升流式厌氧污泥床反应器同时去磷除氮试验研究

蒋颖 郑应亨 黄健盛 陈婷婷

(1. 重庆科技学院建筑工程学院， 重庆 401331；2. 重庆科技学院机械工程学院， 重庆 401331；3. 重庆市环境科学研究院， 重庆 401147)

升流式厌氧污泥床(UASB)反应器是一种高效厌氧处理系统，在目前的厌氧处理中应用广泛[1]。UASB反应器厌氧处理过程具有厌氧过滤法及厌氧活性污泥法的双重特点，适用于各种废水的有机负荷的去除处理。如果要去除废水中的N、P等物质，还需要在后续工艺中进一步处理[2]。

微氧处理技术是近些年发展起来的一种新兴技术。通常认为，当反应器环境内溶解氧的质量浓度为0.3～1.0 mg/L时，即形成微氧环境。在这种微氧环境中，可通过培养微氧颗粒污泥的方式降解有机物[3-4]。传统的废水处理工艺研究中，厌氧生物处理与好氧生物处理的方式各自独立，相互补充。随着研究的不断深入，厌氧微环境的存在被证实，说明好氧菌和厌氧菌能够在同一个系统中共存[6-7]。

本次研究是在UASB反应器中驯化培养污泥，形成微氧-厌氧微生物环境，进行去磷除氮试验。

1 UASB反应器去磷除氮试验

1.1 试验装置

反应器由有机玻璃制成，其有效反应容积为4.1 L，反应器的内径为8 cm，反应区的有效高度为0.81 m。为调节试验过程中反应器内的温度，在反应器外包裹一层保温电线。在反应器中部设置有6个搅拌叶片，搅拌机转速为30 r/min，使污染在反应器中能形成悬浮状态。试验中UASB反应器通过程序控制，自动运行。UASB反应器试验流程如图1所示。

图1 UASB反应器试验流程

模拟废水从水箱通过水泵进入反应器，在反应器中部经由搅拌叶片搅拌，再经过曝气、沉淀以调节微氧环境，最后通过出水口进行排水、排泥及采样。反应器持续进水，且同时持续出水。反应器温度保持36～38 ℃。pH保持6.5～8.3，微氧环境中溶解氧(DO)小于等于0.48 mg/L。

1.2 接种污泥及人工配水

接种污泥采自重庆大九污水处理厂，由3/4的絮状污泥以及1/4的颗粒污泥组成。经测定，接种污泥的质量浓度(MLSS)为80 000 mg/L。在试验过程中，采用人工配水，配水成分见表1。

表1 配水成分

1.3 分析方法

本次试验中各测量指标及其主要分析方法如表2所示。

表2 本试验测量指标及其主要方法

2 试验结果分析

驯化培养成功后，系统内即形成稳定的微氧-厌氧微生物环境。经测定，污泥质量浓度(MLSS)为159 33.3 mg/L，进水流速为15.66 L/d，水力停留时间为12 h。系统稳定以后，连续运行3个月。在此期间，每天取样保存，进行测定。

2.1 脱氮能力

反应器中氨氮(NH3— N)的去除效果如图2所示。其中，进水氨氮的质量浓度为52.57～65.43 mg/L。模拟废水经过反应器处理，出水平均质量浓度为5.02 mg/L，去除率为86.06%～96.78%，平均去除率为91.65%。

模拟废水中N负荷来自于NH4Cl，故氨氮质量浓度与总氮(TN)相近。进水总氮质量浓度为58.01～66.42 mg/L，出水总氮平均质量浓度为8.45 mg/L，均略高于NH3-N浓度。相对于氨氮，总氮去除效率较低，为77.88%～93.09%，平均去除率为86.32%。反应器中总氮的去除效果如图3所示。

图2 反应器中氨氮的去除效果

图3 反应器中总氮的去除效果

2.2 脱磷能力

图4所示为微氧-厌氧UASB反应器中总磷(GP)的去除效果。其中，进水总磷质量浓度为9.54～12.88 mg/L，出水总磷平均质量浓度为2.61 mg/L。微氧-厌氧体系在脱氮情况下对总磷的去除率为74.12%～82.27%，平均去除率为78.00%。

图4 反应器中对总磷的去除效果

在传统UASB反应器中，可去除废水中有机负荷，但几乎不具备去磷除氮的功能。在UASB反应器中培养构建微氧-厌氧体系，就可以在脱氮的情况下同时达到除磷的目的。磷的释放及反硝化的过程中，都需要以有机物作为能源来消耗。系统在去磷除氮的同时，也可以去除化学需氧量(COD)。

2.3 COD去除能力

图5所示为反应器中COD的去除效果。其中，进水COD为5 895～6 120 mg/L。微氧-厌氧UASB反应器在氮、磷负荷处理效果较好的情况下，COD去除率为76.94%～85.48%，出水平均COD为1 113.89 mg/L，平均去除率为81.38%。

图5 反应器中COD的去除效果

3 反应特性分析

3.1 微氧颗粒特性研究

在颗粒污泥研究中，污泥粒径这项关键性指标，能直观反映污泥培养的效果。驯化微氧颗粒，对培养完成的颗粒污泥进行观察，观察结果如图6所示。污泥粒径在厌氧培养阶段逐渐增大，稳定之后以1～2 mm粒径为主；经过间歇微氧期，颗粒在受到微量溶解氧的冲击作用下部分解体，并且原本相对稳定的污泥粒径也在此作用下逐渐减小。随后，微生物逐渐适应微氧环境，颗粒污泥又逐步增大，恢复到以1～2 mm粒径为主，但其占比相对厌氧阶段减少。

由于溶解氧的冲击，微生物颗粒在驯化培养过程中部分解体，污泥含量相比培养初期相对减小，MLSS由厌氧期的80 000 mg/L降至15 933.3 mg/L，其颜色也由厌氧时的黑色变为了灰黑色。

3.2 系统反应特性分析

污水生物处理过程中的脱氮分氨化、硝化和反硝化等3个步骤完成[8]。污水生物脱氮的基本原理如下：首先含氮有机物被异养型微生物转化为氨氮；然后，在好氧(Oxic)条件下，通过好氧的自养型硝化和亚硝化菌的作用，将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮；最后，在缺氧条件下，利用反硝化细菌(脱氮菌)将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气从废水中逸出，从而达到从污水中脱氮的目的。污水中磷的存在形式取决于污水的类型，最常见的是磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷[9-11]。污水生物除磷是通过厌氧段和好氧段的交替操作来完成，利用活性污泥的超量吸磷特性，通过排放富磷污泥，达到从污水中除去总磷的效果[12]。基于生物脱氮、脱磷的基本原理，在UASB反应器内的微氧环境中，主要同时进行硝化、反硝化反应(SDN)，以及短程同步硝化、反硝化反应，从而在去除COD的同时，达到去磷除氮的目的。

图6 微氧颗粒驯化完成后观察图

4 结 语

本次试验，在UASB反应器中驯化培养污泥颗粒，形成微氧-厌氧微生物环境系统，氨氮、总氮、总磷和COD的平均去除率分别达到91.65%、86.32%、78.00%和81.38%。在微氧环境中，微氧冲击导致颗粒部分解体，粒径略微变小。在后期系统稳定情况下，对反应器处理并未产生不良影响。与传统UASB反应器相比，本次试验中对COD的处理效果相对减弱。但是，由于微氧环境引起的同时硝化、反硝化反应(SDN)以及短程同步硝化、反硝化反应，使得同步去磷除氮得以实现。 微氧-厌氧UASB反应器中对于废水中的COD负荷及氮、磷负荷均有较好的去除效果。与其他水处理工艺相比，其成本低，耐冲击，易于操作，且处理效果好，具有市场发展潜力。控制好微生物环境中的溶解氧及反应器中的各项运行参数,是将其成功投放到工程实际应用需解决的关键技术。