运行方式对厌氧区碳源分流多级A/O工艺处理效果的影响*

沈翼军 吴 瑒 杨殿海 张 浩 张新喜

(1.安徽工业大学建筑工程学院，生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心，安徽 马鞍山 243002；2.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

目前，巢湖水域由于氮磷浓度过高引起水体富营养化。研究发现，城镇污水处理厂出水营养元素浓度过高对水体污染的影响强于非点源[1]，因此城镇污水处理厂无论在设计或者改造中都要注重氮磷的去除。由于我国南方城市的污水水质具有低碳、高氮磷的特点，传统生物处理工艺由于碳源不足，脱氮除磷效果较差[2]。目前，关于碳源的优化利用研究主要集中于分段进水技术，即优化碳源在污水处理流程中的分配，使有限的碳源合理地分配到脱氮和除磷的反应器内，避免了碳源进入好氧区被无效氧化，以求碳源的有效利用率达到最大化[3-5]。分段进水工艺始于20世纪90年代，现已在国内外进行实际应用[6]。

关于分段进水的原水流量分配，GE等[7]通过改造三段分流式A/O工艺，控制每段的流量分配比(体积比，下同)依次为40%∶35%∶25%，出水TN、TP质量浓度从原先的20.8、1.98 mg/L分别降到14.2、0.57 mg/L。BOYLE等[8]则采用四段A/O工艺，控制每段的流量分配比依次为20%∶30%∶25%∶25%，处理效果较好。曹贵华等[9]1252-1256研究改良A/O脱氮除磷工艺，发现控制四段反应器流量分配比为20%∶35%∶35%∶10%时，COD、氨氮、TN、TP出水质量浓度分别为33.05、0.58、9.26、0.46 mg/L。以上试验均是从原水进行碳源分流，因而本研究在此基础上提出了厌氧区碳源分流。一方面，厌氧区碳源分流可以使原水中碳源被除磷菌优先利用，增强除磷效果；其次，厌氧区中缓慢降解的COD可以通过厌氧区反应变成溶解性COD，提升碳源品质；再者，厌氧区污泥也可以作为一部分碳源供给微生物利用。

注：1～6分别为沿程测量点位;1—厌氧区；2—缺氧1区始端；3—好氧1区始端；4—缺氧2区始端；5—好氧2区始端；6—消氧区。图1 碳源分流多级A/O分段工艺流程Fig.1 Step-feed A/O system process with flow distribution of carbon source

本研究通过厌氧区碳源分流多级A/O工艺中试装置，对某污水处理厂低碳源、高氮磷的生活污水进行处理，考察每段流量分配比、回流方式、污泥负荷对该工艺脱氮除磷的影响，以期得出优化运行处理的控制参数，为污水处理厂的升级改造提供理论依据和实际经验。

1 材料与方法

1.1 试验装置

在厌氧区碳源分流多级A/O中试装置中进行市政污水处理试验，工艺流程如图1所示。预缺氧区、厌氧区、缺氧区(包括缺氧1区与缺氧2区)、好氧区(包括好氧1区与好氧2区)、消氧区的体积比为1.0∶4.0∶4.8∶6.5∶2.6，总水力停留时间为17 h。

1.2 原水水质与接种污泥

试验原水取自合肥某污水处理厂旋流沉砂池出水，原水水质指标如表1所示。此外，原水碳氮比(质量比)为6.2，碳磷比(质量比)为70.0。

试验所用污泥也取自该厂，经过15 d驯化培养后，污泥活性良好。

表1 原水水质指标

1.3 检测项目与分析方法

常规检测项目主要包括：溶解氧(DO)、水温、pH、氧化还原电位(ORP)、COD以及TN、TP、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和磷酸盐等，均参考文献[10]进行测定。DO与ORP、水温为在线监测；pH采用哈希HQ40d便携式多参数分析仪测定；COD采用快速消解分光光度法测定；硝酸盐氮及TN均采用紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；亚硝酸盐氮采用分光光度法测定；TP和磷酸盐采用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 试验运行方案

试验运行周期较长，在10～25 ℃条件下运行。试验进水流量控制为2 m3/h，内回流比为200%，污泥回流比为50%。好氧区采用池底曝气圆盘进行曝气，DO质量浓度控制为2.0 mg/L。试验共分为7个阶段，在其他条件不变的情况下，考察各个阶段不同流量分配比对污染物的处理情况。各阶段的运行模式以及控制参数如表2所示，其中阶段Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ为加泥后阶段。

2 结果与讨论

2.1 流量分配比对处理效果的影响

2.1.1 流量分配比对COD去除效果的影响

由图2可以看出，阶段Ⅰ至阶段Ⅶ的出水COD平均质量浓度分别为24.7、21.7、53.4、32.9、42.9、28.7、20.8 mg/L，COD去除率为分别为84.4%、88.7%、81.6%、84.6%、82.1%、86.4%、88.0%。除阶段Ⅲ外，其余出水均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准(50 mg/L)。在阶段Ⅲ，原水分流比为25%∶75%，大部分COD直接流向缺氧2区，厌氧区以及缺氧1区获得的COD较少，COD消耗不完全，最终随出水排出，造成出水COD浓度较高。但总体上看，流量分配比对于COD去除效果影响不大，系统对COD具有高效稳定的去除能力。

表2 各阶段运行模式以及控制参数

注：1)原水分流比基于水流占进水流量的比例计算得出，厌氧区分流比基于水流占混合液(进水与回流污泥的总和)流量的比例计算得出；2)由于阶段V重新换泥，属于污泥驯化阶段，因此未对该阶段污染物浓度沿程变化进行测量。

图2 流量分配比对COD去除效果的影响Fig.2 Effect of flow distribution ratios on COD removal efficiency

由图3可以看出，沿程COD浓度基本呈现下降的趋势，同时厌氧区和缺氧区COD浓度的降低比好氧区明显。这可能是原水中的碳源首先进入厌氧区和缺氧区用于释磷和反硝化，接着再流入好氧区，避免了好氧区对碳源的无效利用，降低了好氧区的异养菌对有机物的竞争。由此可体现出厌氧区碳源分流多级A/O工艺的优越性。

图3 不同阶段下COD质量浓度的沿程变化Fig.3 Variation of COD concentrations along the path under different stages

2.1.2 流量分配比对氮去除效果的影响

由图4可以看出，阶段Ⅰ至阶段Ⅶ的出水氨氮平均质量浓度分别为1.37、0.83、2.80、1.91、0.56、0.85、0.64 mg/L，氨氮去除率分别为95.0%、96.9%、91.0%、93.1%、97.1%、96.8%、96.5%，均符合GB 18918—2002的一级A标准(8 mg/L)。

由图5可以看出，阶段Ⅰ至阶段Ⅶ的出水TN平均质量浓度分别为21.0、20.9、19.3、18.7、15.4、16.3、14.2 mg/L，TN去除率分别为37.8%、43.1%、47.4%、50.8%、50.1%、50.1%、50.8%。阶段Ⅶ的出水符合GB 18918—2002的一级A标准(15 mg/L)。由此可见，流量分配比对氨氮的去除效果影响不大，但对于TN的去除效果有较明显影响。

图4 流量分配比对氨氮去除效果的影响Fig.4 Effect of flow distribution ratios on ammonia nitrogen removal efficiency

图5 流量分配比对TN去除效果的影响Fig.5 Effect of flow distribution ratios on TN removal efficiency

如图6所示，沿程氨氮浓度总体呈现出下降趋势。其中，氨氮浓度的下降在厌氧区最明显。一方面是由于原水在厌氧区进行分配，氨氮同样按照流量分配比分别被分配到各个反应区中，从而稀释了氨氮浓度；另一方面是由于回流污泥的不断稀释，降低了氨氮浓度。

图6 不同阶段下氨氮质量浓度的沿程变化Fig.6 Variation of ammonia nitrogen concentrations along the path under different stages

系统出水氨氮质量浓度总体上小于2 mg/L(见图4)，系统硝化容量充足，硝化效果较好，因而TN的去除效果可能主要取决于反硝化效果。从图7可以看出，对于阶段Ⅱ、Ⅲ，脱氮效果较差，主要是由于缺氧1区中第一级碳源不足，反硝化作用较差，硝酸盐氮大量积累，导致后续阶段处理效果不佳。阶段Ⅵ、Ⅶ处理效果较好，主要是由于缺氧1区中第一级碳源较为充足，反硝化效果较为彻底。同时由于好氧1区内回流作用，缺氧1区的硝酸盐氮有小部分积累。然而阶段Ⅵ在缺氧2区的碳源含量不足，此时反硝化作用几乎完全受到抑制；阶段Ⅶ则由于从厌氧区进行分流，缺氧2区碳源含量较为充足，反硝化作用继续进行，进而出水硝酸盐氮质量浓度在9 mg/L左右，脱氮效果较好。对于阶段Ⅵ、Ⅶ，消氧区的硝酸盐氮浓度均出现了下降，可能是发生了内源反硝化作用，即利用微生物自身作为碳源进行反硝化作用，一方面可以降低碳源需求，另一方面也可以实现污泥减量化。

2.1.3 流量分配比对磷去除效果的影响

由图8可以看出，阶段Ⅰ至阶段Ⅶ的出水TP平均质量浓度分别为1.58、1.67、1.68、1.67、2.18、0.90、0.89 mg/L，TP去除率分别为40.7%、48.1%、50.4%、56.0%、37.7%、67.3%、58.9%。除阶段Ⅴ外，其他阶段在厌氧区所去除的TN依次占进水TN的34.0%(质量分数，下同)、21.6%、27.6%、28.0%、15.7%、13.9%。由于回流污泥中的硝酸盐氮浓度较高，厌氧区反硝化菌优先于聚磷菌利用原水中的碳源进行反硝化作用，进而导致用于厌氧释磷的碳源量减少，抑制厌氧释磷过程，进而影响整个系统的除磷效果。阶段Ⅵ和Ⅶ去除效果最好，可能正是厌氧区反硝化量相对较低的结果。温度较低可能也是造成系统整体除磷效果不佳的原因之一。温度较低导致聚磷菌活性降低，污泥最大释磷速率以及最大缺磷速率均有所下降，进而抑制除磷效果[11]。根据相关研究，缩短并控制污泥龄在8～12 d可以有效提高除磷效果[12]10-11,[13-14]。一方面，较短污泥龄的污泥生物活性较高，体内含磷水平较高，因此除磷效果较好；另一方面，由于除磷菌属于短泥龄异养微生物，通过排出富磷污泥实现除磷，因此污泥龄越短，剩余污泥的排放量越大，相应的除磷效果就越好。而本试验中的污泥龄普遍在20 d以上，导致系统的除磷效果不理想。

图7 不同阶段下硝酸盐氮质量浓度的沿程变化Fig.7 Variation of nitrate nitrogen concentrations along the path under different stages

图8 流量分配比对TP去除效果的影响Fig.8 Effect of flow distribution ratios on TP removal efficiency

通过图9可分析不同阶段下磷酸盐的沿程变化情况。磷酸盐浓度大体上在厌氧区下降最快。阶段Ⅵ、Ⅶ整体除磷效果较好，主要是由于聚磷菌在厌氧区有相对充足的碳源进行厌氧释磷[12]8-9。同时，随着厌氧释磷量的增加，好氧吸磷量也随之增加，TP去除效果得到提高。其中，最大厌氧释磷率为448%，该结论与曹贵华等[9]1254-1255得出的415%和GE等[15]得出的495%接近。因此，通过调整流量分配比以及内回流比等参数，控制厌氧区硝酸盐氮浓度，可以在保持TN较优处理基础上，提高TP的去除效果。

图9 不同阶段下磷酸盐质量浓度的沿程变化Fig.9 Variation of phosphate concentrations along the path under different stages

从图9还可以发现，各阶段在缺氧区基本均发生了一定程度的除磷，可能是反硝化除磷菌利用硝酸盐氮作为电子供体进行反硝化除磷；同时当流量分配比为75%∶25%时，系统反硝化除磷效果较好。

2.2 内回流位置对处理效果的影响

控制阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的内回流位置在消氧区，阶段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的内回流位置在好氧1区末端，分别考察氨氮、硝酸盐氮、磷酸盐质量浓度的沿程变化情况。内回流通过回流大量含有硝酸盐氮的硝化液至缺氧1区，便于在缺氧区进行以硝酸盐氮为电子受体的反硝化作用。

通过图10可以看出，内回流位置对氨氮处理效果影响不大，内回流位置在好氧1区末端或者在消氧区，氨氮沿程浓度相差不大。内回流位置在消氧区的反硝化效果较好，可能是内回流位置在好氧1区末端时，混合液中硝酸盐氮浓度不足，无法提供足够的电子受体进行反硝化作用，导致反硝化效果不佳。磷酸盐浓度在缺氧区(尤其是缺氧1区)出现下降，一方面可能是由于混合液的稀释作用，另一方面可能是由于反硝化除磷作用。内回流位置在消氧区相比在好氧1区末端磷酸盐下降的幅度更大，说明内回流位置在消氧区对于整体除磷有更大的帮助。

图10 不同内回流位置对污染物沿程质量浓度的影响Fig.10 Effect of different internal reflux positions on pollutant concentrations

2.3 进水污泥负荷对处理效果的影响

2.3.1 进水污泥负荷对COD处理效果的影响

由图11可以看出，进水COD污泥负荷主要集中于0.1～0.4 kg/(kg·d)，总体负荷较低，COD去除率基本稳定在90%，同时出水COD浓度随着进水COD污泥负荷的增加而增加。当进水COD污泥负荷接近0.5 kg/(kg·d)时，出水COD质量浓度基本上仍小于50 mg/L，说明进水COD污泥负荷还有一定的提升空间，可以通过缩短水力停留时间以及处理更高浓度碳源的污水实现COD污泥负荷的提升。

图11 进水COD污泥负荷对COD处理效果的影响Fig.11 Effect of influent COD loads on COD removal efficiency

2.3.2 进水污泥负荷对氨氮处理效果的影响

由图12可知，进水氨氮污泥负荷主要集中在0.01～0.05 kg/(kg·d)，同时出水氨氮浓度随着进水氨氮污泥负荷的增加而增加。研究进水氨氮负荷与氨氮去除率的关系发现，进水氨氮污泥负荷为0.05 kg/(kg·d)为系统的去除拐点：当进水氨氮<0.05 kg/(kg·d)时，总体处理效果较好，系统出水氨氮质量浓度基本小于4 mg/L，去除率在90%以上；当进水氨氮≥0.05 kg/(kg·d)时，去除率随着氨氮污泥负荷的增加而下降。然而，当进水氨氮污泥负荷接近0.09 kg/(kg·d)时，系统氨氮出水质量浓度仍旧低于8 mg/L，可见进水氨氮污泥负荷仍旧有很大的提升空间。

图12 进水氨氮污泥负荷对氨氮处理效果的影响Fig.12 Effect of influent ammonia nitrogen loads on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3.3 进水污泥负荷对TN处理效果的影响

由图13可以看出，进水TN污泥负荷主要集中在0.018～0.088 kg/(kg·d)，同时出水TN浓度随着进水TN污泥负荷的增加而增加。研究进水TN污泥负荷与TN去除率的关系可以发现，进水TN污泥负荷为0.040 kg/(kg·d)为系统的去除拐点：当进水TN<0.040 kg/(kg·d)时，系统去除率随着进水TN污泥负荷的增加而增加；当进水TN≥0.040 kg/(kg·d)时，去除率则随着TN污泥负荷的增加而下降。当进水TN污泥负荷在拐点附近时，出水TN浓度较低，因此控制进水TN污泥负荷在0.040 kg/(kg·d)，能得到较好的TN去除效果。

图13 进水TN污泥负荷对TN处理效果的影响Fig.13 Effect of influent TN loads on TN removal efficiency

2.3.4 进水污泥负荷对TP处理效果的影响

由图14可以看出，TP污泥负荷主要集中在0.002～0.003 kg/(kg·d)。随着TP污泥负荷的不断增加，出水TP浓度也随之增加，但是TP去除率与TP污泥负荷之间并没有明显的关系。

图14 进水TP污泥负荷对TP处理效果的影响Fig.14 Effect of influent TP loads on TP removal efficiency

3 结 论

(1) 采用厌氧区碳源分流多级A/O工艺处理低碳、高氮磷市政污水，得到系统最优流量分配比为厌氧区分流75%∶25%，该工况下最终出水COD、氨氮、TN、TP浓度分别为20.8、0.64、14.2、0.89 mg/L，基本满足GB 18918—2002一级A标准。

(2) 流量分配比对COD、氨氮去除效果基本没有影响，对TN、TP去除效果影响较大。

(3) 内回流位置在消氧区更有利于处理效果的提升。

(4) 进水COD以及氨氮污泥负荷还有很大的提升空间，控制TN污泥负荷为0.040 kg/(kg·d)对TN的处理效果较好。

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