低碳氮比污水處理MAAO工藝
傳統(tǒng)的脫氮除磷技術(shù)由于工藝形式的限制，在處理低碳氮比污水時(shí)脫氮和除磷往往無法兼得。分段進(jìn)水突破了傳統(tǒng)AAO工藝的單點(diǎn)進(jìn)水，具有有機(jī)物去除率高、污泥濃度較高等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外有很多學(xué)者從工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行影響因素、模型模擬、性能優(yōu)化等角度對分段進(jìn)水進(jìn)行了大量的研究。在此基礎(chǔ)上，劉勝軍等人提出了MAAO(multilevel anaerobic/anoxic/oxic process)工藝。該工藝有著優(yōu)化利用碳源、減少曝氣能耗，降低污泥產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在西安市某污水處理廠投入使用。不過由于該工藝調(diào)節(jié)參數(shù)復(fù)雜，具體的運(yùn)行機(jī)理尚不十分明確，因此本實(shí)驗(yàn)對該工藝的運(yùn)行優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究。本研究以實(shí)驗(yàn)室配水模擬的污水廠進(jìn)水為處理對象，優(yōu)化改良MAAO工藝的運(yùn)行條件，研究該工藝的脫氮除磷性能和各污染物的去除機(jī)制。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案
MAAO系統(tǒng)由原水箱、反應(yīng)器、終沉池三部分連接組成。原水箱容積75L。MAAO系統(tǒng)由有機(jī)玻璃構(gòu)成，有效容積14L，共分為4級，每一級由厭氧、缺氧、好氧3個(gè)區(qū)域組成，厭氧/缺氧/好氧體積比為1∶2∶4，從第一級到第四級共分為12個(gè)區(qū)域。二沉池為豎流式，總體積為9L。系統(tǒng)通過反應(yīng)器好氧區(qū)底部安裝的砂芯曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，通過調(diào)整玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)整曝氣量。各池頂部設(shè)有恒速攪拌裝置。攪拌電機(jī)為24V直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速為200rpm。進(jìn)水和分流通過小型蠕動(dòng)泵控制，污泥回流由蠕動(dòng)泵控制。
如圖1所示，系統(tǒng)共有4級進(jìn)水，3級分流，進(jìn)水比為本級進(jìn)水量與整個(gè)系統(tǒng)的總進(jìn)水量之比，分流比為去往下一級厭氧池的污泥量與本級缺氧池總流出污泥量之比。
1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水
用于MAAO反應(yīng)器接種的活性污泥取自西安市某處理廠二期工程(MAAO工藝)的第四級好氧區(qū)污泥進(jìn)行自然馴化。污水處理廠長期運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水為城市生活污水，出水水質(zhì)長期達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。馴化三周后反應(yīng)器二沉池出水懸浮物(SS)小于20mg?L-1，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)使用人工配水模擬生活污水，總體上保持進(jìn)水基質(zhì)濃度為定值，配水使用無水乙酸鈉和葡萄糖按照提供COD1∶1的比例做為碳源，以氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，具體配水水質(zhì)為見表1。每升配水中添加0。4mL微量元素。
1.3 分析項(xiàng)目與方法
NH4+-N、NO-2-N、NO-3-N、TP按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定，COD由快速消解儀(哈希，美國)測定。DO由便攜式溶氧儀(HQ40d，哈希，美國)測定，溫度由酒精溫度計(jì)測定。
1.4 實(shí)驗(yàn)條件與運(yùn)行方案
MAAO系統(tǒng)在室溫(19～22℃)條件下運(yùn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間總進(jìn)水流量為28.8L?d-1，污泥齡控制為10～12d，污泥回流比為100%，混合液回流比為75%。具體運(yùn)行條件見表2。厭氧、缺氧段DO控制在0～0.35mg?L-1，好氧區(qū)DO維持在0.5～1.2mg?L-1。
1.5 系統(tǒng)SND脫氮計(jì)算方法
系統(tǒng)通過SND途徑去除的氮量和SND率可以通過公式(1)～(4)計(jì)算。
式中：NSND、Nde、和Nass分別為系統(tǒng)每天通過同步硝化反硝化、反硝化過程和同化作用去除的氮量，g?d-1；Nin和Neff為每天進(jìn)入和排出系統(tǒng)的氮量，g?d-1；Ndn1、Ndn2、Ndn3、Ndn4、Nsec分別為各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量，g?d-1；MLSSwaste為剩余污泥濃度，g?L-1；fVSS/SS為揮發(fā)性污泥濃度與MLVSS與MLSS的比值；Vwaste是每天的剩余污泥排放量，L；fN/bio為活性污泥中氮的含量，取12.39%。
2、結(jié)果與討論
2.1 MAAO系統(tǒng)脫氮特性
各種工況條件下進(jìn)出水氮濃度和去除率見圖2。5種工況下的平均出水氨氮濃度分別為4.41mg?L-1、0.45mg?L-1、9.65mg?L-1、8.03mg?L-1、0.74mg?L-1，去除率分別為91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%。其中工況一、工況二和工況五的出水氨氮較低，符合國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，而工況二和工況五的氨氮去除率最高，出水氨氮量接近于零，硝化反應(yīng)徹底。對比表2可以看出，從工況五到工況二，總好氧區(qū)HRT變化為從125～113min，實(shí)際出水氨氮濃度相差不大，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對氨氮的高效去除，說明工況五浪費(fèi)了一定的剩余硝化容量。而工況三和工況四的總好氧區(qū)HRT則下降至101min，由于水力停留時(shí)間的限制，使得好氧區(qū)微生物沒有足夠的時(shí)間對進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行完全的氨化作用，導(dǎo)致出水氨氮濃度較高。
圖3為沿程各種存在形式的氮在工藝中的沿程濃度變化，表3為五種工況下的氮元素物料衡算結(jié)果。工況三和工況四的第一級和最后一級進(jìn)水量均為25%，從圖3(c)～(d)可以看出，最后一級的好氧區(qū)無法氧化較多的氨氮，導(dǎo)致出水氨氮含量較高，而硝氮含量比起其他工況則沒有很大的變化，所以出水總氮含量偏高是由于系統(tǒng)最后一級硝化能力不足引起的。同時(shí)工況三的總氮去除率也明顯高于工況四，這說明在第一級的分流比增大時(shí)，對于MAAO系統(tǒng)的總體脫氮是有負(fù)面影響的。當(dāng)?shù)谝患夁M(jìn)水量上升為30%，第四級進(jìn)水量下降為20%(工況一)時(shí)，分流比相對于工況三和工況四也提高了，此時(shí)，系統(tǒng)硝化效果和總氮去除性能均得到加強(qiáng)，出水氨氮和總氮分別為4.41mg?L-1和11.87mg?L-1。繼續(xù)提高首段進(jìn)水比例到35%，末端降至15%(工況二)。此時(shí)，好氧HRT和缺氧HRT都有較大提升，硝化能力和反硝化能力繼續(xù)上升，總氮去除率達(dá)到84.2%。然而當(dāng)首段進(jìn)水比例過高(50%)，即在工況五時(shí)，雖然總好氧HRT極大增加，但是從圖3(e)可以看出，第四級出水中的氨氮含量接近于零，系統(tǒng)浪費(fèi)了一定的硝化余量，同時(shí)由于第一級厭氧池和缺氧池并不能完全消耗掉50%進(jìn)水中的COD，進(jìn)水碳源也沒有被有效利用，所以，雖然從氮的去除角度來說，該工況處于最佳工況，但是會(huì)有大量的COD沒有被有效利用，對系統(tǒng)的其他功能有嚴(yán)重影響。對于多段進(jìn)水工藝來說，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，各段的進(jìn)水量比例和缺氧池分流比例將直接影響系統(tǒng)的脫氮除磷效率。
從圖3中可以看出，MAAO系統(tǒng)中除了傳統(tǒng)的硝化反硝化過程和微生物的同化作用脫氮以外，在好氧區(qū)存在明顯的總氮損失，好氧區(qū)氨氮的氧化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝氮的產(chǎn)生量，因此MAAO系統(tǒng)存在一定的同步硝化反硝化現(xiàn)象。如表3所示，系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的硝化反硝化過程去除的氮量在21%～39%，5種工況條件下的SND作用去除的氮含量占進(jìn)水總氮比例依次為28%、25%、10%、7%、29%。即在各個(gè)工況下，系統(tǒng)均出現(xiàn)明顯的SND現(xiàn)象，而且在SND效率較高時(shí)，系統(tǒng)的總氮去除量也較高，可見SND在一定程度上有利于總氮的去除。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，同化作用在MAAO系統(tǒng)中占比也較大，分別為27%、30%、28%、32%、18%。
目前對SND理論有宏觀缺氧理論、微觀缺氧理論和生物學(xué)理論。而本研究中出現(xiàn)SND現(xiàn)象的原因可能有以下2點(diǎn)：
(1)由于好氧池物理外形為長條形，在單點(diǎn)曝氣的情況下，存在曝氣不均勻現(xiàn)象，這會(huì)在一定的程度上使得好氧池存在局部區(qū)域DO較低甚至處于缺氧狀態(tài)，而且還會(huì)導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部出現(xiàn)DO的梯度變化，由外到內(nèi)DO濃度依次減少，絮體內(nèi)部可能會(huì)處于缺氧環(huán)境。
(2)系統(tǒng)中可能存在好氧反硝化細(xì)菌，這會(huì)導(dǎo)致好氧池同步硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。
2.2 MAAO系統(tǒng)除磷特性
圖4為系統(tǒng)進(jìn)出水TP濃度和TP去除率變化情況。5個(gè)工況下的平均出水TP濃度分別為0.39mg?L-1、0.15mg?L-1、2.49mg?L-1、2.13mg?L-1、1.09mg?L-1，平均去除率分別為91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%。
圖5為不同工況下TP沿程變HRT分別化和各池凈去除量，從中可以看出，第一級厭氧池的TP釋磷量從工況一到工況五并無明顯變化，這是因?yàn)榈谝患墔捬醭爻薪恿藖碜远脸氐幕亓魑勰鄬?dǎo)致HRT太小。第一級厭氧池的厭氧是19.08min，18.52min，20.00min，20.00min，16。67min，而厭氧釋磷量較高的厭氧池，其HRT都在25min以上，所以第一級厭氧池的釋磷效率低是由回流污泥量過大，HRT不足引起的。
工況三和工況四的第四級厭氧池的TP量較高，從圖5(a)可以看出，工況三和工況四的第四級厭氧池釋磷量沒有很大提升，所以第四級厭氧池TP升高是由厭氧池進(jìn)水TP太多引起的，有大量的TP沒有經(jīng)過處理就直接排出，導(dǎo)致工況三和工況四出水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)。而工況五在系統(tǒng)前端進(jìn)入較多原水，第四級只有7%的進(jìn)水。通過圖5(b)可以看出，工況五的第四級厭氧池有很多的釋磷潛力沒有發(fā)揮，所以它的釋磷效率低于工況一和工況二。對于活性污泥法除磷工藝來說如果厭氧時(shí)無法完成大量釋磷，那么在后續(xù)的工藝處理中，即使在非常符合好氧吸磷的環(huán)境下，也是無法完成聚磷菌好氧大量吸磷的。在圖5(b)中，我們設(shè)定厭氧池TP上升取正值，缺氧池TP濃度上升取負(fù)值，下降取正值，好氧池TP下降為負(fù)值。大多缺氧池都發(fā)生了TP下降，這說明MAAO系統(tǒng)中發(fā)生了反硝化除磷。
3、結(jié)論
(1)當(dāng)MAAO脫氮效率優(yōu)先時(shí)，可以采用前端進(jìn)水，同時(shí)減少分流量的策略，增加好氧和缺氧HRT，整個(gè)系統(tǒng)偏向多段AO工藝，此時(shí)的脫氮效率較高。但是從TP的去除來說，第一級進(jìn)水量不能太高，進(jìn)水最好分配在第二級和第三極。所以本工藝在參數(shù)設(shè)定上無法同時(shí)達(dá)到TN和TP的理論最高去除效率。因此，對于一個(gè)固定水質(zhì)的系統(tǒng)，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)有所選擇。
(2)交替運(yùn)行的缺氧好氧運(yùn)行方式和進(jìn)水流量的合理分配對于硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行和總氮的高效去除有著非常重要的作用，MAAO工藝中除了通過好氧硝化、缺氧反硝化之外，同步硝化反硝化和污泥的同化作用也對氮元素的去除貢獻(xiàn)了非常大的作用，使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行深度脫氮。
(3)MAAO工藝除了通過傳統(tǒng)的厭氧釋磷、好氧吸磷來完成除磷之外，還在各個(gè)缺氧區(qū)通過反硝化除磷去除了一部分的TP。(來源：西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司)