前置A2NSBR工艺系统的启动特性研究

赵伟华，王梅香，吕冬梅，张 勇，潘 聪，黄 宇，彭永臻（北京工业大学，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

前置A2NSBR工艺系统的启动特性研究

赵伟华，王梅香，吕冬梅，张 勇，潘 聪，黄 宇，彭永臻*（北京工业大学，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

以实际低C/N生活污水（C/N为3.85）为研究对象，重点研究了按照厌氧/缺氧/硝化时序运行的新型前置A2NSBR工艺系统的启动特性.结果表明，采用除磷 A2SBR和硝化 N-SBR先单独启动后耦合运行的方式能够实现快速启动，系统在 N-SBR中维持稳定的硝化，在A2SBR中实现了以NO3-N为电子受体的反硝化除磷，系统连续运行45d后达到稳定，各项出水指标COD、NH4+-N、TN、TP平均值分别为33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L，、0.3mg/L，相应的去除率分别为 84.31%、98.41%、76.81%、93.87%，各项出水指标达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918-2002》中的一级 A标准.FISH实验表明，PAOs成为 A2SBR系统中的优势菌群，占全菌比例上升到14.77%.

前置A2NSBR工艺；反硝化除磷；快速启动；双污泥系统；生物膜

我国市政污水C/N普遍较低，往往不能满足同步脱氮除磷的需要，而传统工艺存在聚磷菌和硝化菌的污泥龄矛盾，聚磷菌和异养菌的碳源竞争，脱氮除磷效率不高［1-3］.反硝化聚磷菌以 NO-

3或NO2-为电子受体，以细胞内储存的PHA为电子供体，以一碳两用的方式进行同步脱氮除磷［4-5］，可节省50%的COD耗量，30%的氧气耗量，减少50%的污泥产量［6］，适合我国低C/N城市生活污水现状.

传统的A2NSBR工艺采用反硝化除磷技术，并且聚磷菌和硝化菌污泥龄分离，反硝化除磷效果良好，但由于运行方式属后置反硝化除磷，一部分氨氮没有经过硝化直接排放，造成出水氨氮浓度较高，给应用带来瓶颈［6-7］.针对传统后置A2NSBR工艺存在的问题，Kuba［6］通过将污泥龄从14d缩短为8d以试图提高氨氮同化作用但效果不明显，Zhou［8］通过培养颗粒污泥，提高污泥沉降性，将容积交换比增大到0.75达到了81%的氨氮去除率，刘雪飞［9］采用阶段式氨氮投加方式和缺氧连续性进水方式获得 72.6%的总氮去除率，李勇智［10］通过降低 SBR系统的充水比和提高容积交换比将氨氮去除率最大能够提高到 95%但出水氨氮浓度仍有 3.3mg/L，史静等［11］利用改进的A2N-IC-SBR大大提高了氨氮去除率将氨氮出水浓度降低到 3.5mg/L以下.而对于连续流A2N 工艺，王猛［12］通过增加二级 BAF构建A2N/BAF工艺处理生活污水可以将出水氨氮浓度降低到5mg/L以下，王希明等［13］通过增加后曝气池构建改进型A2N工艺并对后曝气池HRT进行优化可以把出水氨氮降低到平均为 2.2mg/L.在此基础上，作者首次提出前置反硝化除磷A2NSBR工艺系统，将传统A2NSBR工艺的硝化反应段和缺氧反硝化除磷段反应段顺序置换，先进行反硝化除磷后进行硝化反应，以硝化出水作为系统最终出水，所以出水中几乎不含有氨氮，在本次实验中达到了98.41%的氨氮去除率，出水浓度仅为0.85mg/L，与传统A2NSBR工艺及基于此工艺的其他改良模式相比，前置反硝化除磷运行模式最大程度的降低了出水氨氮浓度.

双污泥反硝化除磷系统快速启动成功的关键是富集培养各自反应器内的反硝化聚磷菌和硝化菌［14］，因此本研究按照先单独启动后耦合运行的方式进行，并以实际低C/N生活污水为研究对象，研究了新型前置A2NSBR工艺系统的启动特性，重点包括考察系统内聚磷菌富集特性和硝化菌挂膜特性，以及主要污染物的去除变化规律，以期为实际工程应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验装置及运行时序

图1为前置A2NSBR工艺装置系统，该试验装置是由原水水箱、A2SBR、中间水箱、N-SBR、出水水箱组成的双污泥系统，A2SBR装置内接种活性污泥，N-SBR反应器内填充有 2.5L悬浮填料，填充率为 27.7%，填料挂膜前后密度 0.97～1.01kg/m3比表面积为600～700m2/m3，VSS/MLSS在 87.3%左右.主体反应器材质均为有机玻璃，其中A2SBR和N-SBR装置总容积皆为10L.两个SBR反应器厌氧、缺氧段安装搅拌器并轻缓搅拌，好氧段以黏砂块为微孔曝气器，采用鼓风曝气，转子流量计调节曝气量.系统进水流量、硝化液回流量均由如东泵控制.前置A2NSBR工艺运行时序分3个阶段.

图1 前置A2NSBR工艺系统Fig.1 Schematic diagram of pre-A2NSBR process

第1阶段（1～20d）：生活污水从原水箱首先进入 A2SBR反应器，进行厌氧阶段的吸碳合成PHA并释磷，厌氧反应结束后进行好氧曝气吸磷反应，反应结束后沉淀排水，富含氨氮的出水进入N-SBR反应器对填料进行挂膜.此阶段控制A2SBR反应器厌氧/好氧=2h/1h，好氧段 DO= 2～3mg/L，并通过控制短污泥龄（SRT=9d）逐渐淘洗硝化菌使得好氧段几乎不发生硝化反应.N-SBR反应器接种硝化污泥，泥膜混合运行，不排泥，每周期曝气3h，DO≥3mg/L.前置A2NSBR工艺系统4h为一个周期，每天6个周期.在每个周期中，A2SBR按照厌氧 2h、好氧 1h、静沉排水0.5h、闲置0.5h的方式运行，N-SBR按照好氧硝化3h，静沉排水0.5h、闲置0.5h的方式运行.两个反应器每周期开始均进水5L，每周期排水结束剩余3L沉淀污泥.

第 2阶段（21～35d）：运行方式和控制参数等同第一阶段相同，只是把N-SBR污泥排空，只剩余悬浮填料，对填料上的硝化菌进行富集驯化.

第3阶段（36～55d）：N-SBR反应器挂膜成熟后，硝化出水一部分排出系统，另一部分注入A2SBR反应器缺氧段，即厌氧段释磷反应结束后，注入来自N-SBR的含有NO3-的硝化回流液进行反硝化除磷反应，缺氧反应结束后快速曝气吹脱氮气并进行剩余磷的好氧吸收，然后静止沉淀，富含氨氮的排水进入 N-SBR反应器进行硝化，反应结束后静沉，上清液一部分继续回流至A2SBR反应器的缺氧阶段，另一部分排放.A2SBR按照厌氧/缺氧/好氧=1h/3h/0.5h运行，好氧段DO=2mg/L左右，N-SBR曝气2h，DO≥3mg/L.前置A2NSBR工艺系统6h为一个周期，每天4个周期.在每个周期中，A2SBR按照厌氧1h、缺氧3h、好氧0.5h、静沉排水0.5h、闲置1h的方式运行，其中厌氧阶段的前5min注入2L生活污水，缺氧阶段的前10min注入4L来自N-SBR的硝化液出水，静沉排水结束后剩余3L沉淀污泥；N-SBR按照曝气2h、闲置4h的方式运行，其中曝气的前10min注入来自A2SBR富含氨氮的出水6L，硝化结束后4L硝化液回流到A2SBR的缺氧段，2L硝化液排出系统，每周期排水结束剩余 3L沉淀污泥，此阶段控制A2SBR污泥龄为12d.

表1 每个阶段的运行方式Table 1 operation mode of each phase

1.2 接种污泥和试验污水

A2SBR和N-SBR装置内接种污泥取自北京高碑店污水处理厂A2O工艺二沉池剩余污泥.实验用水采用北京工业大学教工住宅小区化粪池生活污水，试验期间的原水水质特点见表 2，原水pH均为7.4，试验均在室温下进行.

表2 原水水质特点Table 2 The influent characteristics

1.3 分析方法

MLSS、COD（本研究中提到的COD皆指溶解态，颗粒态不做讨论）等指标采用标准方法测定（APHA，1998），水样采用0.45 μm中速滤纸过滤，PO43--P， NH4+-N， NO2--N， NO3

--N 由 Lachat Quikchem8500 型流动注射仪测定（Lachat Instrument， Milwaukee， wiscosin）；TN 通 过TN/TOC 分析仪（MultiN/C3100，Analytik Jena，AG）测定；采用WTW，Multi 340i pH/DO仪测定pH值、氧化还原电位（ORP）值和溶解氧（DO）.

PAOs的相对定量分析采用荧光原位杂交（FISH）技术，通过Zilles等［15］和Crocetti等［16］提供的方法进行测算，图片采用OLYMPUS DP72数字成像系统采集，本实验均采集 35张照片，探针采用 EUBMix （EUB338，EUB338-II and EUB338-III， specific for all bacteria）， PAOs（PAO462， PAO651and PAO846）.

根据 Wachtmeister等［17］推荐的方法计算DPAOs占PAOs的比例具体方法是，从A2SBR反应器的好氧段取 1L活性污泥，离心分离后用去离子水清洗两遍，然后定容到 1L的锥形瓶中，投加无水乙酸时间 2h；反应结束后，离心分离，再用去离子水将钠使初始COD浓度为100mg/L，厌氧搅拌，反应活性污泥清洗两遍，去除剩余COD和磷等物质，添加磷酸氢二钾使得初始磷浓度为40mg/L，然后定容至1L后均分为2份，1份好氧曝气，使DO浓度维持在2mg/L作用，另一份加入NaNO3，使初始NO3--N浓度均为30mg/L，缺氧搅拌，反应时间 2h，实验测得的缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率即系统中DPAOs占PAOs的比例.

2 结果与讨论

2.1 对COD的去除特性

原水中的有机物进入A2SBR反应器后首先被稀释，然后进行厌氧阶段的吸碳合成PHA反应并释磷.从图 2可以看出，启动初期，A2SBR厌氧末COD出水逐渐降低，厌氧段去除COD量逐渐增加，厌氧末出水COD由第1d的108.9mg/L下降到第12d的70.4mg/L，此时厌氧段去除COD的量已到达84.05%，

图2 前置A2NSBR系统启动期间COD去除变化规律Fig.2 Removal characteristics of COD during start-up period in the pre-A2NSBR

同时由图 8典型周期污染物去除变化曲线图可以看出大部分的有机物在厌氧段被消耗掉，表明聚磷菌利用COD合成PHA的能力逐步增强，聚磷菌逐渐得到富集.出水COD在第12d便下降到43.20mg/L，此后一直稳定低于50mg/L，其中第3阶段平均出水COD浓度36.14mg/L，去除率为82.3%，满足国家一级A排放标准.通过分析计算得出，在整个实验期间，厌氧段去除的 COD占总COD去除总量的87.78%，COD大部分在厌氧段被反硝化聚磷菌有效利用合成PHA，增强了反硝化聚磷菌的反硝化潜力，同时使得进入缺氧段能被反硝化菌利用 COD很少，有利于反硝化聚磷菌淘汰反硝化菌成为优势菌群.魏玉［18］利用SBR反应器考察反硝化除磷颗粒污泥的活性恢复，其中COD去除能力恢复历时14d，去除率稳定在 80.32%以上，与本研究结果相近，说明除磷反应器对COD的去除效率比较高，这与COD能够在厌氧阶段被充分利用有关.

2.2 对氮的去除特性

阶段1：由于控制短污泥龄，A2SBR中的硝化菌逐渐被淘洗掉，其好氧段硝化作用越来越弱.原水中的氨氮进入A2SBR反应器后在厌氧/好氧段浓度基本维持不变，除微生物同化作用利用一部分氨氮外，剩余的氨氮几乎全部在 N-SBR反应器中通过硝化反应去除.由图4可以看出，启动初期在 N-SBR反应器中观测到明显的亚硝积累（亚硝积累率为 88.5%），这是因为接种污泥经过十几天闲置导致NOB衰减远远超过AOB，造成硝化过程中亚硝酸盐积累［19-20］，后期亚硝积累便逐渐消失.此阶段 N-SBR反应器内泥膜混合，由于接种城市污水处理厂污泥，硝化效果良好，阶段1后期氨氮去除率达到98.6%（图3）.由图5可以看出，在此阶段由于没有回流硝化液进行反硝化，TN去除率仅为26.84%，主要是由微生物自身同化作用和N-SBR反应器内同步硝化反硝化作用去除［21］.

图3 前置A2NSBR启动期间氨氮去除变化规律Fig.3 Removal characteristics of NH4+-N during start-up period in the pre-A2NSBR

阶段2：在实验的第20d排空N-SBR反应器内的污泥，可以发现硝化效果马上减弱，氨氮去除率下降，但仍然保持 63.5%的硝化效果，这说明通过阶段1的泥膜混合运行，填料上已经挂有硝化菌，但仅靠填料上的硝化菌数量还不足以完成硝化，本研究采用白色聚丙烯塑料环，此时通过肉眼可以看见填料颜色已发生变化，呈黄褐色（图 6）.随着实验的进行，硝化菌不断快速繁殖，对氨氮的处理效率不断提高，第 31d氨氮去除率上升到98.23%，表明硝化菌得到富集，N-SBR反应器启动成功.在本系统中，进入N-SBR反应器可被微生物利用的COD很少，异养菌较少，导致生物膜厚度小，生物量低，挂膜成功后测得附着在填料上的平均生物膜浓度为570mg/L，但是N-SBR中进入COD含量低有利于硝化反应的进行和硝化菌富集，因此生物膜中硝化菌数量很高，此外生物膜系统采用悬浮生物填料，传质好，比表面积大，污泥龄更长，有利于长污泥龄的硝化菌附着生长，并且污泥产量少，运行管理更加方便.张淼等［22］20d成功启动BCO反应器，氨氮去除率达到98.63%，本研究与之相比，启动过程耗时略长可能是因为填料填充比仅为27.7%，远远低于张淼BCO反应器45%的填料填充比，这说明后续填充比有待提高.

图4 前置A2NSBR启动期间亚硝酸盐和硝酸盐出水变化Fig.4 Variations of NO2--N and NO3--N during start-up period in the pre-A2NSBR

阶段3：由图7可以看到，N-SBR挂膜成功后，出水一部分回流到A2SBR反应器的缺氧段对聚磷菌进行驯化，一部分排出系统.此时原水中的氨氮进入 A2SBR反应器后在厌氧段首先被稀释，然后缺氧段硝化液回流后再度被稀释，最后进入N-SBR进行硝化反应.而在缺氧段，回流的硝态氮和磷酸盐同步减少，系统发生了反硝化除磷作用.增加硝化液回流后，TN去除率由23.45%上升到 72.4%，说明反硝化聚磷菌得到富集和驯化，由于反硝化除磷“一碳两用”对碳源利用率更高，提高了系统脱氮效果.同时此阶段 N-SBR硝化时间由3h减少为2h，系统仍然维持了98.6%的氨氮去除率，说明生物膜系统具有稳定的硝化性能，具备一定的抗符合冲击能力.

图5 N-SBR挂膜期间的总氮去除规律Fig.5 Removal characteristics of total nitrogen during N-SBR start-up period

图6 N-SBR 填料挂膜前后变化Fig.6 Variation of plastic carriers in N-SBR during start-up period

2.3对磷的去除特性

阶段1：系统以好氧吸磷为主要除磷方式，启动初期，聚磷菌并不是优势菌群，反硝化菌等其他异养菌同聚磷菌竞争碳源，所以厌氧释磷量较低［23］，聚磷菌PHA贮存量有限，吸磷能力不足，随着厌氧/好氧方式以及短污泥龄的驯化运行，硝化菌、反硝化逐渐被淘洗出系统，系统不再有硝化和反硝化作用，保证了严格的厌氧环境，聚磷菌逐渐富集，COD被聚磷菌有效利用合成 PHA，释磷量和吸磷能力增强，厌氧释磷量由第2d的5.6mg/L上升到第19d的 21.25mg/L（图 8），此时出水 TP浓度降低到0.39mg/L，满足国家一级A排放标准.

图7 前置A2NSBR典型周期污染物去除变化（阶段3）Fig.7 nutrient removal characteristics of typical cycle during phase 3 in the pre-A2NSBR

阶段2：厌氧释磷量继续上升，第29d释磷量为29.97mg/L，N-SBR排空污泥后只剩余填料，此阶段A2SBR平均出水磷浓度0.29mg/L，同时观测到出水TP浓度在N-SBR基本没有变化.

图8 前置A2NSBR启动期间P去除变化规律Fig.8 Removal characteristics of phosphorus during start-up period

阶段3：A2SBR增加硝化液回流后，缺氧时间为3h，而好氧时间仅有0.5h，好氧吸磷受到减弱和抑制，随着缺氧段回流硝酸盐对聚磷菌反硝化能力的驯化，聚磷菌缺氧吸磷能力逐步增强，由图 7可以看到，磷主要在缺氧段被去除，除磷方式由好氧吸磷转变为缺氧吸磷，实验后期缺氧段吸磷量占总吸磷量的比例上升到 90%以上，成为主要的吸磷方式.

根据除磷批次实验的结果，好氧吸磷速率是18.73mg P/（g·VSS·h），缺氧吸磷速率是 11.48mg P/（g·VSS·h），根据计算方法，缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例大约是 61.3%，与张为堂等［24］的实验结果相近，反硝化聚磷菌富集程度较高.而0.5h的后曝气可以进一步吸磷，在硝酸盐不足时后曝气的存在可以保证除磷效果［25］，并且还有吹脱氮气提高污泥沉降性的作用，此阶段平均出水 TP浓度为0.32mg/L.

2.4 聚磷菌特性

系统运行50d后，通过fish实验（图9）得到A2SBR反应器中聚磷菌占全菌比例从启动初期的6.32%±1.26%上升到14.77%±1.57%（每张图片左侧绿色图代表全菌bacteria，右侧红色图代表聚磷菌PAO），此时系统出水良好，完全达一级A排放标准，运行逐渐稳定，表明聚磷菌成为系统中的优势菌群，同时也证明本启动方式能够快速有效的富集功能菌群.

图9 前置A2NSBR系统启动第2d（a）和第50d（b）的聚磷菌的FISH检测结果Fig.9 The FISH results of PAO at the Day 2 （a） and Day 50 （b） of the start-up period in the A2NSBR

3 结论

3.1 通过除磷系统和硝化系统分开独立启动的方式，可以创造各自适合聚磷菌和硝化菌生长的最佳条件，通过厌氧/好氧运行方式并缩短污泥龄可以快速富集聚磷菌，使聚磷菌所占比例从启动初期的6.32%迅速上升到14.77%，通过泥膜混合运行可以对填料实现快速挂膜.

3.2 系统启动45d后，出水COD、氨氮、TN、TP平均值分别为 33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L、0.3mg/L，相应的去除率分别为84.31%、98.41%、76.81%、93.87%，系统通过反硝化除磷作用实现污染物深度去除，同时与A2NSBR工艺及基于此工艺的其他改良模式相比，前置反硝化除磷运行模式能够最大程度的降低出水氨氮浓度，各项出水指标达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准GB 18918-2002》中的一级A标准.

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Start-up characteristics of the pre-A2NSBR Process.

ZHAO Wei-hua1， WANG Mei-xiang， LÜ Dong-mei， ZHANG Yong， PAN Cong， HUANG Yu， PENG Yong-zhen*（Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Engineering Research Center of Beijing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）. China Environmental Science， 2016，36（9）：2689～2695

The start-up characteristics of the pre-A2NSBR （anaerobic/anoxic/aerobic nitrification） system were investigated to treat low C/N municipal wastewater （C/N=3.85）. The start-up of the system could be quickly achieved by the strategy that the A2SBR and the N-SBR was first started separately then was operated jointly， the nitrification was well achieved in the N-SBR， and denitrifying phosphorus removal was realized in the A2SBR with the NO3-N as the electronic accepter. The effluent quality index of COD、NH4+-N、TN、TP was 33.82mg/L、0.85mg/L、13.56mg/L、0.3mg/L，with corresponding removal efficiency was 84.31%、98.41%、76.81%、93.87%， respectively， which meet the first A discharge standard in china （GB 18918～2002） after continuous operation of 45days. FISH confirmed that PAOs was the dominant bacteria in the pre-A2NSBR system and accounted for 14.77% of the total bacteria.

pre-A2NSBR process；denitrifying phosphorus removal；quick start-up；two-sludge system；biofilm

X703

A

1000-6923（2016）09-2689-07

2016-01-18

国家自然科学基金（51578014）；北京市教委资助项目

* 责任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn

赵伟华（1988-），男，山东潍坊人，博士，主要从事污水生物处理研究.