混合液回流比对一体化组合系统脱氮除磷的影响及物料衡算分析

李冬冬+夏姣+刘绍根+刘晨

摘要：在污泥回流比r=100%条件下，分别设定混合液回流比R=100%、200%、300%和400%，试验研究了其对生物絮凝-水解酸化-A2/O一体化组合系统去除C、N、P的影响。结果表明：4种工况下出水COD均低于35 mg/L，皆能达到1级A标准；TN平均去除率分别为53.23%，62.01%，71.95%，58.31%；TP的平均去除率分别为84.78%、87.77%、90.24%和87.26%。通过物料衡算发现，在最佳工况下，整个系统中有18.05%的TN是通过生物絮凝池去除的，有76.39%的TN是通过缺氧池去除的，另外好氧池对TN的去除十分有限，只占整个系统的5.56%。4种内回流比条件下反硝化除磷占除磷的百分比分别为：11.06%、22.86%、29.31%和24.56%。混合液回流比的改变对COD去除效率的影响不大，对氨氮去除效果也无明显差异，系统对总氮的去除效果随着混合液回流比的增大呈先上升后减小的趋势，混合液回流比的改变对除磷效果产生间接的影响，在R=100%～300%时，反硝化除磷效果随着混合液回流比的增大而增大，但是随着混合液回流比的进一步增大，除磷效果反而降低，综合考虑系统的去除COD和脱氮除磷效果，确定最优工况为混合液回流比R=300%。

关键词：一体化组合系统； 混合液回流比； 脱氮除磷； 物料平衡

中圖分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0064-04

1 引言

城市生活污水普遍存在碳氮比较低的问题[1]，碳源不足会导致污水处理效果降低，脱氮除磷反应不彻底，出水不达标。对于一些成分比较复杂、可生化性比较差的工业废水，这一问题更加明显。针对碳源不足这个问题，实际工程应用中采用较多的是投加碳源（例如乙酸钠）这一方法，虽然这会使得污水处理效率得到提高，但同时也大大的提高了污水处理的成本。本研究课题采用了一体化组合工艺，由生物絮凝、水解酸化和A2/O三个部分组成。此装置的特点是利用生物絮凝的絮凝吸附作用去除污水中的大分子和难降解有机物，产生的絮凝污泥经水解酸化工艺将之前吸附的大分子、难降解有机物转化成能够被微生物利用的溶解态小分子有机物，再作为外加碳源经过计量泵投加到A2/O的缺氧池中，提高系统的脱氮除磷效果。

目前国内外学者对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素、工艺特点等方面的研究正在不断加深，与此同时，出现了倒置A2/O工艺、UCT工艺、改良式A2/O工艺、三环式A2/O工艺等多种工艺流程[2]。但是大部分研究多集中在脱氮除磷效果和去除机理上，对工艺中的C、N、P的物料衡算分析研究较少。在改良型A2/O工艺中，混合液回流比是重要的工艺控制参数，对系统的脱氮和除磷均产生重大的影响[3]。通过考察混合液回流比对生物絮凝-水解酸化-A2/O一体化组合系统去除C、N、P的影响，对系统参数进行优化，确定最优工况并分析了混合液回流比对系统的污染物去除影响规律及其物料衡算。

2 试验材料与方法

2.1 试验用水

本试验使用的污水取自合肥市朱砖井污水处理厂的曝气沉砂池末端，活性污泥取自朱砖井污水厂SBR池，ABR反应器使用的底物污泥是初沉池底部流入反应器的絮凝吸附污泥，接种污泥是已培养成熟的水解酸化污泥。水质指标如表1所示，絮凝污泥、水解酸化液的性质分别如表2、表3所示。

2.2 试验装置与工艺流程

本试验所用装置为一体化组合系统，主要由生物絮凝吸附、水解酸化以及A2/O工艺组成，启动期间环境温度在25℃左右，装置示意图如图1所示。

生物絮凝部分由生物絮凝池和初沉池组成，主要是通过生物絮凝作用收集污水中悬浮态、胶体态等有机物[4]。进水与好氧池回流的活化污泥（通过计量泵来完成回流）在絮凝池内搅拌混合，回流量为0.5Q，絮凝池污泥浓度保持在1500～2500 mg/L范围内，混合液流入初沉池，在初沉池内完成泥水分离，上清液流入A2/O的厌氧池中，池底的污泥有一部分重力自流至水解酸化池，另外一部分作为剩余污泥从排泥口排出系统。系统的处理水量为50L/h，絮凝池和初沉池的水力停留时间（HRT）均为30 min，该部分的污泥龄（SRT）设定为3 d。

A2/O工艺主要由厌氧池、缺氧池、好氧池以及二沉池构成。厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间分别为2 h、2 h、8 h，容积分别为0.2 m³、0.4 m³、1.6 m³。初沉池的上清液和回流污泥在厌氧池中混合，池中装有搅拌器，有利于泥水充分混合以便完成厌氧释磷的过程[5]。随后泥水混合液将进入缺氧池中，在该池中与好氧池回流的硝酸盐混合液混合，该池中会发生反硝化脱氮反应及反硝化除磷反应[5]。之后混合液会进入好氧池，曝气量通过流量计控制，DO控制在2～3 mg/L之间，有机物在此进一步降解、聚磷菌摄取磷等过程均在好氧池发生[6]。最后好氧池中的泥水混合液会进入二沉池进行泥水分离，上清液作为系统的总排水排除系统，底部的污泥一部分作为回流污泥通过计量泵抽回至厌氧池中，另一部分为剩余污泥由排泥口排出系统[7]。控制排泥量，将MLSS维持在3.0～3.5 g/L之间。设定二沉池污泥回流体积比为100%，并设置了4组内回流系统的运行工况：分别为100%、200%、300%和400%。

水解酸化部分由ABR反应器和一个碳源储备池组成，主要功能是对生物絮凝污泥进行厌氧产酸反应，产生挥发性脂肪酸（VFA）等易被生物利用的有机物作为系统脱氮除磷的碳源[8]。接种污泥取自实验室已有水解酸化反应器中培养成熟的水解酸化污泥，底物污泥来自初沉池底部的部分絮凝污泥流至上下流式的ABR反应器里，经过10 h的水力停留时间后水解酸化至碳源储备池中。运行稳定好，水解酸化液中COD、氨氮和磷酸盐平均值为325 mg/L、22 mg/L、1.9 mg/L。水解酸化液可通过计量泵投加至A2/O部分的缺氧池或厌氧池中，投加量为1/3Q。

2.3 分析项目及方法

本试验检测的污泥指标主要有混合液悬浮固体浓度（MLSS），污水指标主要有化学需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、总氮（TN）、总磷（TP）以及间歇监测溶解氧等。检测方法主要参照标准方法[9]测定：COD采用快速密闭催化消解法；TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；氨氮采用纳氏试剂光度法；TP采用钼酸铵分光光度法。

3 结果与讨论

3.1 混合液回流比对COD去除的影响规律

在设定污泥回流比r=100%条件时，通过改变混合液回流比，来探究其对一体化组合系统COD去除的影响规律。表4所示为一体化组合系统在不同工况下COD的沿程变化情况，从表中可以看出，四种工况下出水COD皆能达到1级A标准，其中，当R=300%时，系统对COD的去除效率最高，但是四种条件下差别不是很大。COD的第一次大量去除主要发生在生物絮凝池中，生物絮凝工艺对COD的去除率分别为52.25%、52.33%、52.41%和53.50%。COD的第二次大幅度降低主要发生在厌氧池中，这是由于厌氧池中聚磷菌大量利用有机物合成体内PHB进行厌氧释磷造成的[10]。然而缺氧池与厌氧池出水COD相近，有时甚至偏高是因为在缺氧池中投加了水解酸化液。最后，缺氧池出水进入到好氧池中，在曝气条件下易氧菌对有机物的降解作用，COD进一步降低。可以发现，一体化组合系统对COD的去除效果受混合液回流比的影響较小，可能污水中有机物的可生化性和污泥浓度对其影响更大，当然这也需要后续的相关试验来论证。

3.2 混合液回流比对脱氮的影响规律及物料衡算

在4种不同混合液回流比条件下，一体化组合系统对氨氮去除效果无明显差异，平均去除率分别为97.42%、98.07%、98.34%、98.79%，其中生物絮凝吸附工艺对氨氮去除率分别为22.96%、20.96%、20.34%和20.77%。在100%～400%内回流下，氨氮均有很好的去除效果，出水氨氮均小于1 mg/L。在混合液回流比分别为R=100%、200%、300%、400%条件下，对应的TN平均去除率分别为53.23%、62.01%、71.95%、58.31%。试验结果表明，系统对总氮的去除效果随着混合液回流比的增大呈上升的趋势，如图2所示，混合液回流比为300%时，TN去除效果最好，出水TN最低，能够稳定在15 mg/L以下，达到一级A标准。但当内回流比上升到400%时，总氮的去除率却下降到58.1%，这可能有以下两点原因：①混合液回流比例过高，带来了大量的溶解氧，破坏了缺氧池的反硝化环境。②硝化液此时虽多，但是碳源供给不足。

一体化组合工艺对TN的的去除是通过生物絮凝工艺（含有大量硝化液的活化污泥回流至絮凝吸附池，在搅拌条件下发生一定程度的反硝化反应）、缺氧池中的反硝化过程和好氧池中发生的同步硝化与反硝化共同造成的。为进一步分析系统各池的脱氮情况，根据物料衡算公式，对最佳内回流比条件下系统各池的总氮进行物料衡算。计算式如下[11]：

计算得到在最佳回流比条件下，系统中生物絮凝工艺的平均单位体积脱氮量为68.52 mg/（L·d），缺氧池为252.78 mg/（L·d），好氧池为35.49 mg/（L·d）。各反应池占系统对TN去除百分比分别为18.05%、76.39%和5.56%。可见系统对TN的去除主要是由缺氧池中反硝化作用完成的，其次是大量的硝化液回流至絮凝吸附池发生一定程度的反硝化完成的，好氧池发生的同步硝化反硝化所占比例很小（图2）。

3.3 混合液回流比对除磷的影响规律及物料衡算

在四种不同的混合液回流比条件下，对应的系统对TP的平均去除率分别为84.78%、87.77%、90.24%和87.26%。混合液回流比为300%时，系统出水TP达到最低，平均值为0.34 mg/L，四种工况下出水TP平均值均能保持在0.5 mg/L以下，达到一级A标准。系统对TP的去除主要是通过缺氧反硝化除磷和好氧吸磷来完成的[12]。如图3（a）所示，混合液回流比的变化对厌氧释磷的影响并不大，而对缺氧池的出水TP影响很大。这可能有以下两种原因：混合液回流比的改变，对缺氧池的稀释作用也随着改变，进而影响缺氧池出水TP的浓度；混合液回流比的改变影响了缺氧池中反硝化除磷的能力。为进一步分析两阶段的除磷情况，对缺氧反应池进行物料衡算，计算式如下：

可算出在4种不同内回流比条件下，缺氧池和好氧池对TP的去除百分比如图3（b）所示。从图中可以看出，四种内回流比条件下缺氧池占除磷的百分比分别为：11.06%、22.86%、29.31%和24.56%。可以发现，随着混合液回流比的增大，缺氧池中反硝化除磷比例呈现先增大后减小的趋势。这可能是因为随着混合液回流比增大，带到缺氧池的硝酸盐氮增多，而硝态氮可作为反硝化除磷的电子受体，增强了反硝化除磷的能力[13]。但当内回流比增加到400%时，缺氧池除磷的比例开始减小，这可能是由于混合液回流比进一步增大虽然带来了更多的电子受体，但是也使得污泥在缺氧池和好氧池之间循环的几率增大而大部分污泥不能进入厌氧池，大多数微生物不能经历完整的A2/O循环过程，使得聚磷菌无法获得较高的吸磷动力，从而影响了反硝化除磷的能力。

4 结论

在外回流比r=100%条件下，分别考察混合液回流比为R=100%、200%、300%和400%时一体化组合系统对污水中主要污染物去除的影响。研究发现，混合液回流比的改变对COD去除效率的影响不大，平均去除率分别为83.07%、84.61%、87.69%和87.28%，出水COD均小于50 mg/L。内回流比的改变对氨氮去除效果也无明显差异，平均去除率分别为97.42%、98.07%、98.34%、98.79%，出水氨氮均小于1 mg/L。系统对总氮的去除效果随着混合液回流比的增大呈上升的趋势，混合液回流比为300%时，TN去除效果最好，去除率达到71.95%，出水TN最低，能够稳定在15mg/L以下，混合液回流比的改变对除磷效果产生间接的影响，其去除影响规律和总氮保持一致，混合液回流比为300%时，系统对TP去除效果最好，去除率达到90.24%，出水TP达到最低，平均值为0.34 mg/L。综合考虑系统的去除COD和脱氮除磷效果，确定最优工况为混合液回流比R=300%。

通过物料衡算发现，缺氧池在系统脱氮除磷过程中发挥了举足轻重的作用，整个系统中有76.39%的TN是通过缺氧池去除的，TP也有29.31%是通过缺氧反硝化去除的。TP在好氧池中继续通过PAOs的吸磷作用得到去除，比例达到70.29%。对系统深度除磷起着至关重要的作用。另外好氧池对TN的去除十分有限，只占整个系统的5.56%，主要是以氨氮硝化作用为主，系统提高脱氮的效果关键还是在于促进缺氧池的反硝化效果。

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