A/O 同步脱氮除磷工艺试验研究

史旭东

(山西省城乡规划设计研究院，山西 太原 030001)

由于氮、磷过量排放而引起的水体富营养化问题已成为当前人类最为关注的环境问题之一，致使污水排放标准中对氮磷的要求日趋严格，因而开发高效节能的污水生物脱氮除磷新工艺就成为水污染控制领域的研究热点[1－3]。同步硝化反硝化除磷是近几年发展起来的新型生物脱氮除磷工艺，该工艺不仅可以减少污泥生产量，缩短生物脱氮除磷工艺流程，而且省去了第二阶段的缺氧反硝化池，减少了工程造价[4－6]。本试验采用A/O同步脱氮除磷工艺，以人工配制的模拟城市污水为处理对象，研究短程同步硝化反硝化除磷工艺的培养过程、去除效果，并在此基础上考察DO、污泥龄、温度和pH值作为控制参数对A/O同步脱氮除磷工艺的影响，确定实现短程同步硝化反硝化除磷的最佳运行工况，以期为污水处理厂的节能降耗、稳定运行和升级改造提供技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

A/O同步脱氮除磷工艺试验装置如图1所示。

图1 A/O同步脱氮除磷工艺试验装置

装置用有机玻璃制成，由A/O反应器和二沉池组成。A/O反应器分为3个廊道，每个廊道分为3个格室，第1个廊道为厌氧段，剩余的2个廊道为好氧段。厌氧段和好氧段的体积比为1∶2。厌氧段采用搅拌桨搅拌，好氧段通过各格室底端的曝气头供氧同时促进泥水混合。该试验采用连续流，不设置内循环回流。

1.2 试验用水及水质

试验用水为人工配制的模拟城市污水，主要以淀粉作为碳源、NH4Cl为氮源、KH2PO4为磷源，以 MgSO4，CaCl2及 FeSO4等为微量元素的来源，以小苏打作为pH调节剂。配水水质的C∶N∶P的比例范围为(60～75)∶5∶1。具体水质和配水材料见表1，表2。

表1 试验配水材料表

1.3 测试项目与方法

NH4+－N:纳氏试剂分光光度法;NO2－－N:(12萘基)2乙二胺光度法;NO3－－N:麝香草酚分光光度法;TP:采用钼锑抗分光光度法测定;COD:采用CTL212型化学需氧量速测仪测定;DO和pH值:采用德国W TW.340i仪器在线监测。

表2 试验污水水质

2 结果与分析

2.1 DO对A/O同步脱氮除磷工艺的影响

试验中控制进水 NH+4－N 浓度为21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值为28.50 mg/L)，TN 浓度为 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值为30.18 mg/L)，TP 浓度为 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值为6.85 mg/L)，COD 浓度为 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值为257 mg/L)，温度为常温(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值为7.0 ～7.5，反应区的HRT为6 h，通过排泥控制SRT为10 d～15 d，反应器中的MLSS平均为2 700 mg/L，污泥回流比为66.6%。通过转子流量计调节曝气量，将反应器内的 DO浓度分别控制为0.5 mg/L，0.7 mg/L，1.0 mg/L，1.2 mg/L，1.5 mg/L，1.8 mg/L，2.0 mg/L，2.3 mg/L，2.5 mg/L不同水平时，考察不同DO浓度对A/O同步脱氮除磷工艺的影响。

图2 DO对A/O同步脱氮除磷工艺处理效果的影响

由图2可知:当 DO为 0.5 mg/L时，NH+4－N去除率仅为78.04%，这主要是因为反应器中DO较低时，供氧严重不足，极大地抑制了硝化菌的活性，硝化效率较低，此时TN去除率仅为70%;随着反应器内DO浓度增加，NH+4－N去除率逐渐升高，当DO为1.0 mg/L时，NH+4－N及 TN去除率分别达到97.02%和90.06%，脱氮效果最佳，这主要是由于氧扩散的限制，使微生物絮体内产生DO梯度，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区。随着DO继续升高，氧对污泥絮体的穿透力增强，导致污泥絮体内部DO增大，破坏了缺氧区，使得反硝化过程受到抑制，出水TN增大，当DO为2.5 mg/L时，出水TN去除率仅为75%。综上所述，过高或过低的DO均会降低TN去除率，将DO控制在1.0 mg/L时脱氮效果最佳，可使污泥絮体形成较理想的好氧层和缺氧层，获得90.06%的TN去除率。当DO为0.5 mg/L时，TP去除率仅为60%，这主要是由于DO过低使得好氧聚磷菌的活性受到抑制，此时TP的去除主要靠反硝化聚磷菌利用硝化过程中产生的亚硝酸盐或硝酸盐进行反硝化除磷。但由于DO浓度的缺乏，NH4+－N不能完全氧化成NO2－－N，因此反硝化聚磷菌无法顺利进行反硝化除磷，从而影响TP的去除效果;当DO为1.0 mg/L时，TP去除率为90.95%，通过DPB的代谢作用同时完成反硝化和过量吸磷，因此TP的去除率有了明显的提高;当DO达到1.0 mg/L以上时，TP去除率上升幅度平缓，这主要是由于DO较高时，通过好氧吸磷作用除磷。综上所述，过低的DO会降低TP去除率，过高的DO对TP去除率增幅不明显，将DO控制在1.0 mg/L时反硝化除磷的处理效果最佳，TP去除率高达90.95%。

当DO＞1.0 mg/L时，DO变化对COD的去除率影响较小，最后出水COD基本维持在13 mg/L～19 mg/L，COD的去除率均超过90%;当DO＜1.0 mg/L时，DO变化对COD的去除率影响较为显著，如当DO=0.5 mg/L时，COD的去除率仅为75%，当DO=1.0 mg/L 时，COD 的去除率为93.38%。

2.2 污泥龄对A/O同步脱氮除磷工艺的影响

试验中控制进水 NH+4－N 浓度为21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值为28.50 mg/L)，TN 浓度为 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值为30.18 mg/L)，TP 浓度为 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值为6.85 mg/L)，COD 浓度为 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值为257 mg/L)，温度为常温(15 ℃ ～25 ℃)，pH 值为7.0 ～7.5，通过转子流量计调节曝气量，好氧曝气阶段DO控制在1.0 mg/L。通过改变排泥量来控制污泥龄，将污泥龄分别控制为5 d，10 d，15 d和20 d，对应每天的排泥量分别为16 L，9 L，6 L和4.5 L，考察不同污泥龄对A/O同步脱氮除磷工艺的影响。在不同污泥龄的条件下对A/O同步脱氮除磷工艺处理效果的影响见图3。由图3可见，当泥龄为5 d时，出水NH+4－N浓度为10.96 mg/L，去除率仅有61.56%，这是因为硝化菌属于世代周期较长的微生物，当泥龄为5 d时，硝化菌的生长繁殖受到抑制，导致硝化反应无法顺利进行;当泥龄大于10 d时，出水NH+4－N浓度均在1.0 mg/L以下，去除率达到97%～99%，平均去除率为97.02%。而当泥龄在10 d～20 d之间时，由于亚硝酸菌的世代周期为8 d～36 d，硝酸菌的世代周期为12 d～59 d，此时亚硝酸菌和硝酸菌得到了一定的积累，硝化速率明显提高，使出水NH+4－N浓度稳定在0.85 mg/L以下。

图3 泥龄对A/O同步脱氮除磷工艺处理效果的影响

当泥龄为5 d时，出水TN浓度为11.2 mg/L，去除率只有60.62%，这是因为当泥龄为5 d时，出水NH+4－N浓度偏高，导致出水TN浓度较高;当泥龄为10 d～20 d时，出水TN浓度均在3.0 mg/L以下，去除率均可达到88%～94%，这是因为当泥龄在9 d～20 d时，由于泥龄的增加提高了系统内的污泥浓度，从而增加了颗粒污泥内部的缺氧区域，使反硝化速率得到进一步的增加，最终导致TN去除率的提高。当泥龄为5 d～15 d时，出水TP浓度均在1.0 mg/L以下，去除率达到86%～92%，这是由于较短的泥龄有利于聚磷菌的增殖，当泥龄为5 d～15 d时，聚磷菌在污泥中的比例快速增加，使得污泥的含磷量也相应增大;当泥龄为20 d时，出水TP浓度高达2.74 mg/L，去除率只有60%，这是因为当泥龄为20 d时，由于泥龄偏长促使硝化菌等世代周期较长的微生物增殖，从而抑制了聚磷菌的生长，导致污泥中的含磷量大大减少，造成出水TP浓度的上升。

结合考虑脱氮和除磷的效果，A/O同步脱氮除磷工艺的最佳污泥龄控制范围为10 d～15 d，系统成功实现同步脱氮除磷。

2.3 温度对A/O同步脱氮除磷工艺的影响

试验中控制进水 NH+4－N 浓度为21.60 mg/L～30.55 mg/L(均值为28.50 mg/L)，TN 浓度为 23.51 mg/L ～34.74 mg/L(均值为30.18 mg/L)，TP 浓度为 3.54 mg/L ～7.18 mg/L(均值为6.85 mg/L)，COD 浓度为 108.04 mg/L ～ 271.35 mg/L(均值为257 mg/L)，pH值为7.0～7.5，通过转子流量计调节曝气量，好氧曝气阶段DO控制在1.0 mg/L，反应区的HRT为6 h，通过排泥控制SRT为10 d～15 d，反应器中的MLSS平均为2 700 mg/L，污泥回流比为66.6%。试验以7 d为一个阶段，通过温控仪将反应温度分别控制为10℃，12℃，15℃，17℃，20℃，25℃，30℃和33℃，考察在不同温度条件下对A/O同步脱氮除磷工艺的影响。

由图4可见，当温度为10℃时，出水COD浓度为48 mg/L，去除率只有81.32%，这是由于温度降至10℃时，微生物的生长受到一定程度的抑制，从而导致COD的去除呈下降趋势;当温度上升至15℃以上时，出水COD浓度均在17 mg/L以下，去除率达到91%～96%，平均去除率为93.38%。在整个温度变化范围内，除过低温度(10℃ ～12℃)下系统内COD去除效果较差，其他温度(15℃ ～33℃)下，温度对COD的去除率影响不大。

图4 温度对A/O同步脱氮除磷工艺处理效果的影响

当温度为10℃时，出水NH4+－N浓度为13.05 mg/L，去除率只有54.21%，这是因为低温会严重抑制亚硝酸菌的生物活性，氨氧化速率迅速降低，导致出水NH4+－N浓度上升;当温度在15℃以上时，出水NH4+－N浓度均在0.85 mg/L以下，去除率达到97%～99%，平均去除率为97.02%，这是因为在温度由15℃上升至33℃的过程中，亚硝酸菌的活性逐渐恢复，促进了氨氧化反应，使NH4+－N的去除率得到明显提高。

当温度为10℃时，出水 TN浓度为15 mg/L，去除率仅有50.29%，这是因为在温度为10℃时，亚硝酸菌的活性受到影响，出水NH4+－N浓度过高，从而导致出水TN浓度过高;当温度在15 ℃，20 ℃，25 ℃时，出水 TN 浓度分别为3.52 mg/L，3.13 mg/L，3 mg/L，其去除率较高，达到88%～92%，平均去除率为90.06%;当温度为33℃时，出水TN浓度为5.23 mg/L，去除率有所下滑，达到82.67%，这是因为在温度为33℃时，反硝化菌的活性受到抑制，硝化过程中产生的NO2－－N不能及时被反硝化去除，导致系统内出现少量的NO2－－N积累，最终引起出水TN浓度的增高。因此，温度在15℃ ～25℃时，TN的去除率维持在较高的水平。温度为15℃ ～25℃时，出水 TP为0.30 mg/L～0.86 mg/L，平均为0.62 mg/L;对TP的去除率稳定在90%～94%，平均去除率为90.95%。由此可见，温度的变化对系统内TP的去除效果影响不大。

综上所述，综合考虑脱氮和除磷的效果，A/O同步脱氮除磷工艺的最佳温度控制范围为15℃ ～25℃，系统成功实现A/O同步脱氮除磷。

3 结语

1)DO是A/O同步脱氮除磷工艺中实现同步硝化反硝化和反硝化除磷的关键因素。DO过高或过低都会影响同步脱氮除磷的效果，DO浓度控制在1.0 mg/L时，可使该系统得到良好的同步脱氮除磷效果。2)污泥龄对A/O同步脱氮除磷工艺的影响主要表现在硝化菌和聚磷菌世代周期长短不一上。污泥龄控制在10 d～15 d，可使该系统得到良好的同步脱氮除磷效果。3)温度的变化影响着各种微生物的生长繁殖，对于脱氮效果来说，过高或过低的温度都会影响TN的去除，而对于除磷效果而言，温度的变化对系统内TP的去除效果影响不明显，将温度控制在15℃～25℃，可使该系统得到良好的同步脱氮除磷效果。

[1] 赵世芬，王增长.污水生物脱氮除磷工艺的新进展[J].科技情报开发与经济，2007，17(1):134－135.

[2] 华光辉，张 波.城市污水生物除磷脱氮工艺中的矛盾关系及对策[J].给水排水，2002，26(12):1－4.

[3] 高廷耀，顾国维.水污染控制工程下册[M].第2版.北京:高等教育出版社，2001.

[4] Saito T，Brdjanovic D，van Loosdrecht M CM.Effect of nitrite on phosphate up take by phosphate accumulating organisms[J].Wat Res，2004，38(17):3760－3768.

[5] 徐洪斌，吕锡武.生物法脱氮除磷技术及其研究进展[J].城市环境与城市生态，2003，16(6):195－197.

[6] Datta Tania，Liu Yanjie，Goel Ramesh.Evaluation of simultaneous nutrient removal and sludge reduction using laboratory scale sequencing batch reactors[J].Chemosphere，2009，769(5):697－705.