两种污水处理工艺反硝化聚磷比较研究

2020-07-06陈腾殊林克涛徐建宇

昆明冶金高等专科学校学报 2020年1期

陈腾殊，林克涛，徐建宇

(1.泉州师范学院资源与环境科学学院，福建泉州 362000;2.昆明钢铁控股有限公司,云南昆明 650302)

0 引言

反硝化聚磷菌(DPB)是一类在厌氧/缺氧交替环境下富集的微生物，它能够以硝酸盐作为电子受体，利用同一碳源在同一环境中实现同步反硝化和聚磷[1-2]。与传统的好氧聚磷菌(PAOs) 相比，反硝化聚磷菌能同时完成脱氮除磷，避免了反硝化菌与聚磷菌对碳源的争夺，实现了“一碳两用”，提高低碳源条件下脱氮除磷效率[3-4]，不仅节省了能耗，还降低了污泥产量[5]。近年来对于反硝化聚磷菌在污水处理工艺中的存在条件、存在比例与污水处理工艺和运行方式的关系研究还鲜有报道[6-7]，因此本研究以2种不同的污水处理工艺活性污泥为研究对象，构建一个可复制的分析厌氧释磷、好氧聚磷和反硝化聚磷实验研究，旨在为优化污水处理厂运行方式，改良除磷性能提供理论支持。

2 试验材料与方法

2.1 活性污泥来源

2种工艺污泥来源分别是：CAST生物处理工艺活性污泥取自泉州城东污水处理厂，卡鲁塞尔氧化沟处理工艺活性污泥取自东海污水处理厂，污水厂污泥均取自好氧段出口活性污泥。

泉州城东污水处理厂于2017年改造修建，建设规模为45 000 t/d，采用CAST生物处理工艺，污水处理设施主要包括粗格栅、进水泵房、细格栅、旋流沉砂池、CAST生物池(厌氧、缺氧和好氧区比例为1∶2∶1)、接触消毒池、尾水泵房、鼓风机房和污泥脱水车间等。

东海污水处理厂于2017年改造建设，设计规模25 000 t/d，采用卡鲁塞尔氧化沟处理工艺，污水处理设施主要包括泵房，细格栅、旋流沉砂池、卡鲁塞尔氧化沟(曝气区和非曝气区比例为1∶1)、二沉池、消毒设施、污泥缓冲池、污泥脱水间等。

2.2 试验方法

每种污水处理工艺活性污泥实验取样分为3个部分：厌氧释磷、好氧聚磷、反硝化聚磷。实验在25 ℃的温度下进行，将从2种工艺获得的等量活性污泥水样置于密闭的反应装置中，加入碳源(NaAc，COD为200 mg/L)，厌氧过程共3 h，取样时间分别为0 h、1 h、2 h、3 h。厌氧3 h结束后，将活性污泥分为2份倒入红色桶内，每个桶中为4 L泥水混合物，其中一份加入浓度为40 mg/L硝酸盐氮，另一份进行曝气处理，分别在时间为3.25 h、3.5 h、4.0 h、5.0 h、6.0 h、7.0 h时进行取样(时间是延续厌氧过程后)，溶解氧控制在2.0～3.0 mg/L。为了在厌氧和缺氧阶段使活性污泥保持悬浮状态，保持一定的搅拌频率。取样后的水样用离心机快速泥水分离，取得上清液进行实验。

2.3 水质分析方法

所取水样经离心(3 000 r/min)5 min后测试，化学需氧量(COD) 采用重铬酸钾法，硝态氮(NO3--N)采用双波长分光光度法，总磷(TP)采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。

3 结果与讨论

3.1 CAST工艺中活性污泥的除磷特性

CAST工艺中活性污泥的反硝化聚磷和好氧聚磷特性如图1所示：在厌氧阶段，反应系统中的COD随着反应时间的延长，其浓度由216.48 mg/L下降至160.98 mg/L，此时COD主要是供给聚磷菌合成PHB，表现为释磷过程。总磷浓度由5.58 mg/L升至21.39 mg/L，由此说明活性污泥中有除磷菌的存在，在厌氧阶段表现出良好的释磷现象；同时发现在厌氧阶段硝酸盐氮浓度基本保持稳定。

由图1可知，在好氧阶段，曝气后马上开始聚磷，说明该系统中聚磷菌活性较强，对环境变化比较灵敏。COD浓度从160.96 mg/L下降到76.33 mg/L，总磷浓度从21.39 mg/L下降到8.05 mg/L，表现出良好的脱氮除磷性能。在缺氧阶段，反硝化聚磷过程中，总磷从21.39 mg/L下降到12.48 mg/L，硝酸盐浓度从41.08 mg/L下降至8.33 mg/L，表现出良好的反硝化聚磷性能，主要因为碳源(电子供体)和硝酸盐(电子受体)没有同时存在，并且在反硝化聚磷过程中有足够的硝酸盐才保证了该系统中反硝化聚磷的顺利进行。

图1 CAST工艺中活性污泥厌氧释磷和好氧聚磷特性 Fig.1 Anaerobic phosphorus release and aerobic phosphorus accumulation characteristics of activated sludge in CAST process

3.2 A/O 工艺中活性污泥的除磷特性

在城市污水厂的A/O工艺中，取回的活性污泥其厌氧释磷、好氧和缺氧聚磷实验结果如图2所示，在厌氧阶段，COD浓度从232.16 mg/L下降至194.88 mg/L，总磷从1.58 mg/L升至18.72 mg/L，说明活性污泥表现出明显的释磷现象，硝酸盐氮变化不明显。在好氧阶段，总磷浓度从18.72 mg/L下降到8.67 mg/L；对比反硝化阶段，总磷浓度从18.72 mg/L下降至15.42 mg/L，总磷浓度变化不大，硝酸盐氮浓度从42.48 mg/L下降至5.83 mg/L，COD浓度从194.88 mg/L下降到69.63 mg/L，却没有明显的反硝化聚磷现象，其主要原因可能是在缺氧段有大量外碳源存在时，反硝化聚磷菌优先利用碳源进行内PHB积累而不是过量吸磷，当系统中的碳源较少或没有时，反硝化聚磷菌才会利用体内积累的PHB摄磷，所以进入缺氧段，较高浓度的COD会直接影响反硝化聚磷的效果。在没有发生反硝化聚磷现象时硝酸盐浓度依旧下降，是因为污泥中反硝化菌与反硝化聚磷存在碳源的竞争，通常是反硝化菌优先利用碳源进行反硝化反应，COD浓度也随之降低。

图2 A/O工艺中活性污泥厌氧释磷和好氧聚磷特性Fig.2 Anaerobic phosphorus release and aerobic phosphorus accumulation characteristics of activated sludge in A/O process

3.3 污水厂处理不同工艺反硝化性能对比

根据对污水处理厂的CAST工艺和A/O工艺活性污泥反硝化聚磷实验可知，CAST工艺和A/O工艺都表现出一定的好氧和缺氧聚磷，2种工艺中好氧聚磷率均高于缺氧聚磷率，CAST工艺中好氧聚磷效率为3.34 mgP/h，反硝化聚磷效率为2.23 mgP/h，反硝化聚磷菌所占比率为2.23/3.34 = 66.8%。A/O工艺中好氧聚磷效率为2.54 mgP/h，反硝化聚磷效率为0.83 mgP/h，反硝化聚磷菌所占比率为0.82/2.54 = 24.9%，由此可见CAST工艺反硝化聚磷效率优于A/O。对2种工艺进行比较分析可知，CAST工艺厌氧、缺氧和好氧区比例为1∶2∶1，水力停留时间为8 h，A/O工艺厌氧/好氧时间比为1∶1，水力停留时间为7 h，说明反硝化聚磷能力较强的CAST工艺具有较长的厌氧/缺氧区，污水处理工艺中较长的厌氧/缺氧时间有利于反硝化聚磷菌的富集。