约翰内斯堡工艺对污水脱氮除磷的试验浅析

王洁琼，陈 龙，张 渝

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710064)

约翰内斯堡工艺属于活性污泥法中A/O工艺的发展和优化。最初的A/O工艺只有除磷的作用，考虑到脱氮除磷，人们研究了A2/O工艺，但是传统的A2/O工艺由于聚磷菌和反硝化菌对碳源的争夺以及回流污泥中夹带的硝酸盐氮，难以达到同时高效脱氮除磷的效果，为此研究者提出了多段进水倒置A2/O工艺及约翰内斯堡工艺。约翰内斯堡工艺(Johannesburg工艺，简称JHB工艺)首先由南非约翰内斯堡大学创立。它是传统A2/O工艺前增设了预缺氧池，二沉池的污泥回流至预缺氧池，利用进水中部分有机物或污泥自身的内原呼吸去除回流污泥中夹带的硝态氮，以降低反硝化菌在后续厌氧段与聚磷菌竞争有机物的能力，有利于系统的除磷［1］。

1 实验材料与方法

1.1 实验水质

本实验所用废水是根据西安市第四污水处理厂的水质所配置的，所用化学试剂为葡萄糖，碳酸氢铵，磷酸二氢钾，碳酸氢钠，硫酸镁，硫酸亚铁，氯化钙和微量元素，其中:COD为380 mg/L左右，氨氮为34 mg/L左右，磷酸盐为4.2 mg/L。

1.2 实验分析项目及方法

实验分析方法均采用国家规定的标准方法，分析项目包括 COD、NH4+－N、TN、NO3－－N、NO2－－N、PO43－－P，水样经滤纸过滤后进行分析测定。DO、温度、pH分别采用便携式

溶氧仪、温度计及pHS10酸度计进行测定。

1.3 实验装置

本实验采用的约翰内斯堡实验装置如图1所示。该装置由合建式的预缺氧－厌氧－缺氧－好氧四个反应器和二沉池组成，其中合建式反应器有效容积为11.06 L。预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区的容积比为1:2:3:6，在厌氧区和缺氧区均安装搅拌器以提供充分的搅拌，使泥水尽可能的混合均匀，好氧区通过反应器底端的曝气头供氧，并起到一定的搅拌作用。预缺氧区和厌氧区之间的出水通过底部预留的较小空间实现。在各个反应池中都有固定的加热棒以维持反应所需的温度。进水、污泥回流及内回流均采用蠕动泵进行。

图1 实验装置

1.4 实验运行参数及条件

本实验的进水流量为22.08 L/d，回流污泥比为1，内回流比为2，水力停留时间为12 h，污泥龄为20 d。实验温度均维持在 25℃左右，pH 为 6.5 ～7，DO 为 2 ～2.5 mg/L。

2 结果分析

2.1 磷的去除

约翰内斯堡工艺由于增设了预缺氧池，所以降低了回流污泥中硝态氮对厌氧池环境的影响，厌氧释磷效果十分显著。图2为工艺中厌氧池、缺氧池和好氧池的磷浓度。

从图2中可以看出厌氧池、缺氧池、好氧池的平均磷浓度分别为 8.107 mg/L、4.682 7 mg/L 及 0.044 mg/L，且缺氧除磷量略小于好氧除磷量。从数据中分析可知该系统的活性污泥中存在有兼性厌氧反硝化除磷菌，该细菌是利用硝酸盐作为电子受体氧化胞内贮存的 PHB，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和超量摄磷。在很大程度上缓解了聚磷菌与反硝化菌对碳源的争夺，即“一碳二用”。经研究发现，如此可减少对COD的需求50%左右，氧的消耗及污泥产量也可分别降低30%和50%［2～4］。随着不断的运行，缺氧除磷量逐渐增大，因而一定程度上可以减少好氧区的曝气能耗。当电子受体和能量均充足时，根据Mond模式，聚磷菌吸磷量和聚磷菌量成正比［5］。缺氧除磷量略小于好氧除磷量的原因可能是缺氧池的硝态氮盐浓度较低或者污泥中兼性厌氧反硝化除磷菌数量不够，为了提供缺氧池充足的电子受体，可适当的增大内循环的比例。

图2 厌氧、缺氧、好氧池磷浓度

图3 进、出水磷浓度及其去除率

图3为工艺中进水、出水磷浓度及系统的最终去除率。进水、出水的平均磷浓度为 3.306 mg/L及 0.138 5 mg/L。磷的去除率大概为95.8%，说明约翰内斯堡工艺具有较强的除磷能力。

2.2 氮的去除

图4 进、出水总氮浓度及其去除率

图4为约翰内斯堡工艺进、出水的TN浓度及其总氮去除率，从图中可以看出总氮的去除较为稳定，维持在80%～85%。运行期间，氨氮平均进、出水浓度分别为32.657 mg/L及0.287 mg/L，硝态氮在好氧池、缺氧池的平均浓度为5.025 mg/L及0.895 mg/L，且各个池中无亚硝态氮的积累，所以该工艺具有良好的硝化能力。根据 Yuan的试验证明理论，认为保持缺氧区末端硝态氮浓度维持在1～3 mg/L，可充分利用进水中溶解性可生物降解COD，提高缺氧区反硝化潜力，降低溢流到好氧池COD的量，实现氮的最优控制，另外可以充分提供缺氧区反硝化除磷所需电子受体［6］。所以，本实验缺氧池的硝态氮浓度较低，可以通过增大内回流比进行进一步的试验证明。

2.3 COD 的去除

在系统运行期间，进水COD较为稳定，大概维持在373.2 mg/L，出水 COD浓度在10～30 mg/L，平均浓度为 25 mg/L，COD的去除率都维持在90%以上。另外，运行中可以发现，在厌氧池COD的去除率比缺氧、好氧池的均高，大量的 COD在厌氧池转化为聚磷菌胞内聚合物 PHB，保证了缺氧池、好氧池对磷的吸收。在缺氧区COD也有40%的去除率，这也说明了在缺氧池中存在有一定的反硝化除磷作用，即达到了“一碳两用”的目的。

3 结语

本文以西安市第四污水处理厂的废水作为研究对象，较为系统的研究了约翰内斯堡工艺对生活废水的运行处理情况，主要结论有:

(1)约翰内斯堡工艺具有良好的有机物去除、脱氮除磷效果。其中COD的去除率可达90%以上，氨氮去除率高达99%、总氮也维持在80% ～85%，磷的去除率为95.8%。

(2)在厌氧池中有大量的可生物降解有机物转化为聚磷菌胞内聚合物PHB，且在缺氧池中存在一定的反硝化除磷作用。可通过进一步的增大内回流来试验提高缺氧池的反硝化除磷效果。

(3)反硝化除磷的应用，一方面可以减少聚磷菌和反硝化菌对碳源的争夺，达到“一碳二用”，另一方面可以减少好氧池对氧的需求量，从而减少曝气量，达到节省能耗的目的。

［1］李绍秀，谢晖，郭玉.改良 A2/O工艺的工程实践［J］.环境污染治理技术与设备.2006，7(5):132 －134.

［2］Gerakd M stevens，Janmes L Barnard，Barry Rabinow it z. Optimizing biological nutrient removd in anoxic zones. Water Science＆Technology，1999，39(6):113 －118.

［3］Bortone G，Saltarelli R，Alonso V，Sorm R，Wanner J，Tilche A.Biological anoxic phosphorus removal－ the DEPHANOX process.Water Science＆ Technology，1996，34(1):119 －128.

［4］Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Heijnen JJ. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of nitrification.

［5］王晓莲，王淑莹，马勇，彭永臻.A2/O工艺中反硝化除磷及过量曝气对生物除磷的影响［J］.化工学报.2005，8(8):56.

［6］Zhiguo Yuan，Adrian Oehmen，Pernille Ingildsen. Control of nitrate recirculation flow in predintrification system.Water Science＆Technology，2002，45(4－5):29－36.