運(yùn)行期間配水詳細(xì)水質(zhì)參數(shù)見表1，C/N值變化范圍為5.69~8.68，平均值為6.85，試驗(yàn)原水配置過程在恒溫房間進(jìn)行，水溫保持在(10±1)℃。

　　1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

　　研究過程中水質(zhì)和污泥的檢測(cè)均參照水和廢水監(jiān)測(cè)方法第四版中國(guó)標(biāo)法進(jìn)行，具體方法如表2所示。

　　生物膜污泥濃度檢測(cè)：反應(yīng)器內(nèi)流離球填料上生物膜污泥濃度的測(cè)定采用堿洗法。稱重烘干后流離球填料質(zhì)量為M1。利用超聲洗脫法將填料上生物膜剝離，烘干稱量為M2。用M1減去M2并除以填料的數(shù)量即為單個(gè)海綿或KaldnesK3型填料上的膜生物量。并以此來計(jì)算每個(gè)區(qū)域的總生物量，除以區(qū)域的有效體積，得到各隔室的生物膜污泥濃度。

　　好氧硝化速率測(cè)定：取反應(yīng)器中好氧隔室內(nèi)流離球填料及污泥混合液，加入NH4Cl溶液，配制初始ρ(NH4+-N)為18~25mg/L左右，攪拌均勻后開啟曝氣設(shè)備。取樣測(cè)定NH4+-N濃度。計(jì)算NH4+-N消減量b，根據(jù)測(cè)得的NH4+-N濃度與取樣時(shí)間t的關(guān)系，繪出回歸曲線，并求出比硝化速率：

　　缺氧反硝化速率測(cè)定方法：取多級(jí)A/O缺氧區(qū)的泥水混合液，加入一定量的硝酸鉀(KNO3)和丙烯基硫脲(ATU，抑制亞硝化細(xì)菌的活性，從而抑制活性污泥的硝化反應(yīng))，控制混合液中的NO3--N初始濃度在20mg/L左右，反應(yīng)溫度控制在10℃左右。測(cè)定混合液中NO3--N的濃度，得到NO3--N濃度隨時(shí)間的變化曲線，利用曲線的斜率r和測(cè)定的混合液MLVSS值，由式NUR=r/MLVSS即可求得反硝化速率(mg/(g?h))。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)器內(nèi)DO與pH值變化情況

　　系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，裝置內(nèi)DO及pH值變化情況見圖2，3級(jí)好氧池DO平均濃度分別為1.05，3.23，3.75mg/L，后兩級(jí)好氧池DO濃度較高，缺氧區(qū)DO濃度均低于0.05mg/L，達(dá)到缺氧反硝化脫氮要求，DO控制良好是該系統(tǒng)高效脫氮的保證。系統(tǒng)各隔室內(nèi)pH值維持在7.0左右，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。

　　2.2 反應(yīng)器內(nèi)活性污泥及生物膜污泥濃度

　　反應(yīng)器內(nèi)懸浮活性污泥濃度和生物膜污泥濃度如圖3所示：分段進(jìn)水多級(jí)A/O系統(tǒng)三級(jí)平均污泥濃度分別為6400，5400，4600mg/L，回流污泥濃度11200mg/L，活性污泥濃度梯度分布明顯，符合多級(jí)A/O工藝特點(diǎn)，活性污泥濃度較高，表明反應(yīng)器內(nèi)微生物數(shù)量大，高污泥濃度有利于提高低溫污水處理效率，弱化低溫污水處理微生物活性低、新陳代謝緩慢等不利影響。

　　反應(yīng)器內(nèi)生物膜污泥濃度400~800mg/L之間，沿水流方向逐漸升高，這與懸浮活性污泥濃度逐漸降低的規(guī)律相反，原因?yàn)榛旌舷到y(tǒng)中固著相與懸浮相微生物間互為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在同一系統(tǒng)中，活性污泥濃度與生物膜污泥濃度變化趨勢(shì)相反。圖中缺氧段生物膜污泥濃度高于好氧段，原因?yàn)槿毖醵尾捎脵C(jī)械攪拌的方式，對(duì)填料表面生物膜的震動(dòng)作用較弱，而好氧區(qū)曝氣對(duì)生物膜的沖擊以及水流剪切力的作用，使生物膜更容易脫落，故好氧段生物膜污泥濃度較缺氧段小。

　　2.3 污染物去除效率

　　2.3.1 COD的去除

　　COD的去除情況如圖4所示，在近200d的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，平均進(jìn)水COD為200mg/L，出水COD維持在50mg/L以下，平均COD去除效率達(dá)到90%，表明系統(tǒng)針對(duì)低溫污水中有機(jī)物的去除具有較好的效果。

　　2.3.2 NH4+-N與TN的去除

　　NH4+-N及TN的去除如圖5所示，平均進(jìn)水NH4+-N濃度為15mg/L，運(yùn)行初期系統(tǒng)出水NH4+-N濃度較高，運(yùn)行15d后逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定階段出水NH4+-N濃度在0.5mg/L左右，系統(tǒng)NH4+-N去除效率較高，達(dá)到90%以上。低溫下系統(tǒng)NH4+-N去除效率較高的原因主要為，投加流離球填料有助于系統(tǒng)中長(zhǎng)泥齡微生物(硝化細(xì)菌等)在填料表面富集，硝化菌等長(zhǎng)泥齡微生物量的增加，彌補(bǔ)低溫環(huán)境帶來的生物活性下降等不利因素，保證系統(tǒng)較高的硝化效率。進(jìn)水TN平均濃度為30mg/L，TN去除效率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，運(yùn)行166d后達(dá)到穩(wěn)定，出水TN濃度維持在7mg/L以下，去除效率達(dá)到80%。分析原因，運(yùn)行初期反硝化菌受低溫影響，增值緩慢，系統(tǒng)內(nèi)反硝化菌數(shù)量不足，活性較低，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，反硝化菌逐漸適應(yīng)環(huán)境，達(dá)到一定數(shù)量積累后，開始顯現(xiàn)出反硝化性能。

　　2.3.4 TP的去除

　　多級(jí)A/O工藝主要通過排出剩余污泥來實(shí)現(xiàn)，即微生物同化作用從水中攝取磷合成有機(jī)物并貯存能量，通過定期排出沉淀池內(nèi)的剩余污泥，實(shí)現(xiàn)水中磷的去除。如圖6所示，進(jìn)水磷濃度平均為7mg/L，運(yùn)行初期磷去除率較低，且不穩(wěn)定。運(yùn)行100d后，磷去除率逐漸升高并穩(wěn)定在80%左右，出水磷濃度小于2mg/L。本研究中進(jìn)水磷濃度較高，普遍超過了其他研究中3.0~5.0mg/L的磷濃度，在此條件下去除效率超過80%，說明經(jīng)過分區(qū)后的分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝具有較好的磷去除能力。

　　2.4 三級(jí)AO耦合系統(tǒng)污染物變化規(guī)律

　　如圖7所示，系統(tǒng)內(nèi)COD變化較小，結(jié)合分段進(jìn)水模式分析，原水中有機(jī)物進(jìn)入各級(jí)缺氧段，大部分作為反硝化C源被反硝化菌用于反硝化脫氮，少部分進(jìn)入好氧段。系統(tǒng)NH4+-N的降解主要發(fā)生在好氧段，流入每一級(jí)的NH4+-N均能夠在該級(jí)內(nèi)得到完全去除，各級(jí)出水NH4+-N濃度均小于0.5mg/L，同時(shí)第3級(jí)缺氧段和好氧段NH4+-N濃度均較低，表明3級(jí)AO耦合系統(tǒng)第3級(jí)存在一定的硝化潛能，有利于提高系統(tǒng)抗NH4+-N沖擊能力，保證系統(tǒng)出水NH4+-N濃度穩(wěn)定。反應(yīng)器內(nèi)TN的降解主要發(fā)生在缺氧段，通過反硝化作用被去除。同時(shí)在好氧段也存在明顯的TN降解，主要原因?yàn)楹醚醵翁畛淞肆麟x球填料，填料內(nèi)部存在缺氧/厭氧環(huán)境，滿足硝酸鹽反硝化所需的環(huán)境條件，填料的投加促進(jìn)了好氧段同步硝化反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，提高了系統(tǒng)總體的脫氮能力，尤其對(duì)于系統(tǒng)末段存在一定程度的同步硝化反硝化，有利于降低出水中TN濃度，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。系統(tǒng)內(nèi)磷變化規(guī)律在不同隔室內(nèi)存在明顯的差異，缺氧段由于存在P的釋放，TP濃度較高，第1級(jí)缺氧段TP濃度達(dá)到20mg/L，隨后在好氧段磷得到吸收降低至3mg/L，說明系統(tǒng)內(nèi)存在聚磷菌，且并未在系統(tǒng)第3級(jí)釋放，出水磷濃度較低。

　　2.5 耦合工藝脫氮規(guī)律

　　系統(tǒng)各級(jí)NH4+-N的來源主要是進(jìn)水中帶入的NH4+-N及由系統(tǒng)上一級(jí)未完全硝化剩余的NH4+-N。如表3所示，系統(tǒng)第一級(jí)NH4+-N流入量最高，同時(shí)去除率也最高，原因?yàn)楦叩孜餄舛扔欣谙趸磻?yīng)的進(jìn)行。三級(jí)NH4+-N去除率均超過80%，表明流入各級(jí)的NH4+-N在本級(jí)內(nèi)得到了較好的去除，無剩余NH4+-N積累并進(jìn)入下一級(jí)，使各級(jí)NH4+-N負(fù)荷維持在正常進(jìn)水水平，同時(shí)硝化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮能夠?yàn)楹罄m(xù)缺氧反硝化提供充足底物，提高各級(jí)TN的去除率。

　　分段進(jìn)水多級(jí)A/O耦合流離生化工藝TN的去除包括3個(gè)過程，即缺氧反硝化、同步硝化反硝化及同化過程。缺氧反硝化主要發(fā)生在多級(jí)A/O工藝缺氧段，對(duì)進(jìn)水中及上一級(jí)好氧硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化并生成氮?dú)?，同步硝化反硝化主要發(fā)生在好氧段，在將流入的有機(jī)氮和氨氮氧化成硝態(tài)氮的同時(shí)，將上一級(jí)流入的硝態(tài)氮和產(chǎn)生的硝態(tài)氮在好氧區(qū)內(nèi)反硝化變成氮?dú)狻?/p>

　　如表4所示，缺氧段TN去除率最高發(fā)生在系統(tǒng)第二級(jí)達(dá)到46.23%。分析原因，第一級(jí)好氧段硝化效率最高，產(chǎn)生大量的硝態(tài)氮進(jìn)入第2級(jí)缺氧段，混合第2級(jí)進(jìn)水中硝態(tài)氮后，缺氧段硝態(tài)氮濃度升高，充足的底物濃度促進(jìn)了反硝化的進(jìn)行。同理，系統(tǒng)第2級(jí)好氧硝化效率最低，第3級(jí)進(jìn)水量最小，故第3級(jí)缺氧段硝態(tài)氮濃度低于第1級(jí)和第2級(jí)，TN去除效率最低。好氧段存在明顯的同步硝化反硝化反應(yīng)，其中第1級(jí)同步硝化反硝化效率最高，TN去除率達(dá)到37.31%，這主要受充足底物濃度的影響。系統(tǒng)同步硝化反硝化作用TN去除率達(dá)到26.05%，占系統(tǒng)TN去除率的30%以上，流離球填料的投加，有效的提高了系統(tǒng)同步硝化反硝化性能，促進(jìn)了系統(tǒng)TN的去除，特別是第三級(jí)好氧末段18.03%的TN去除率，有效的降低了系統(tǒng)出水中TN濃度，對(duì)于保障多級(jí)AO工藝出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)具有重要意義。

　　2.6 系統(tǒng)脫氮速率

　　2.6.1 好氧硝化速率

　　由圖8中NH4+-N降解曲線和DO變化曲線可知，NH4+-N的下降“拐點(diǎn)”與DO快速上升的“拐點(diǎn)”所在位置相同，這表明系統(tǒng)NH4+-N降解基本完成，硝化過程結(jié)束，系統(tǒng)消耗DO速率逐漸降低，混合液內(nèi)DO開始快速上升，兩條曲線出現(xiàn)“拐點(diǎn)”時(shí)間相同，從側(cè)面驗(yàn)證系統(tǒng)NH4+-N降解完成。

　　表5結(jié)合圖8可知，3級(jí)好氧末段比耗氧硝化速率曲線相關(guān)性R2值均超過98%，相關(guān)性較好。第一級(jí)、第2級(jí)和第3級(jí)硝化速率逐漸下降，表明3級(jí)NH4+-N降解能力逐漸下降，這與氨氮各級(jí)降解總量規(guī)律相同。對(duì)比3級(jí)比耗氧硝化速率數(shù)值可知，第二級(jí)比硝化速率最高，分析原因可能為第二級(jí)具有硝化功能的微生物種群濃度高于第一級(jí)和第三級(jí)，硝化菌濃度的提高直接表現(xiàn)于硝化速率的上升。

　　2.6.2 系統(tǒng)反硝化速率

　　圖9中，反硝化速率曲線相關(guān)性R2值均超過90%，相關(guān)性較好。第1級(jí)和第2級(jí)反硝化速率曲線均存在明顯的3個(gè)變化階段，參照表6混合體系各級(jí)缺氧末段比反硝化速率可知，隨著反硝化時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，比反硝化速率逐漸降低，其中第1級(jí)比反硝化速率最大，NO3--N降解速率最快且反應(yīng)時(shí)間較短，反應(yīng)時(shí)間在10~15min左右，其主要原因一方面是微生物的吸附作用，進(jìn)水中NO3--N濃度較高，微生物將污水中NO3--N大量吸附到菌體表面以便下一步反硝化處理，另一方面反硝化菌優(yōu)先利用污水中易生物降解的可溶性有機(jī)物作為C源進(jìn)行反硝化脫氮，此時(shí)的反硝化速率與反硝化菌的數(shù)量有關(guān)。第2階段反硝化時(shí)間最長(zhǎng)，同時(shí)反硝化速率降低，主要原因?yàn)槲⑸锎藭r(shí)將吸附的NO3--N進(jìn)行反硝化，吸附作用減弱。污水中易生物降解的可溶性有機(jī)物基本耗盡，微生物開始利用水中可緩慢降解的有機(jī)物作為電子供體。第3階段反硝化速率最低，分析原因?yàn)槲鬯蠳O3--N被前2個(gè)階段大量降解，水中剩余NO3--N濃度較低，同時(shí)可生物降解的有機(jī)C源基本耗盡，微生物通過氧化自身產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物作為電子供體進(jìn)行反硝化，故反硝化速率最低。

　　對(duì)比各級(jí)比反硝化速率可知，第2級(jí)A22隔室第1階段比反硝化速率最高，依據(jù)第1階段反硝化速率主要取決于反硝化菌的數(shù)量這一理論，表明第2級(jí)反硝化細(xì)菌數(shù)量最多，分析原因第2級(jí)缺氧段流入的NO3--N濃度最高，底物充足，此時(shí)反硝化菌大量繁殖，代謝活動(dòng)頻繁增值量大。這一結(jié)論驗(yàn)證了系統(tǒng)第2級(jí)反硝化TN去除效率最高的規(guī)律。對(duì)比3級(jí)反硝化NO3--N降解曲線可知，各級(jí)反硝化時(shí)間逐級(jí)增加，反硝化速率逐級(jí)降低。

　　三、結(jié)論

　　3.1 分段進(jìn)水三級(jí)AO耦合流離生化工藝針對(duì)低溫(10℃)模擬城市污水具有較高的污染物去除率，COD、NH4+-N、TN和TP去除率分別為90%、90%、80%和80%。經(jīng)過近200d的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，處理效果穩(wěn)定。

　　3.2 耦合工藝各級(jí)NH4+-N去除效率均超過80%，各級(jí)硝化完全產(chǎn)生大量硝態(tài)氮，分段進(jìn)水合理分配C源和N濃度，充足的底物濃度促進(jìn)反硝化的進(jìn)行。同時(shí)添加流離球填料使好氧段同步硝化反硝化脫氮率達(dá)到26.05%，有效降低系統(tǒng)出水中TN濃度。

　　3.3 系統(tǒng)硝化與反硝化速率與微生物量有關(guān)，系統(tǒng)第1級(jí)硝化速率最高為10.20mg/(L?h)，比硝化速率第2級(jí)最高為1.72mg/(g?h)，缺氧末段反硝化速率及比反硝化速率均為第2級(jí)最高。（來源：長(zhǎng)春工程學(xué)院,吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)；北京工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院；東北師范大學(xué),吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障科技創(chuàng)新中心 ）