多点循环的厌氧/缺氧并联+好氧工艺脱氮除磷

赫俊国，魏文涛，邱 微，2，胡惠秩，刘明超

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨;

2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨)

目前，我国污水厂普遍采用同步脱氮除磷工艺，如A2/O、SBR、氧化沟等.SBR工艺对自控设备要求较高，且生化反应均在同一空间中进行，脱氮和除磷相互影响;氧化沟工艺处理效果稳定，但占地面积大而难以在大中型城市中使用，且不适于北方寒冷地区的污水处理［3-4］;A2/O工艺是南北方、大中小规模污水处理厂广泛采用的工艺［5-6］，具有流程简单、总水力停留时间短等优势［7］，已成为我国尤其是北方地区污水厂的主要处理工艺.然而传统A2/O工艺中，由于各种功能菌群对环境、营养物和生存空间的竞争，及脱氮菌群与除磷菌群之间污泥龄的矛盾，脱氮除磷的效果难以达到更高要求［8］.针对以上问题，提出了多点循环的厌氧/缺氧并联+好氧工艺，将厌氧/缺氧工艺并联设置，出水在好氧段混合，采取控制进水和污泥、硝化液多点循环的运行方式，以期有效解决各种功能菌群间污泥龄的矛盾以及营养物竞争等问题，从而为污水厂对氮、磷污染物的深度削减提供技术支持.

1 实验

1.1 实验装置及方法

实验装置如图1(a)、(b)所示，可在并联、串联两种条件下运行.处理流量为5 L/h，总容积为40 L.其中厌氧段、缺氧段均为5 L;好氧段分为3格，有效容积为30 L;二沉池为13 L.通过冷水机控制反应器内部温度维持在(22±1)℃，装置进水及各回流系统均采用BT100-2J型蠕动泵，在反应器各段均设有多个取样口.厌氧段和缺氧段设有JJ-1型增力电动搅拌器.好氧段风机选用ACO-004型电磁式空气泵，通过LZB-4型转子流量计调节曝气量，控制溶解氧在厌氧段小于0.2 mg/L、缺氧段为0.2～0.5 mg/L、好氧段为1.5～2.5 mg/L.前期研究表明，当厌氧段与缺氧段进水量分别达总处理量的30%以上时，可满足厌氧段释磷与缺氧段反硝化的营养物需求，使营养物不成为限制因素.因此，首先固定厌氧段、缺氧段进水比例为1∶1，确定污泥回流至厌氧段的最佳范围，在此基础上确定污泥回流至好氧段的最佳范围，再考察硝化液的最佳回流量，确定厌氧/缺氧最佳进水比例，最终得到系统的最优工况点.

实验用水取自哈尔滨市某家属区的生活污水，水质指标如下(mg/L):COD 250～380，NO3-N 0.2～2.0，NH3-N 30～50，TN 50～70，TP 3.5～5.5，SS 100～200.接种污泥取自正常运行污水厂的二沉池污泥，污泥指标如下:MLSS 6.5 g/L，MLVSS 4.8 g/L，SV3050%，SVI 77.

1.2 分析方法

COD、NO3-N、NH3-N、TN、TP、MLSS、MLVSS、SV30、DO和pH均采用2002年国家环保局发布的水和废水检测分析方法［9］.实验数据均由系统稳定后采集3组数据取平均值得到.

图1 实验工艺流程图

2 结果与讨论

2.1 污泥回流比对处理效能的影响

2.1.1 厌氧段污泥回流比对除磷效果的影响

传统A2/O工艺中，由于聚磷菌在厌氧段释磷后先经过缺氧段，导致在好氧段吸磷动力无法充分释放，除磷效果受到影响［10］.本实验工艺将厌氧段与好氧段直接相连，最大程度利用了厌氧段积累的吸磷动力.设置8组厌氧段污泥回流比，即5%、10%、15%、20%、40%、60%、80%、100%，研究厌氧段不同污泥回流比对系统除磷效果的影响.

厌氧段释磷倍数(n释)与好氧段吸磷比例(1∶n吸)分别定义如下:

式中:ρ进(TP)、ρ厌(TP)、ρ好(TP)分别为进水、扣除稀释作用后厌氧段及好氧段TP质量浓度，mg/L.

由图2(a)可知，随着厌氧段污泥回流比的逐渐增大，n释与1∶n吸均随之增大，最大n释达6.20倍，最大1∶n吸为1∶7.16，1∶n吸与n释有较强的相关性.当回流比低于15%时，n释＜4，1∶n吸＜1∶5，主要是回流至厌氧段的聚磷菌生物量较少，造成聚磷菌的释磷量受限，因而好氧段的吸磷量也受到影响.当回流比高于60%时，n释维持在6.10～6.20倍，1∶n吸处于1∶7.06～1∶7.16，增大的趋势并不明显，这是因为厌氧段水力停留时间的缩短使得聚磷菌未能充分释磷，吸磷能力得不到最大程度的利用.由图2(b)可知，随着厌氧段污泥回流比的增大，出水TP质量浓度逐渐降低，TP去除率逐渐升高.当厌氧段污泥回流比低于15%时，系统出水TP质量浓度大于0.5 mg/L，去除率低于90%;当回流比大于等于15%时，去除率均高于93%且变化并不明显，出水TP均可达到国家一级A排放标准［11］.考虑到污泥回流比越大，动力消耗也相应增大，确定厌氧段污泥最佳回流比为15%.

图2 厌氧段污泥回流比与除磷效果的关系

2.1.2 好氧段污泥回流比对硝化效果的影响

增设好氧段污泥回流可以增加好氧段的生物量，有利于系统中硝化细菌的繁殖与保持，保证好氧段的硝化效果［12］.此外，并联进水使得回流至好氧段的硝化细菌不必经过厌氧段，避免了传统A2/O工艺中厌氧段过低的溶解氧对硝化细菌的抑制作用.设置6组好氧段污泥回流比，即85%、70%、55%、40%、30%、20%，研究好氧段不同污泥回流比对系统硝化效果的影响.

如图3(a)所示，随着好氧污泥回流比的逐渐增大，好氧段氨氮的转化率也随之增大，最高可达98.44%.当回流比为20%时，氨氮的转化率仅为90.52%，低于其他5种回流比条件下95%以上的氨氮转化率，这说明回流比降至20%时，硝化效果已受到影响.由图3(b)可知，随着好氧段污泥回流比的减小，出水氨氮质量浓度由0.57 mg/L增至3.82 mg/L，均能达到国家一级A排放标准［11］，但回流比为20%时出水氨氮已接近5 mg/L的限值，而在其他5组回流比条件下出水氨氮均在1.7 mg/L以下，因此，为保证系统对氨氮具有稳定的去除率，同时考虑回流能耗的影响，确定好氧污泥最佳回流比为30%.

图3 好氧段污泥回流比与硝化效果的关系

2.2 硝化液回流比对反硝化效果的影响

研究表明［13-15］，当缺氧段的反硝化碳源充足时，系统的脱氮效率与硝化液回流比密切相关.硝化液回流量过低会直接降低氨氮转化率以及TN去除率，而回流量过高则会破坏缺氧环境，影响反硝化效果［16］.实验设置5组硝化液回流比，即200%、250%、300%、350%、400%，研究不同硝化液回流比对反硝化效果的影响.

图4表明，当硝化液回流比为200%、250%、300%、350%、400%时，对应的系统出水TN质量浓度分别为14.38、11.42、8.20、8.69、10.33 mg/L，均能满足国家一级A排放标准［11］，TN去除率分别为77.60%、81.88%、87.52%、86.60%、83.15%.随着回流比的增加，TN去除率呈现先增加后减少的趋势.与之前的分析一致，当回流比为300%时脱氮效果最佳，因此，确定硝化液最佳回流比为300%.

图4 硝化液污泥回流比与反硝化效果的关系

2.3 进水比例对处理效能的影响

当进水碳源不足时，由于反硝化细菌缺乏足够的营养物，传统A2/O工艺往往会出现脱氮效果变差的情况［17-18］.倒置A2/O工艺解决了低碳源条件下的脱氮问题，却难以实现对磷的同步去除［19］;外投碳源会增加系统运行费用［20］;利用剩余污泥发酵的上清液作为补充碳源，受温度的影响较大［21］.为此，实验工艺通过控制厌氧段、缺氧段的进水比例，调整分配到厌氧段与缺氧段的碳源量，为解决A2/O工艺中营养物竞争问题提供了新的思路.设置4种进水比例，分别为1∶3、1∶1、3∶1及反应器串联，研究不同进水比例对系统处理效果的影响.

2.3.1 进水比例对有机物去除效果的影响

由图5可知，在4种条件下，COD去除率分别为92.58%、92.27%、91.02%及90.48%，出水质量浓度均达到国家一级A排放标准［11］.并联条件的COD去除率均高于串联条件，这是因为并联条件下进水被分流，原水中碳源的利用率更高.4种条件下，厌氧段的HRT分别为4、2、1.3及1 h，缺氧段的HRT分别为1.3、2、4及1 h，可见并联进水增加了厌氧段与缺氧段的HRT，生化反应进行得更为充分.因此，并联进水可增强系统对有机物的去除效果.

图5 进水比例与有机物去除效果的关系

2.3.2 进水比例对脱氮效果的影响

由图6(a)、(b)可知，在4种条件下，氨氮去除率分别为98.01%、97.54%、97.25%及96.83%，TN去除率分别为84.53%、87.52%、80.18%及76.75%，氨氮与TN的出水质量浓度均达到国家一级A排放标准［11］.并联条件的氨氮与TN去除率均高于串联条件，除因并联条件下缺氧段的HRT较长外，还由于大部分硝化细菌与反硝化细菌不经过无意义的厌氧阶段，生存条件更为适宜，活性更高.并联条件下，系统对氨氮与TN去除率最高的进水比例分别为1∶3和1∶1.这是因为进水比例为1∶3时好氧段首段COD质量浓度最低，氨氮的去除率也最高;而缺氧段的进水比例越低，回流硝化液的比例越高，在碳源充足的条件下，TN去除率也越高.但随着缺氧段进水比例的降低，碳源也随之减少，因此，进水比例为1∶1时，系统对TN的去除效果最好.

图6 进水比例与脱氮效果的关系

2.3.3 进水比例对除磷效果的影响

由图7可知，在4种条件下，TP去除率分别为94.35%、96.66%、96.23%及95.19%，TP出水质量浓度均达到国家一级A排放标准［11］.并联进水比为1∶3时，TP的去除率及厌氧段TP质量浓度(16.38 mg/L)均最低，此时进入厌氧段的碳源量已经不能满足聚磷菌释磷所需.在串联条件下，厌氧段TP质量浓度高达29.50 mg/L，释磷效果最好，但由于缺氧段的干扰，在好氧段聚磷菌的吸磷动力无法得到充分释放.在并联进水比为3∶1条件下，碳源量充足，但厌氧段HRT较短，厌氧段TP质量浓度为19.36 mg/L，未能充分发挥聚磷菌的释磷潜能.而当并联进水比为1∶1时，厌氧段TP的质量浓度为22.56 mg/L，此时碳源量及水力停留时间等条件俱佳，因此，TP的去除率最高.

图7 进水比例与除磷效果的关系

2.3.4 最佳进水比例的确定

由上述分析可知，并联进水比为1∶3时，COD及氨氮的去除率最高;而并联进水比为1∶1时，TN及TP的去除率最高，COD及氨氮的去除率略低于进水比为1∶3时的去除率.因此，确定厌氧/缺氧并联进水的最佳比例为1∶1.

2.4 最佳工况点条件下反应器特性

实验表明，本工艺系统的最佳运行工况点:厌氧段污泥回流比为15%，好氧段污泥回流比为30%，硝化液回流比为300%，厌氧/缺氧进水比例为1∶1.此时，系统COD去除率为92.27%，氨氮去除率为97.54%，TN去除率为87.52%，TP去除率为96.66%.

2.4.1 生物固体平均停留时间的计算

实验分别测定了按传统A2/O工艺运行的串联工况以及厌氧/缺氧并联最佳运行工况点条件下系统内各段的MLSS值，结果见表1.

表1 两种工况下系统内各段MLSS值mg·L-1

由生物固体平均停留时间tsr的计算公式

可推得

式中:tc总、tc、tc厌、tc缺、tc好分别为系统内、各段、厌氧段、缺氧段及好氧段生物固体平均停留时间，d;V为各段的容积，L;X为各段的MLSS，mg/L;ΔX为各段每日排出的活性污泥量，mg/d.

当控制系统内tsr为15 d时，按传统A2/O工艺运行的串联工况条件下，聚磷菌和硝化细菌均需依次经历厌氧段、缺氧段及好氧段，因此，聚磷菌和硝化细菌的生物固体平均停留时间均为15 d.而在厌氧/缺氧并联最佳运行工况点条件下，聚磷菌和硝化细菌只是分别经历厌氧段、好氧段以及缺氧段、好氧段.经计算，厌氧段、缺氧段及好氧段的tsr分别为0.96、1.78及12.26 d，可知聚磷菌的生物固体平均停留时间缩短，有利于提高除磷效率.通过回流污泥的分流控制，解决了厌氧段回流污泥中的NO3--N对聚磷菌的不利影响，除磷效率进一步加强.另一方面，虽然硝化细菌的泥龄缩短，但由于增设污泥回流至好氧段的比例较大，且大部分硝化细菌未经历厌氧段，硝化细菌的污泥质量浓度及活性均较串联工况条件下高，弥补了硝化泥龄变短的不利影响，由前面的结果可知，实验工艺的硝化效果优于传统A2/O工艺.2.4.2微生物群落结构特性分析

采用PCR-DGGE技术对系统中微生物群落结构特性进行分析，结果表明:除磷菌群主要分布在厌氧段与好氧段，包括纤维单胞菌属等;脱氮菌群主要分布在缺氧段与好氧段，包括Brachymonas菌属、假单胞菌属等.

3 结论

1)实验工艺的最佳工况点为:厌氧段污泥回流比为15%，好氧段污泥回流比为30%，硝化液回流比为300%，厌氧/缺氧进水比例为1∶1.在实际应用中，若进水水质发生变化，工艺参数可按实际进行调整.

2)在最佳工况点条件下，系统COD去除率为92.27%，氨氮去除率为97.54%，TN去除率为87.52%，TP去除率为96.66%，脱氮除磷效果优于传统A2/O工艺，说明通过对厌氧段和缺氧段碳源的合理分配，可以有效地解决反硝化细菌与聚磷菌对营养物的竞争问题.

3)控制污泥分别回流到厌氧段和好氧段，可有效减少厌氧段回流污泥中NO3--N的干扰，并通过提高硝化细菌的污泥质量浓度及活性弥补硝化泥龄变短的不利影响，提高了系统的同步脱氮除磷效果.

4)分子生物学实验结果表明，纤维单胞菌属等除磷菌群主要分布在厌氧段与好氧段，Brachymonas菌属、假单胞菌属等脱氮菌群主要分布在缺氧段与好氧段，实验工艺有效地解决了各种功能菌群对环境、营养物和生存空间的竞争问题.

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