有机负荷对污泥减量HA-A/A-MCO 工艺吸放磷的影响

曾 曜

针对现有污泥减量技术中存在的尖锐问题——氮、磷去除率低，尤其是污泥减量与生物除磷不能兼优［1，2］，笔者辅以外排厌氧富磷污水除磷，开发了具有强化除磷脱氮功能的低污泥产率HAA/A-MCO工艺(Hydrolysis-Acidogenosis-Anaerobic/Anoxic-Multistep Continuous Oxic tank)，其生物处理单元是采用水解酸化、多级串联接触曝气、连续流的除磷脱氮A2/O工艺。研究发现该系统具有良好的同步除污和污泥减量性能。本研究通过静态试验考察分析有机负荷对厌氧释磷和好氧吸磷过程的影响规律，来确定HA-A/A-MCO系统适宜的有机负荷以达到良好的除磷效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置及工艺流程

图1 HA-A/A-MCO工艺流程示意图

HA-A/A-MCO工艺流程见图1。该工艺生物处理单元是采用水解酸化、多级串联接触曝气、连续流的除磷脱氮A2/O工艺，由水解酸化池、厌氧释磷池、缺氧池、多级串联接触曝气池、二沉池、侧流除磷池和化学除磷池组成。反应装置用PVC材料制作，其中水解酸化池有效容积为50 L，HRT为2.5 h;厌氧池和缺氧池有效容积均为30 L，HRT均为1.5 h;多级串联接触曝气池分成相对独立的三格:第一格细菌分散培养区有效容积为15 L，HRT为0.5 h～0.75 h;第二格原生动物生长区有效容积为30 L，HRT为1.5 h;第三格后生动物生长区有效容积为40 L，HRT为2 h;多级串联接触曝气池池底安装有微孔曝气管通过空气压缩机充氧，第二、三格填有填充比为40%的组合式生物填料。侧流沉淀池用以提供化学除磷所需的厌氧释磷上清液，HRT为1 h;二沉池采用辐流式，HRT为1 h。

污水与少量厌氧释磷污泥导入水解酸化池，完成VFA的转化和污泥量的减少。水解后富含VFA的清液与缺氧脱氮后的反硝化回流液混合进入厌氧池，在VFA刺激下，强化聚磷菌释磷获得高浓度释磷液。据厌氧释磷液磷浓度，将13%进水量的释磷清液导入化学除磷池进行磷的化学固定，产生的化学污泥用于磷回收。释磷后的混合液与好氧硝化液、回流污泥一起导入缺氧池完成氮的反硝化去除，脱氮后混合液与除磷上清液进入多级串联接触曝气池完成磷的好氧吸收、碳的氧化以及氮的氨化、硝化，该池利用有机物浓度梯度、水利停留时间和溶解氧浓度及生物填料填充比等因素控制范围的不同提高高等微生物的生长密度、延长食物链，利用微型动物的逐级捕食作用减少污泥产量，经多级串联接触曝气池生物反应后的混合液最后经二沉池沉淀出水排放。

运行过程中，装置进水流量为20 L/h;多级串联接触曝气池三格的 DO 分别为(0.5 ～1.0)mg/L，(1.0 ～1.5)mg/L，(1.0 ～1.5)mg/L;污泥回流比、硝化液回流比、反硝化脱氮液回流比、厌氧释磷污泥回流比分别为40%，150%，100%和2%。

1.2 试验水质及测试方法

试验用水由重庆大学校园生活污水，自来水，淀粉，葡萄糖，奶粉，NH4Cl，KH2PO4和无水Na2CO3配制而成，其COD为316 mg/L～407 mg/L，TP为8 mg/L～12 mg/L，NH3-N为13 mg/L～20 mg/L，TN为17 mg/L～26 mg/L，pH 值为7～8。

COD:HACH Dr/2010 COD测定仪;TP:钼酸铵分光光度法;NH3-N:纳氏试剂光度法;TN:过硫酸钾氧化—紫外分光光度法;pH:ORP-431型pH测定仪;DO:YSI 5100型DO测定仪;MLSS:重量法。

1.3 静态试验方法

从HA-A/A-MCO系统厌氧池中取25 L污泥混合液，静置排除上清液后得到污泥10 L，放入体积为28 L的聚乙烯桶反应器中培养，培养过程为:加原污水15 L、厌氧搅拌1.5 h、曝气4 h、沉淀排水0.5 h。培养5 d后，向反应器中投加过量磷酸盐使除磷菌在好氧阶段吸磷达到饱和状态，然后用自来水反复漂洗以去除混合液中过量的磷，排除上清液后，将10 L污泥均分到5个有效容积为5 L的聚乙烯桶反应器，向其中分别加入3 L有机物浓度不同的污水，使得5个反应器中污泥浓度一样、有机负荷各不相同，将其分别编号1号～5号，其他运行工况参数如表1所示。

2 试验结果

2.1 TP和COD沿程变化规律分析

图2，图3反映了5个试验工况条件下混合液中TP和COD随反应时间的沿程变化情况。

表1 静态试验运行参数

图2 TP随反应时间的变化

从图2试验结果可以看出，在低有机负荷(0.049 g COD/(g MLSS·d))条件下，由于碳源不足，导致厌氧磷释放基本以线性方式、在很低的速率下进行;而在其余4个较高负荷条件下，厌氧释磷速率和数量较之低负荷时大大增加，且磷的释放速率初始增加较快，随厌氧时间延长释放速率越来越小，最终趋于稳定。从图2还可以看出，当负荷分别增加至0.162 g COD/(g MLSS·d)和0.207 g COD/(g MLSS·d)时，混合液中释放磷的量增幅很小，基本与负荷为0.141 g COD/(g MLSS·d)时的释放速率和数量相当。即当负荷增加至一定值时，有机物不再是磷释放的限制性因子。也就是在本实验条件下，0.141 g COD/(g MLSS·d)是厌氧释磷的最适(临界)负荷。

结合图3中COD浓度随厌氧时间的变化情况可以看出，在较高有机负荷条件下(0.141 g COD/(g MLSS·d)，0.162 g COD/(g MLSS·d)和 0.207 g COD/(g MLSS·d))，厌氧阶段后期混合液中尚存在一定量的COD，而磷释放量的增幅却很小，分析认为是因为混合液污泥中可释放的贮磷基本释放完全。

图3 COD随反应时间的变化

2.2 污泥最大可释放贮磷量

有研究认为，厌氧条件下，当有机物充足时，磷的释放速率取决于污泥本身可释放的贮磷量［3］。

其中，t为反应时间，h;k为反应速率常数;M为污泥浓度，mg/L;P为释放的磷量，mg/L;Ps为污泥中可释放的贮磷量，mg/L;Pm为污泥中最大可释放的贮磷量，mg/L。

假设试验过程中污泥浓度M保持不变，即为常数，对式(1)两边积分，得单位污泥释磷量(P/M)为:

通过绘制单位污泥释磷量P/M随厌氧释磷时间的沿程变化情况(如图4所示)，可求得单位污泥的最大可释放贮磷量Pm/M的值。

图4 单位污泥释磷量随厌氧时间的变化

式(1)和式(2)成立的前提是混合液中有机物量充足，因此，在碳源受限时(有机负荷为0.049 g COD/(g MLSS·d)和0.105 g COD/(g MLSS·d))此两式不成立。

从图4可以看出，P/M随厌氧时间的变化规律与TP厌氧释放规律很相似。且有机负荷为3号0.141 g COD/(g MLSS·d)，4 号0.162 g COD/(g MLSS·d)和5 号0.207 g COD/(g MLSS·d)对应的试验结果与式(2)最为吻合，从这三条曲线发展趋势可以估测出单位污泥最大可释放贮磷量Pm/M为5.7 mg P/g MLSS。

3 结语

当系统有机负荷较低时，有机物浓度是磷厌氧释放的限制性因素，当负荷增加至一定值，有机物不再是磷释放的限制性因子，厌氧释磷的临界有机负荷为0.141 g COD/(g MLSS·d)。HA-A/A-MCO系统中单位污泥最大可释放贮磷量为5.7 mg P/g MLSS。

［1］ 左 宁，吉芳英，万小军，等.污泥龄对LSP＆PNR污泥减量新工艺运行效能的影响［J］.环境工程学报，2008，2(1):105-109.

［2］ Yuansong wei，R T.Van Houten，A R.Borger，et al.Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment［J］.Water Research，2003，37(1):4453-4467.

［3］ 赵 斌，何绍江.微生物学实验［M］.北京:科学出版社，2002.