改良型多级A/O-MBR组合工艺对低C/N比生活污水的强化除磷

2021-03-30郑凯张子贤吴勇王万红武福平

化工进展 2021年3期

郑凯，张子贤，吴勇，王万红，武福平

（1 兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070；2 甘肃省黄河水环境重点实验室，甘肃兰州730070；3 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430000）

生物处理工艺及其组合在城镇污水处理中得到广泛应用[1-3]。然而生活污水的低碳氮比限制了生物工艺的脱氮除磷效果[4-6]。生物工艺脱氮除磷的强化是研究的难点和热点。高小波[7]采用多级A/O处理低碳源生活污水时，通过在一级缺氧池前加厌氧池对工艺进行改良，结果表明出水COD、氨氮、总氮满足一级A标准，而总磷满足一级B标准。Boelee 等[8]在低COD 生活污水工艺中加入了生物膜部分，结果表明生物膜对污水起到深度处理作用。李权等[9]发现多级A/O 耦合MBR 工艺运行时，低C/N比对氨氮、COD去除效果影响不大，工艺对总氮、总磷的去除效果不佳。王之晖等[10]利用MBR长污泥龄强化硝化作用的特点，采用A/O-MBR 工艺处理高氨氮生活污水，结果表明该工艺对低碳氮比、高氨氮的进水有着良好的去除效果，其中COD 和氨氮的平均去除率分别达97.40% 和87.20%。采用多级A/O-MBR 组合工艺对低碳氮比污水进行处理时，多级A/O-MBR 组合工艺同时具有多级A/O 工艺和MBR 工艺的优点，对碳源的高效利用实现了较好的脱氮效果，对磷仍然未达到理想处理效果。为实现磷的有效去除，化学除磷[11-12]常被应用于实际工程中，但存在成本高、产生大量污泥等不足。相对而言，生物除磷具有应用范围更广及成本低等优势。Kuba 等[13]发现，在生物脱氮除磷过程中，将传统的厌氧-好氧条件替换为厌氧-缺氧条件时，会出现大量反硝化聚磷菌富集的现象，分析工艺运行时存在反硝化聚磷菌过量吸磷的同时进行着反硝化脱氮过程，反映了生物除磷的潜力。

本研究通过改良型多级A/O-MBR 组合工艺强化处理低C/N 比生活污水的TP，考察改良型多级A/O-MBR 组合工艺处理低C/N 比生活污水时的除磷效果，并通过污泥静态分析研究该工艺的强化除磷机理，为多级A/O-MBR 组合工艺的应用及优化提供指导和依据，以期为污水处理厂提标改造工程提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由多级A/O 反应器和MBR 反应器两部分组成，反应器总体积为83.7L，MBR 池为16.5L。多级A/O 装置横向分隔成三级反应器，一级反应器包括前置厌氧段（A0）、缺氧段（A1）和好氧段（O1），二级包括缺氧段（A2）和好氧段（O2），三级包括缺氧段（A3）和好氧段（O3）。在好氧段底部设有微孔曝气管，采用空气泵进行曝气，在非好氧段采用电动搅拌器。MBR 装置采用中空纤维帘式膜加产水泵进行泥水分离，池内采用大孔曝气管件连续微曝气。改良型多级A/O-MBR组合工艺是在多级A/O-MBR 组合工艺流程的基础上，将原来回流至厌氧段（A0）的回流污泥回流至缺氧段（A1），增加从缺氧段（A1）到厌氧段（A0）的内循环。多级A/O-MBR 组合工艺流程及改良型多级A/O-MBR 组合工艺流程如图1 和图2所示。

图1 多级A/O-MBR组合工艺流程

图2 改良型多级A/O-MBR组合工艺流程

1.2 试验水质

本试验原水为校园生活污水（COD/TN 为5.250），属于典型低碳氮值生活污水，水质见表1。

表1 原水水质

1.3 分析方法

COD 采用COD 快速测定仪测定；pH 采用pH计测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；总磷、正磷酸盐采用钼锑抗分光光度法（A）测定；溶解氧用溶解氧仪测定。

1.4 试验方法

试验运行主要控制参数：1～10天为未改良工艺的运行，进水流量8.33L/h，流量分配比为50%∶35%∶15%，污泥回流比为50%，污泥龄20d，好氧段溶解氧（DO）为1.5mg/L；11～40天为改良工艺的运行，厌氧段（A0）与缺氧段（A1）之间的内循环的内回流比为25%，其他运行条件不变；工艺改良前后均在运行稳定的条件下进行沿程取样分析。

污泥静态分析试验：①分别用10L的SBR反应器取工艺运行第10、20、30、40天的回流污泥，并投加乙酸钠作为碳源、磷酸二氢钾作为磷源，初始COD 浓度为200.0mg/L，磷酸盐浓度为6.030mg/L。在厌氧条件（DO 为0.1mg/L）下进行搅拌，在150min内每隔30min取样、离心并测定上清液磷酸盐浓度。②150min 后将混合液分别倒入两个SBR反应器中，其中一个反应器中加入硝酸钾，使初始硝酸盐氮浓度为25mg/L，并在缺氧条件下（DO 为0.4mg/L）进行搅拌；另一个反应器在好氧条件下（DO 为4.0mg/L）曝气搅拌；在300min 内每隔30min分别取样检测上清液磷酸盐浓度。计算比吸磷速率v，如式(1)所示。

式中，v为比吸磷速率，mg/(g·h)；ΔC为Δh时间内磷酸盐浓度的变化量，mg/L；x 为污泥浓度，g/L；Δh为时间变化量，h。

2 结果与讨论

2.1 改良型多级A/O-MBR组合工艺性能

2.1.1 对TP的去除效果

工艺改良前后对TP 的去除效果和各处理单元正磷酸盐的沿程变化情况分别如图3 和图4 所示。从图3 可以看出，多级A/O-MBR 组合工艺改良前（第1～10 天）出水TP 平均去除率为77.78%；工艺改良后，系统运行第11～20 天出水TP 平均去除率为77.13%，系统运行第21～30 天出水TP 平均去除率为79.60%；随着改良型多级A/O-MBR 组合工艺的稳定运行，TP 的去除效果显著增强，运行第30～40天出水总磷平均去除率为86.36%。由图4可以看出，改良前后的工艺在厌氧段（A0）都有明显的磷释放，改良后的工艺释磷量明显增大，第40天的磷释放量已经是第10天的2倍左右。

图3 各阶段对总磷的去除效果

图4 各处理单元正磷酸盐的沿程变化情况

把组合工艺污泥回流的格室由（A0）室更改至（A1）室，避免了回流污泥增加厌氧（A0）室的溶解氧破坏厌氧环境，厌氧区环境的优化使聚磷菌及反硝化聚磷菌释磷充分，进而增强了聚磷菌及反硝化聚磷菌在缺氧区及好氧区的吸磷效果[14]，强化了A/O-MBR 组合工艺的除磷效果；同时，由图4 可以看出厌氧段（A0）的磷含量显著提升将使C/P 显著下降，低C/P 在抑制聚糖菌的同时促进了聚磷菌的生长[15]，厌氧段（A0）中聚磷菌数量增多将有效强化A/O-MBR组合工艺的除磷效果。

2.1.2 对COD、氨氮及TN的去除效果

图5 各阶段对COD、TN、氨氮的去除效果

改良前后工艺对COD、氨氮及TN的去除效果如图5所示。工艺改良前后系统对COD的平均去除率分别为89.65%和89.85%，因为两个阶段系统好氧段污泥负荷在0.1200～0.1600kgCOD/kgMLSS·d 之间，均属于低有机负荷运行，系统去除有机物容量充足，均能够很好地去除原水中COD；较低的氨氮负荷也使得工艺改良前后对氨氮均有良好的去除效果，工艺改良前后系统对氨氮的平均去除率分别为95.06%和95.24%；工艺改良前后系统对TN的平均去除率分别为73.34%和75.44%，改良型多级A/OMBR 组合工艺能小幅提升系统对TN 的去除效果，分析原因为改良型多级A/O-MBR 组合工艺的反硝化聚磷菌在厌氧区充分释磷之后，在缺氧区以硝酸盐氮为电子受体进行吸磷，硝酸盐被还原成了氮气，反硝化聚磷菌本身可以通过代谢在除磷的同时实现反硝化脱氮，在不增加额外碳源消耗情况下增加了反硝化脱氮这一途径，解决了传统工艺脱氮除磷时对碳源竞争[16-17]，从而提高了TN的去除率。

2.2 改良型多级A/O-MBR组合工艺的反硝化除磷

将原来回流至厌氧段（AO）的回流污泥回流至缺氧段（A1），并增加从缺氧段（A1）到厌氧段（AO）的内循环的改良型多级A/O-MBR 组合工艺实现了强化除磷，对TP 去除率显著提高，达到一级A排放标准。通过污泥静态分析试验量化反硝化聚磷菌的比例，进一步探索改良型多级A/O-MBR组合工艺强化反硝化除磷机理。

第10、20、30、40 天污泥厌氧释磷、缺氧吸磷及好氧吸磷的变化特征如图6所示。

由图6(a)可以看出，工艺改良前污泥在厌氧条件下（0～150min）释磷，磷酸盐浓度由6.03mg/L提升至14.48mg/L，从图6(b)～(d)可以看出，工艺改良后，第20、30、40 天静态试验中，150min 厌氧释磷后的磷酸盐浓度分别为21.53mg/L、25.46mg/L、28.39mg/L，因为静态污泥试验投加了乙酸钠导致释磷量有所提升；改良型组合工艺的厌氧区释磷效果逐步提高，良好的释磷效果将有助于组合工艺对TP 的去除，这与2.1.1 节中的分析相一致。

同时由图6可以看出，最大比缺氧吸磷速率分别为0.0680mg/(g·h)、0.1370mg/(g·h)、0.2860mg/(g·h)、0.3290mg/(g·h)；最大比好氧吸磷速率分别为0.3770mg/(g·h)、 0.7190mg/(g·h)、 1.155mg/(g·h)、1.232mg/(g·h)，两者的比值可以认为是污泥中反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例[18-19]，分别为18.04%、19.05%、24.76%、26.70%，由此量化了反硝化聚磷菌第10、20、30、40 天时占总聚磷菌比例。随着改良型组合工艺的稳定运行，反硝化聚磷菌的比例呈现明显增长趋势，组合工艺改良前系统中存在反硝化聚磷菌但聚磷作用并不明显。反硝化聚磷菌与聚磷菌释磷原理相同，但在吸磷阶段，能以氧气、硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌可以从废水中过量吸磷[20]，同时，反硝化聚磷菌的反硝化除磷过程中对硝酸盐的利用弥补了低C/N值污水碳源不足，实现了低C/N值污水良好的除磷效果。富集的反硝化聚磷菌在强化除磷的同时也能提高TN 的去除效果，与2.1.2节中TN去除率的提高相一致。

图6 不同阶段污泥厌氧释磷、缺氧吸磷及好氧吸磷特征

组合工艺改良后增加厌氧段（A0）与缺氧段（A1）之间的内循环强化了厌氧/缺氧交替环境，反硝化聚磷菌作为兼性厌氧细菌得到了富集[21-22]，导致反硝化聚磷菌比例的提高，从而在一定程度上强化组合工艺对磷的去除；进一步分析发现反硝化聚磷菌增多的同时，反硝化速率也在一定程度上提高了，其中，回流位置的改变使回流至缺氧段（A1）的硝酸盐显著增多，硝酸盐浓度的升高将有效提高反硝化聚磷菌的吸磷速率，同时，这种因流加方式而增多的硝酸盐不会导致亚硝酸的累积而抑制反硝化过程[23-24]；改良型组合工艺有效增加了反硝化反应的数量与速率，利用反硝化除磷过程实现了低C/N生活污水的强化除磷。