纤维填料型A2/O工艺处理生活污水的碳源补充

熊 峰，郭 意，王鲁宁，宋 咏，李永峰

(东北林业大学 林学院， 哈尔滨 150040)

纤维填料型A2/O工艺处理生活污水的碳源补充

熊 峰，郭 意，王鲁宁，宋 咏，李永峰

(东北林业大学 林学院， 哈尔滨 150040)

纤维式组合填料A2/O工艺体系中当采用甲醇、葡萄糖和乙醇作为系统碳源时，得到甲醇作为外加碳源时，系统运行效果最佳，出水TN、NH3—N、TP和COD质量浓度分别为14.99、18、1.04、64 mg/L，TN、NH3—N、TP和COD的去除率分别为85.81%、81.43%、86.21%和84.58%.研究三种碳源对反硝化的响应时间得到，甲醇的反硝化响应速度最快，硝酸盐氮被完全去除的时间为20 min. 对A2/O工艺的碳源补充分析研究得到，当外加碳源(甲醇)投加比例为1∶2∶0，投加量为400 mg/L时，A2/O工艺运行效能最佳，得到TP、TN、NH3—N和COD的去除率分别是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%，出水质量浓度分别为0. 46、15.21、7.18、42 mg/L.

A2/O工艺；组合填料；碳源类型；投加方式

随着我国对出水氮磷质量浓度排放要求日益提高，为了控制氮磷的排放，我国制订了GB 18918-2002排放标准[1].我国目前大多数采用A2/O工艺处理城市生活污水[2-3]，这使加快改进A2/O工艺成为众多科研工作者的研究方向[4-5].新建城市生活污水厂费用高，所以积极开发A2/O污水处理工艺的组合工艺以及在原有的A2/O污水处理工艺的基础上进行适当改造是当前国情下最重要的，最经济的[6-7]，也是最切实际的.本课题将醛化纤维放入 A2/O污水处理工艺的各段中形成一套复合工艺，并通过填料型A2/O污水处理工艺处理生活污水并分析结果.同时针对A2/O污水处理工艺，研究了不同碳源类型以及碳源的不同投加方式对处理效果的影响[8].研究结果有利于构建低成本、高效率的A2/O污水处理工艺补碳机制.

1 材料与装置

试验主要采用合建式A2/O反应器，试验装置如图1所示.进水箱、A2/O反应器、二次沉淀池构成了反应器的主体部分.进水箱由有机塑料制成，有效容积为150 L.A2/O反应器由有机玻璃制成，有效容积为56.13 L，从长边中间部位进行隔断，并有小孔相互连接，然后由材质相同的有机玻璃将其平均分成12个格室，前3个格室为厌氧段，中间3个格室为缺氧段，最后6个格室为好氧段，由此组成A2/O工艺厌氧-缺氧-好氧的格局，且厌氧/缺氧/好氧体积比为1∶1∶2，三个区域内均匀布置醛化纤维式组合填料，体积填充率为20%.

图1 实验装置结构图

2 材料与方法

2.1 实验填料

醛化纤维式组合填料形状如图2所示.该填料将传统的塑料圆片改造成双环形式塑料环，将醛化纤维簇均匀压接在环圈上；环的内圈是呈雪花状的塑料组件，既能挂膜，又能对好氧段气泡进行有效切割，提高氧的传递效率和利用率[9].使有机物与氧气在生物膜上充分交换，从而对有机污染物进行高效处理[10].其性能参数如表1所示.

表1 醛化纤维式组合填料性能参数

材料密度/(g·cm-3)中心片直径/mm单元直径/mm比表面积/(m-1)单位质量/(kg·m-3)醛化纤维0．93731503002．8

图2 醛化纤维式组合填料形状

2.2 实验用水

实验用水采用不同碳源类型配置的合成废水，碳源分别为甲醇，葡萄糖，乙醇.其水质特点如表2所示.

表2 合成废水水质参数

参数COD/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)PO43-/(mg·L-1)NH4+—N/(mg·L-1)pH均值39073．25．568．36．8

2.3 实验分析项目

实验测定指标主要包含温度、DO、COD、pH、ORP、MLSS和MLVSS等常规指标，以及反应氮去除情况的NH3—N、TN、NO2-—N、NO3—N，反应磷去除情况的TP、PO43-—P.

2.4 实验方法

以配置废水为实验进水，第一阶段采用连续流结合间歇实验研究甲醇、葡萄糖和乙醇分别作为系统碳源时，A2/O系统对各污染物的去除情况，从而挑选出A2/O补碳工艺的最佳碳源.第二阶段，以甲醇作为A2/O工艺的外加碳源，研究甲醇在A2/O系统沿程反应的投加比例.甲醇的投加量为400 mg/L，且外加碳源溶液的体积与进水体积比为1∶20.设定五个工况，分别为I、II、III、IV和V，各工况所对应的外加碳源沿程投加比例(投加到厌氧/缺氧/好氧的体积比)如表3所示.通过以上工况确定最佳甲醇投加比例.

表3 外加碳源在各阶段的投加比例

阶段IIIIIIIVV投加比例3∶0∶02∶1∶01∶1∶01∶2∶00∶0∶3

3 实验结果

3.1 补充碳源类型对体系处理效果的影响

此阶段是在反应器成功启动后并稳定运行时进行.实验过程中，三种不同碳源甲醇、葡萄糖和乙醇分别在反应器中运行27 d.采用甲醇、葡萄糖和乙醇分别作为系统的碳源，得到A2/O补碳工艺在不同碳源类型下磷的去除情况，如图3所示.

图3 施加不同碳源类型工艺流程的磷变化特点

从图3 (A)可知，三种碳源类型作碳源并达到稳定状态后，TP的去除率分别为86.21%，78.15%和88.18%.由此可知，当乙醇作碳源时，TP的去除率最高；当葡萄糖作碳源时，TP的去除率最低；而当甲醇作碳源时，TP的去除率仅次于乙醇.从图3(B)可知，当甲醇、葡萄糖、乙醇分别作碳源时，TP在厌氧末端的质量浓度达到12.26、6.91、12.41 mg/L.分析研究认为，A2/O系统中不同种群的微生物对碳源类型需求不一样，PAO在厌氧段对碳源类型的吸收和利用能力不一样[11]，碳源分子类型越小越容易被吸收利用.如果添加大分子碳源，在厌氧段还需要通过微生物对大分子物质进行降解，将其转化为小分子物质才能够被厌氧段PAO有效利用.

采用甲醇、葡萄糖和乙醇分别作为A2/O系统唯一碳源，得到A2/O系统施加不同碳源类型的工艺流程的氮的变化特点，如图4所示.

图4 施加不同碳源类型的工艺流程的氮的变化特点

从图4(A)可知当甲醇作碳源时，TN的去除率为85.81%，出水TN质量浓度为14.99 mg/L；当葡萄糖作碳源时，TN的去除率为76.67%，出水TN质量浓度为20.66 mg/L；当乙醇作碳源时，TN的去除率为88.23%，出水TN质量浓度为13.49 mg/L.从以上数据可知，当乙醇作碳源时，A2/O系统对TN的去除效果最好；葡萄糖效果最差；甲醇效果介于两者之间.从图4(B)可知，当三种不同碳源投加后，NH3—N的去除主要集中在好氧段的前段.使用甲醇、葡萄糖、乙醇分别作碳源时，出水NH3—N的质量浓度分别为18、25、16 mg/L.三种不同碳源类型下，NH3—N的去除率分别为81.43%、70.32%和84.60%.从以上数据分析可得，当乙醇作为A2/O系统唯一碳源时，NH3—N的去除效率最好；当葡萄糖作为A2/O系统唯一碳源时，NH3—N的去除效率最差；而当甲醇作为A2/O系统唯一碳源时，NH3—N的去除率与乙醇相差不大.分析研究认为，碳源分子大小是导致这一结果的因素之一，碳源分子越小越容易被吸收利用，六碳结构的葡萄糖显然会比甲醇乙醇更不易吸收.同时填料型A2/O反应器氨氮去除率明显高于传统A2/O反应器，说明向好氧池中投加纤维填料，发挥了增加池中生物量的作用，有利于生长缓慢的硝化菌的生长和富集，可以显著提高硝化效率[12-13].

在三种不同的碳源类型下，对缺氧段的污泥进行了间歇试验，得到图5.

从图5可知，当甲醇、葡萄糖、乙醇分别作碳源时，硝酸盐氮在20、75、25 min被完全去除，而此时的亚硝酸盐氮被完全去除时间为20、35、20 min.根据反硝化速率经典公式[14-15]计算可得，甲醇作为A2/O系统唯一碳源时，其对反硝化速率的响应速度要高于葡萄糖和乙醇碳源作为A2/O系统唯一碳源时的反硝化相应速度.因此，在三种不同的碳源类型中，甲醇作为缺氧段的反硝化电子供体最佳.

图5 施加不同碳源类型时对反硝化的响应特点

综上，当甲醇作为A2/O系统碳源时，对缺氧段的反硝化响应速度明显高于乙醇作为A2/O系统碳源时对缺氧段的反硝化响应速度.根据甲醇和乙醇的产能过程，生产同一质量的细胞物质消耗的乙醇质量远远大于甲醇的质量.乙醇作为系统碳源时，产生的污泥量大于甲醇作为系统碳源时的污泥量，且各污染物的去除效果相差不大.同时依据实际经济性要求，三种碳源类型中，甲醇价格大概为乙醇的三分之一左右，故选择甲醇作为系统的外加碳源和应急碳源最佳也更具实际意义.

3.2 施加不同甲醇投加比例对体系处理效果的影响

对施加不同甲醇投加比例的工艺流程的磷的变化情况进行研究，得到磷在甲醇不同投加比例下的变化情况，如图6所示.

图6 施加不同甲醇投加比例的工艺流程的磷的变化特点

从图6(A)可知，在不同甲醇投加比例下，TP的去除率分别为85.61%、85.71%、86.81%、86.64%和78.49%.总体来看，TP在五个工况下，去除率呈现出下降的趋势.前四个工况下TP的去除率变化不大，而在第5个工况下，TP的去除率突然下降，第五个工况下的TP去除率相对于前四个工况下TP的去除率下降了近8%.从图6(B)可知，在第五个工况下，磷在厌氧段的释放总量突然减少.PAO释磷的多少和废水中可利用的有机物有关[14].由于五个工况的运行条件都一样，前四个工况的TP去除效果都较好，排除温度、pH等因素.几个工况运行的条件只有外加碳源的投加比例不一样，第五个工况的外加碳源全部投加到了好氧段.好氧段主要是自养型细菌，充足的有机物质和DO会使得丝状细菌大量繁殖.丝状菌随污泥混合液回流到厌氧段与PAO争夺有机物质，使得PAO在厌氧段的释磷活动受到抑制，导致磷的释放量下降[16-17].由于在厌氧段释磷受到抑制，使好氧吸磷也受到抑制，从而导致出水磷质量浓度较高.

对施加不同甲醇投加比例的工艺流程的氮的变化情况进行研究，得到氮在甲醇不同投加比例下的变化情况，如图7所示.

图7 施加不同甲醇投加比例的工艺流程的氮的变化特点

图7可知，在甲醇不同投加比例下，TN、NH3—N的去除率分别从第I阶段到第IV阶段呈现出升高的趋势，并在第IV阶段达到最大的去除率为87.84%和94.87%；而在第V阶段TN的去除率呈现出下降的趋势.总体来说，TN和NH3—N的去除率变化规律相似，都是随着投加比例的变化，去除率逐渐增加，到达第IV阶段时达到最大值，而后就出现下降的趋势.经分析异养菌的大量甚至超量繁殖导致好氧段的硝化细菌菌落的生存资源受到限制是硝化反应在好氧段受抑制的原因.故第V阶段，碳源补充量过多导致好氧段中硝化反应效果受抑制.

试验期间，对不同投加比例下COD、污泥质量浓度的变化趋势和沿程变化特点了进行研究，如图8所示.

图8 施加不同甲醇投加比例时的COD、污泥质量浓度的变化特点

由图8可知，不同投加比例下，前三个阶段的氮去除效率低是因为缺氧段的反硝化反应缺少电子供体.而在第IV阶段时，碳源投加完全能够满足缺氧段反硝化作用，使缺氧段的反硝化细菌发挥出了最大的降解作用.根据COD和MLSS等指标的变化情况可知，选择第IV阶段的投加比例可以得到较好的处理效果.因此，结合对氮磷的处理分析，选择外加碳源的投加比例为1∶2∶0时，TP、TN、NH3—N和COD的去除率分别是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%.

4 结 论

本文对添加了醛化纤维载体的填料型A2/O污水工艺处理生活污水的补碳机制进行研究得出以下结论：

1)当采用甲醇、葡萄糖和乙醇作为A2/O系统唯一碳源时，得到甲醇作为外加碳源时，系统运行效果最佳，出水TN、NH3—N、TP和COD质量浓度为14.99、18、1.04、64 mg/L，TN、NH3—N、TP和COD的去除率为85.81%、81.43%、86.21%和84.58%.研究三种碳源对反硝化的响应时间得到，甲醇的反硝化响应速度最快，硝酸盐氮被完全去除的时间为20 min，三种碳源中，甲醇作为A2/O系统反硝化应急碳源最佳.

2)对A2/O碳工艺的补碳研究得到，当外加碳源(甲醇)投加比例为1∶2∶0，投加量为400 mg/L时，A2/O碳工艺运行效能最佳，得到TP、TN、NH3—N和COD的去除率分别是86.64%、87.84%、94.87%和89.18%，出水质量浓度分别为0.46、15.21、7.18和42 mg/L.

3)对A2/O碳工艺的补碳效能进行研究得到，外加碳源不应该投加到好氧段.当碳源极度不充足，影响到厌氧释磷和缺氧反硝化时，应该将碳源尽量投加到厌氧段；当碳源量影响到缺氧反硝化而未影响到厌氧释磷时，应该将碳源尽量投加到缺氧段.同时，在投加碳源时，应多点投加，使缺少碳源的阶段能迅速得到碳源的补充.

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Study on carbon source supplement of A2/O process for treating domestic sewage

XIONG Feng, GUO Yi, WANG Lu-ning, SONG Yong, LI Yong-feng

(School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

To solve the carbon source problem of fiber carrier media A2/O process for urban sewage, the methanol was the best one on nutrients removal when methanol, glucose and alcohol were used as carbon sources. The results showed that the effluent concentration of TN, NH3—N, TP and COD were 14.99, 18, 1.04, and 64 mg/L. The removal rate of TN, NH3—N, TP and COD were 85.81%, 81.43%, 86.21% and 84.58%. The response time of the three kinds of carbon sources for denitrification was studied. The results showed the methanol have fastest response. The NH3—N was removed completely for 20 minutes. The analysis of the carbon sources for the A2/O process showed that when dosing method of methanol was 1∶2∶0, addition concentration was 400 mg/L, the A2/ O system run well. The removal rate of TN, NH3—N , TP and COD were 86.64, 87.84%, 94.87% and 89.18%, and the effluent concentration of TN, NH3—N, TP and COD were 0.46, 15.21, 7.18 and 42 mg/L.

A2/O process; fiber carrier media; type of carbon source; adding method

2016-06-15.

黑龙江省自然基金(2013E54).

熊 峰(1991-)，男，硕士，研究方向：废水处理技术与应用.

李永峰(1961-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：微生物及污水处理.

X703

A

1672-0946(2017)01-0041-07