HRT对A/O工艺生化处理低磷污水的影响

2020-06-05陈正洋

建筑与预算 2020年4期

陈正洋，罗迪

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

磷是自然界生命体维持正常生命的基本元素，磷作为营养源，不同生命体对废水中磷的摄取量是不相同的，每一菌种对其摄取的浓度都有最适范围，超出或低于这一范围该生物的生长及生理性能会受到或多或少的影响或抑制[1]。2000年，丁峰等[2-8]通过石油化工废水缺乏氮、磷的试验，首次证明进水底物中缺少N、P将会引起丝状菌污泥膨胀，同时通常伴随着底物去除率的下降。然而在后续的试验中发现，虽然在单独磷缺乏的状态下，活性污泥系统容易发生非丝状菌膨胀，但是在多数情况下此类营养物质缺乏引起的污泥膨胀可通过添加足够营养物质来恢复和控制，适当提高有机负荷有助于控制N、P缺乏引起的污泥膨胀。王建芳等[3]发现通过提高BOD5/P比，同时增加曝气量的方式，可以改善污泥的沉降性能。据有关资料报道，微生物正常生命活动最佳营养物质比例为C/N/P为100 : 5 : 1，在实际污水中，磷富余的情况比较常见，众多学者对C/P小于100 : 1的情况研究的比较多。2011年，Xiao等[7]报道了在恒定的C/N比条件下，TN去除效率会随着进水中磷浓度的降低而降低。低磷浓度对NH4+-N和总氮的去除效率有着明显的负面影响，甚至导致污泥膨胀。

在现有的研究中，已经探究过的最低的C/P为1000 : 1[1-2,4,7]，没有尝试对更低磷浓度的探究。因此尝试通过试验在极低的BOD5/P条件下，探究水利停留时间对缺氧-好氧工艺的影响。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用序批式活性污泥反应器（SBR），采用缺氧-好氧运行方式。反应器材质为有机玻璃，高1m，内径0.14m，侧壁垂直方向每隔0.1m设定排水口。装置底部为圆弧形并装有阀门，便于定期排泥。同时，底部装有微孔曝气盘，采用空气泵对系统提供曝气气体来保证曝气阶段的进行，空气管路上设有流量计调节曝气量的大小。装置内部设有搅拌器及加热装置，机械搅拌速率为60r/min以保证缺氧阶段活性污泥能够混合均匀。通过原水水箱内装有连接时控开关的潜水泵自动给反应器进水。

1.2 进水水质

试验用水采用人工模拟污水。模拟污水水质pH值 7.2～8.0，COD 320mg/L左右，氨氮20mg/L左右，TP 0.056mg/L辅以微量元素液。用葡萄糖提供碳源，NH4Cl提供氮源，KH2PO4提供P源，MgSO4和CaCl2提供对钙、镁离子的需求，NaHCO3提供水中所需碱度。模拟污水水质如表1

表1 模拟污水成分及水质参数

1.3 检测分析方法

COD：快速密闭消解法（光度法）；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；pH值：玻璃电极法；SV：30min静沉法；MLSS/MLVSS：标准重量法。TP ：过硫酸钾氧化-锑抗分光光度法；

1.4 试验方法

缺氧-好氧反应器使用时控开关自动控制完成进水、搅拌、曝气及排水过程，实现反应器自动运行。反应器每天运行三个周期，每周期运行8h。每周期包括10min进水，2h缺氧搅拌，4h好氧曝气，1h沉淀，10min排水及闲置1h，六个阶段。每周期进水及排水均为3L，水力停留时间（HRT）为32h。污泥浓度稳定在4000mg/L左右。温度20～25℃，溶解氧5mg/L左右。

2 结果与讨论

2.1 对COD的去除效果

图1为反应器一个周期内COD的浓度变化。COD进水浓度为320mg/L左右，经过水泵定时给反应器补充水量。污水进入到反应器里面跟未排放的水混合，进水COD被稀释，COD从320mg/L降低到126.63mg/L左右。反应周期前2h为缺氧阶段，在反硝化作用下碳源被快速消耗，1h以后COD降低到了58.17mg/L，缺氧阶段结束以后COD含量已经小于50mg/L，降低到34.20mg/L。随后在好氧阶段，COD缓慢的降低，反应周期结束时COD含量为16.07mg/L，COD去除率达到了94.97%。这说明在HRT为32 h，P/COD为1：5000的条件下缺氧-好氧运行方式对COD有很好的去除效果，出水COD达到了城镇污水处理厂污水排放标准（GB18918-2002）一级A标准。在进水磷缺乏状态下，活性污泥系统去除COD的能力并未受到明显的影响，这与于振波等[6]的研究结果相一致。

图1 COD周期内变化情况

在HRT为32h，P/COD为1：5000的条件下，反应器进水COD浓度在290～320mg/L之间，出水COD 浓度虽然有微小的起伏，也是基本稳定在18mg/L左右，COD去除率都达到了92%以上。肖静等[4]在P/COD分别为1：500、1：250、1：156，HRT 等于 7h的情况下反应器COD的出水浓度分别为70.86mg/L，40.47mg/L，14.81mg/L。张静雅等[5]在HRT为8.5 h，其中缺氧段停留时间为5h，好氧段停留时间为3.5 h时，出水COD基本稳定，出水小于30mg/L，去除率达到86%。相比之下，反应器在磷浓度极低，HRT 为32h的条件下COD也能几乎完全去除。这说明反应器COD中是比较容易被去除的，消耗COD的途径比较多是一个原因，还有反硝化比迅速，一般在2h之内就能完成全过程，所以在缺氧时间为2h时，碳源的消耗的比较完全的。

图2 HRT =32h时COD进水、出水变化情况

图3 氨氮周期内变化情况

在反应周期前2h为缺氧阶段，反应器内主要进行反硝化反应，此时消耗了碳源，而氮源的消耗很少。2h以后主要发生硝化反应，随着曝气时间的增加，反应器内溶解氧含量增大，氮源的消耗速率也逐渐增加。通常情况下，在C/N比一定的情况下，TN的去除会随着磷浓度的下降而降低。通常低碳水平对氨氮的去除几乎没有影响，低磷浓度对氨氮和TN的去除效率有明显的负面影响，甚至导致污泥膨胀[7]。如图4所示，反应器在HRT为32h的条件下一共运行了19d。反应器进水氨氮浓度大概19～21mg/L之间，出水氨氮浓度一直都保持在5mg/L以下。达到了国家规定的排放标准。第2天出水氨氮浓度为0.46mg/L，之后的氨氮浓度都低于0.3mg/L，硝态氮和亚硝态氮积累量分别有5.86mg/L和0.059mg/L，存在有少量的硝酸盐积累。而且在运行期间并未出现污泥膨胀现象。此结果出现的原因有可能是较高的溶解氧含量加速了硝化作用的进行，使亚硝化菌和硝化菌在短时间内就能够把氨态氮转变成硝酸盐。还有一个可能的原因是氮负荷太低，试验周期内氮的容积负荷（Nv）在15.45(KgN/m3·d)，较低的氮负荷能够被活性污泥内丰富的菌种快速的消耗殆尽。在磷浓度极低的条件下，反应器出水中仍然能够检测到极少的磷，进水磷浓度为0.056mg/L，出水磷浓度0.0013mg/L。说明仍然有剩余的极少量的磷存在污水中。据此猜测活性污泥的必需磷（生命活动所必需的的磷）含量是极少的，活性污泥中的磷循环是一个连续的过程，死去的细菌中分解出来的磷和重新外加的磷足够供给活细菌的生命活动，以此使反应器中的磷含量达到一个稳定的水平。

图4 HRT=32时氨氮进水、出水变化

2.3 微生物以及污泥性状

图5 污泥浓度、SV和SVI值情况

试验期间一直保持着对污泥浓度的检测，由图5可以看出污泥浓度一直保持在4000mg/L左右。试验期间活性污泥的沉降性非常好，试验期间并未发生污泥膨胀现象，这与王建芳[3]等的研究成果相似，30min沉降SV值在11mL左右，而且沉降非常迅速。SVI值在25左右，低于正常的SVI范围。出现这个现象可能是由于曝气量很足，导致污泥比较松散，污泥的粒径比较小的原因。但是并没有影响出水效果，经过长时间的驯化，活性污泥内存在钟虫，轮虫等以及甲壳类的小动物，说明活性污泥对污水的处理效果良好。

图6 物种丰度饼图2D图

由图6所示，A/O工艺的活性污泥系统中按family（科）水平物种丰度及占比为：Aeromonadaceae（气单胞菌科7.5%）、Saprospiraceae（腐螺旋菌科7.07%）Phyllobacteriaceae（叶杆菌科5.01%）、Planctomycetaceae（浮霉状菌科4.18%）Burkholderiales_incertae_sedis（3.37%）、Acetobacteraceae（醋酸菌科3.04%）、Chitinophagaceae（3.07%）等。

其中Aeromonadaceae（气单胞菌科）为需氧或兼性厌氧菌，能够发酵葡萄糖产酸。Phyllobacteriaceae（叶杆菌科）好氧微生物化能异养菌，利用各种糖或有机酸盐作为碳源。Acetobacteraceae（醋酸菌科）好氧微生物在氧气充足，糖源充足时，可以直接将葡萄糖分解成醋酸。