A2/O联合臭氧污泥减量技术的改造研究*

葛冬冬　朱世云　徐子博　严怡佳　董玉刚　陈海群

(1.常州大学环境与安全工程学院　江苏常州 213164；2.上海交通大学环境科学与工程学院　上海 200240)



A2/O联合臭氧污泥减量技术的改造研究*

葛冬冬1朱世云2徐子博2严怡佳2董玉刚2陈海群1

(1.常州大学环境与安全工程学院江苏常州 213164；2.上海交通大学环境科学与工程学院上海 200240)

摘要研究了臭氧化污泥减量技术联合A2/O、倒置A2/O与传统A2/O在出水和污泥产率上的变化。结果表明，臭氧化A2/O、臭氧化倒置A2/O的出水与传统A2/O相比未出现恶化，它们对COD和含氮物质的去除率分别为87.4%，53.7%和93%，66.5%，存在倒置A2/O对臭氧混合液中有机质及含氮物质的利用率较A2/O高的可能。试验按每克SS投加0.05 g O3对A2/O与倒置A2/O产生的约60%剩余污泥处理时，在短期内未造成出水磷含量的大幅升高，并且出水磷含量受臭氧混合液DO、二沉池底部DO的影响，两系统的污泥产率分别较传统A2/O降低50%，56%。

关键词污泥减量臭氧氧化A2/O工艺倒置A2/O工艺剩余污泥

0引言

活性污泥污水生物处理工艺过程中产生大量剩余污泥，其处理处置费用高，约占污水厂运行成本的40%～65%[1]。随着污水处理率的提高和环境标准日趋严格，亟需寻求经济环保的污泥处理方法。臭氧化污泥减量法被认为有望解决这一问题。臭氧以其强氧化性破解微生物的细胞壁，并将胞内物质氧化为有机质重返系统达到污泥减量的目的[2]。

传统A2/O工艺是活性污泥法的典型工艺，在国内外污水处理厂运用广泛。实际运行中除污泥产量大之外，还存在硝化细菌、反硝化细菌和聚磷菌在有机负荷、污泥龄、碳源上的矛盾与竞争[3]。倒置A2/O工艺是近十年来出现的改良工艺，简化了流程，取消了混合液回流，调换了厌氧池与缺氧池，优先优化了反硝化碳源的需求和除磷性能[4]。目前臭氧化污泥减量技术结合传统A2/O工艺的研究不多，与倒置A2/O工艺结合的研究尚未见报道。

笔者将臭氧化技术与A2/O、倒置A2/O工艺联合，以污泥减量为目的，以水质达标为基础对系统的脱氮除磷及污泥性能进行比较研究，以期为A2/O工艺污水处理厂联合臭氧化污泥减量技术的改良改造提供指导。

1试验内容

1.1试验材料

活性污泥取自上海某污水处理厂二沉池回流污泥，经2周培养驯化后投入实验室系统运行。试验污水为人工模拟生活污水，由葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾按BOD5∶N∶P=100∶5∶1及微量元素配制而成，具体指标见表1。

表1 人工模拟生活污水水质指标　mg/L

1.2试验装置

试验选用两平行A2/O模拟系统，设有厌氧池、缺氧池、好氧池，各池有效容积分别为12，12，36 L。运行倒置A2/O工艺时，取消混合液回流并调节回流比和DO。臭氧反应器直径12 cm、高60 cm。A2/O工艺试验流程如图1所示。

图1　A2/O工艺流程示意

对比试验前对两系统进行2周的培养驯化，试验期以间歇方式将臭氧化污泥投入系统。试验时间及系统运行工艺参数见表2、表3。

表2　系统试验阶段

2试验结果与讨论

2.1臭氧投加量的确定

试验中臭氧质量浓度为38.4 mg/L，流量为1 L/min，MLSS和破解混合液上清液COD随臭氧投加时间的变化如图2所示。

表3　传统A2/O、臭氧+A2/O及臭氧+倒置A2/O工艺运行参数

图2　臭氧投加时间对污泥浓度和COD的影响

由图2可知，臭氧化前5 min，MLSS减小缓慢，说明投加量较低时，臭氧与污泥中还原性物质反应，臭氧对污泥的破解率不高。随着时间的增加(5～25 min)，MLSS迅速减少(由3 495 mg/L降至2 007 mg/L)，COD快速增加(由87.7 mg/L增至291.8 mg/L),反映出臭氧量的增加有效提高了微生物与臭氧、羟基自由基的接触几率[5]，大大提高了污泥的破解率。随后，MLSS，COD的变化渐渐趋于平缓，表明增加的臭氧量不再对混合液进行有效破解。根据MLSS和COD的变化情况，试验选定臭氧投加时间为30 min，相应臭氧投加量为每克SS投加0.05 g O3。2.2臭氧联合A2/O与传统A2/O脱氮除磷效果的比较

臭氧联合A2/O与传统A2/O出水COD，NH3-N，TN，TP的变化见图3。

由图3可知，臭氧联合A2/O的出水较传统A2/O相差不大，传统A2/O的平均COD去除率为90.3%，臭氧联合A2/O的平均COD去除率为88%，出水COD值轻微增加，这是由于剩余污泥经臭氧破解后，混合液中会有大量溶解性产物，其中含有不易被生物快速利用的物质，如长链脂肪酸等[6]。同时，混合液返回系统后，有机质增加，有机负荷变高。虽然臭氧联合系统的去除率轻微下降，但其对有机质的去除量并不一定比传统工艺低。

图3　臭氧联合A2/O与传统A2/O出水COD，NH3-N，TN，TP的变化

臭氧联合A2/O系统的氨氮、总氮去除率分别为53.5%和52.3%，较传统A2/O系统56.5%和56.6%的去除率变化不大。而臭氧联合A2/O系统中，臭氧混合液里含氮物质的进入，增加了系统中氮的负荷，但并未对系统的硝化、反硝化作用产生较大影响。DYTCZAK等[7]研究表明，投加了臭氧化污泥后，出水氨浓度较低，亚硝酸盐也未检测出，说明未对系统的硝化能力产生大的影响。在传统A2/O工艺中，反硝化作用受限于碳源的供给，而臭氧混合液中含有大量的溶解性有机质，可作为碳源以提高系统的反硝化性能。PARK等[8]研究发现，利用臭氧化污泥中的有机质作为碳源运行系统6个月，总氮的去除率提高10%。DYTCZAK等[7]研究以臭氧破解液作为碳源，系统的反硝化性能提高了60%。LIU等[9]认为，臭氧破解液的利用率和对硝化、反硝化作用的影响与工艺运行参数有很大的关系。因此，本试验中臭氧联合系统的性能未得到大的提高可能是因为工艺条件和污泥性质的差异。

试验中，出水的总磷浓度并未迅速升高，且在运行期内总体能达标排放，原因在于臭氧化的污泥仅为剩余污泥的60%，其余40%正常排放，这样就缓解了磷的积聚。对比研究发现，臭氧联合A2/O系统的总磷去除率为73.4%，较传统A2/O工艺81.8%的去除率低，但前者的污泥产率较传统A2/O工艺低50%。因此，臭氧联合A2/O系统不仅在试验中达到了污泥减量，而且也保持了有机质和氮磷的去除效果。2.3臭氧联合A2/O与臭氧联合倒置A2/O脱氮除磷效果的比较

臭氧联合A2/O与臭氧联合倒置A2/O出水COD，NH3-N，TN，TP的变化见图4。

由图4可发现，臭氧化倒置A2/O在COD，NH3-N和TN的去除效果上要优于臭氧化A2/O。臭氧化倒置A2/O的平均COD，NH3-N，TN去除率分别为93%，62.9%，66.5%，相对臭氧化A2/O分别高5.6%，9.3%，12.8%，其中NH3-N和TN的去除率也较传统A2/O分别高6.4%，9.9%。分析认为，倒置A2/O将缺氧池置于首端，优先反硝化的设计，使得臭氧化污泥中可作为碳源的有机质得到了充分的利用。同时，臭氧化混合液中含有大量的硝酸盐物质且为主要含氮物质，为缺氧区提供了更多的电子受体，从而更利于缺氧区中反硝化脱氮作用。此外，系统中硝酸盐物质的增加也可能调动了气单胞菌等菌株利用硝态氮进行反硝化作用。因此，含氮物质的去除得到了一定的提高。

图4　臭氧联合A2/O与臭氧联合倒置A2/O出水COD，NH3-N，TN，TP的变化

试验中，臭氧化倒置A2/O的除磷率较臭氧化A2/O低，原因可能在于，臭氧化混合液中含有的DO破坏了原系统环境，影响了厌氧程度，降低了聚磷菌的摄磷动力。同时，系统二沉池底部的DO环境变化会造成聚磷菌释磷的不稳定性，将直接导致出水磷含量的增加。比较臭氧化A2/O与臭氧化倒置A2/O的污泥浓度和污泥产率，发现后者均较低，所以通过排泥去除的磷含量相对较少，这可能也是导致后者出水总磷比臭氧化A2/O略高的原因。较传统的A2/O系统，两臭氧化系统污泥浓度分别降低8.8%，11.5%，污泥产率分别降低50%，56%，达到了污泥减量的目的。但在长期的运行中，两系统都需要添加后续的除磷工艺，以解决系统中磷的累积问题。

3结语

试验按每克SS投加0.05 g O3的投加量对系统约60%剩余污泥处理时，臭氧化A2/O与臭氧化倒置A2/O的出水均未出现明显恶化，污泥产率分别较传统A2/O工艺降低了50%，56%。试验条件下，臭氧化倒置A2/O在有机质和含氮物质的去除率上较臭氧化A2/O分别提高5.6%，12.8%，原因可能是后者对污泥中作为碳源的有机质和含氮物质的利用率较高。试验期内，臭氧联合系统均未出现出水磷含量的迅速升高，出水磷含量受臭氧污泥液和二沉池底部的DO影响。

参考文献

[1]ZHANG G, YANG J, LIU H, et al. Sludge ozonation: disintegration, supernatant changes and mechanisms [J]. Bioresource Technology, 2009,100(3):1505-1509.

[2]AHN K H, PARK K Y, MAENG S K, et al. Ozonation of wastewater sludge for reduction and recycling [J]. Water Science and Technology, 2002,46(10):71-77.

[3]张硕，邹伟国. 正置和倒置AAO工艺处理城镇污水的中试研究[A]. 第11届长三角科技论坛环境保护分论坛暨上海市环境科学学会第18届学术年会论文集[C]. 上海：同济大学出版社，2014.

[4]张波，高廷耀. 倒置A2/O工艺的原理与特点研究[J]. 中国给水排水，2000，16(7):11-15.

[5]张栋良，严伟峰，陈英文，等. 匀浆破解与臭氧氧化对污泥减量效果的研究[J]. 工业水处理，2014，34(1):40-43.

[6]孟宪荣，刘东方，刘范嘉，等. 臭氧氧化污泥减量和碳源回收利用研究[J]. 中国给水排水，2014，30(1):18-21.

[7]DYTCZAK M A, LONDRY K L, SIEGRIST H, et al. Ozonation reduces sludge production and improves denitrification [J]. Water Research, 2007,41:543-550.

[8]PARK K Y, LEE J W, AHN K H, et al. Ozone disintegration of excess biomass and application to nitrogen removal [J]. Water Environment Research, 2004,76(2):162-167.

[9]LIU Y, TAY J H. Strategy for minimization of excess sludge production from the activated sludge process [J]. Biotechnology Advances, 2001,19(2):97-107.

朱世云，副教授，研究方向为水和污水处理。

Research on the Transformation of A2/O Process Combined with Sludge Reduction Technology by Ozonation

GE Dongdong1ZHU Shiyun2XU Zibo2YAN Yijia2DONG Yugang2CHEN Haiqun1

(1.SchoolofEnvironmental&SafetyEngineering,ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213164)

AbstractThis paper intends to study the changes of water quality and sludge yield of A2/O and reversed A2/O combined with ozonation reduction technology (A2/O, reversed A2/O), compared to the conventional A2/O. It is found that A2/O and reversed A2/O have no obvious deterioration in water quality, the removal rates of A2/O and reversed A2/O on COD and nitrogen-containing substances are 87.4%, 53.7% and 93%, 66.5% respectively. There exists the problem by reversed A2/O, that the removal rate of organic matter and nitrogen-containing substances in mixed ozonation liquid may be a litter higher than that of A2/O. When about 60% of excess sludge, produced from the ozonation A2/O and the ozonation reversed A2/O, is treated at the dosage of 0.05 g O3 per gram SS, it will not result in the remarkable rise of effluent phosphorus content in short term, which is related to the mixed ozonation liquid and DO at the bottom of the secondary settling tank and the sludge yield in process of A2/O and reversed A2/O will be reduced by 50% and 56% respectively, compared to the conventional A2/O.

Key Wordssludge reductionozonationA2/O processreversed A2/O processexcess sludge

*基金项目：2014年教育部归国留学人员科研启动基金。

作者简介葛冬冬，男，1991年生，硕士研究生，研究方向为污水处理工艺及污泥减量化。

(收稿日期：2015-03-16)