参数优化对生物絮凝吸附-倒置A2/O组合工艺的影响

姚 昕,刘绍根,叶秋月,左玉春

(安徽建筑大学 环境能源工程学院，合肥 230601 )

近几十年来，氮磷的大量排放使得水体富营养化问题日益加剧，随着城镇污水处理厂对氮磷排放标准不断提高，有效控制水体富营养化增强脱氮除磷技术成为了污水处理领域研究的热点[1-4]。A2/O工艺是我国传统污水处理厂应用较为广泛的生物脱氮除磷工艺，但是该工艺存在许多问题亟待解决，例如回流污泥中携带的硝酸盐及溶解氧会对厌氧池中厌氧环境造成破坏。此外，缺氧池中聚磷菌、反硝化菌和硝化菌等功能微生物生长在同一系统中存在碳源竞争关系，由于它们的最大世代周期存在较大差异，造成脱氮与除磷之间相互限制[5-6]。因此，针对传统A2/O工艺存在的缺点，学者对A2/O工艺进行改造提出了倒置A2/O工艺，污水首先进入缺氧段，使得反硝化细菌能够充分利用碳源进行反硝化，脱氮能力显著增强，并减少硝酸盐对厌氧区聚磷菌释磷的影响，回流污泥经过厌氧好氧环境有利于聚磷菌厌氧释磷好氧吸磷提高细菌对磷的吸收[7-9]。与传统A2/O工艺相比，倒置A2/O组合工艺具有能耗低、脱氮除磷效率高、工艺流程简单、基础设施投资和运营成本低、运行稳定等优点[10-12]。而生物絮凝吸附工艺是利用活性污泥对有机污染物的初期吸附作用，去除污水中悬浮及胶体形态的污染物，并存在少量的生物代谢作用，因此絮凝吸附污泥表面含有大量的被吸附的容易被水解酸化菌利用的有机物[13]。本试验中污水先经过生物絮凝池去除一部分难溶性有机物，以减轻后续生化池的负担，同时收集絮凝池的污泥，用作水解酸化的底泥，并在后面的缺氧池和厌氧池中投加水解酸化液，为脱氮除磷提供碳源。生化处理工艺则采用倒置A2/O工艺。

本研究探究了好氧池不同水力停留时间与生物絮凝吸附区活化污泥回流比这两个重要运行参数对生物絮凝吸附倒置A2/O组合工艺对实际校园生活污水脱氮除磷的影响以及寻找该工艺稳定运行和脱氮除磷最佳运行方式，以期为该组合工艺在实际工程中的应用与推广提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行方式

本试验采用的装置如图1所示。其中絮凝吸附区进水量为10 L/h，水力停留时间为30 min，污泥龄设置为3 d，沉降时间为30 min，回流比设置为40%。水解酸化反应器水力停留时间为6 h，污泥浓度为5.5～6.5 g/L，温度为20～35 ℃，污泥龄为3 d。倒置A2/O 工艺运行参数如表1所示。

图1 生物絮凝吸附—倒置A2/O组合反应器装置流程图

表1 倒置 A2/O 工艺运行参数

1.2 试验用水及接种污泥

本试验用水为合肥某高校内实际生活污水，接种污泥取自合肥市某生活污水处理厂，试验期间污水水质指标变化及出水标准如表2所示。

表2 试验进水水质 mg/L

1.3 测定项目与方法

1.3.1常规指标分析

试验所需进行水质指标检测的项目及检测方法均按照国家环保局编写的《水和废水监测分析方法》(第四版)中规定的方法进行测定[14]。主要检测项目及分析检测方法如表3所示。

表3 水质指标检测项目及测试方法

1.3.2试验方法

首先调整不同的HRT参数，每隔7 d调整一次HRT参数(工况1：5 h，工况2：7 h，工况3：8 h)，并且每天对该组合工艺进出水水质指标进行检测。运行21 d后通过分析该组合工艺在不同HRT参数下对COD、氨氮、TN、TP的去除效果确定该组合工艺最佳HRT运行参数。由于影响生物絮凝吸附工艺的主要参数包括活化水力停留时间、絮凝时间、气水比、活化污泥回流比等[15]，所以在最佳HRT运行参数的基础之上，进一步调整该组合工艺不同活化污泥回流比(工况1：20%，工况2：40%，工况3：60%)，每隔7 d 调整一次，并且每天对该组合工艺进出水以及絮凝池出水水质指标进行检测。最后通过分析该组合工艺继续运行21 d以来在不同活化污泥回流比参数下对COD、氨氮、TN、TP的去除效果确定该组合工艺最佳活化污泥回流比运行参数。

2 结果与分析

2.1 好氧池HRT对组合工艺去除污染物能力的影响

2.1.1好氧池HRT对COD的去除效果

在反应器运行过程中，每天生活污水中COD浓度相差较大，进水COD浓度范围为124.45～235.23 mg/L(见图2)。在不同HRT条件下，反应器对COD能够保持较高去除效率。在HRT分别为5，7，8 h时，平均出水COD浓度分别为20.69，17.76，17.44 mg/L，均能达到城镇污水厂一级A排放标准。平均去除率分别为90.02%、90.98%、89.94%。3种不同HRT对比研究发现，HTR对COD的去除影响不大，推测可能是因为在生物絮凝吸附区微生物对COD进行了大量的降解以及反硝化细菌与聚磷菌对碳源的消耗，因此好氧池对COD的去除较少。

图2 HRT对COD的去除效果影响

2.1.2好氧池HRT对氨氮的去除效果

从图3可以看出，不同HRT对氨氮的去除影响较明显。3种不同工况下出水氨氮平均浓度分别为4.51，1.17，1.00 mg/L，平均去除效率分别为85.52%、96.02%、96.64%。与工况1(HRT=5 h)相比，工况2(HRT=7 h)与工况3(HRT=8 h)具有更高的去除率，出水能稳定达到城镇污水厂一级A排放标准。而HRT为8 h时与HRT为7 h时对氨氮去除效果相差不大。氨氮的去除主要依赖于好氧池内溶解氧浓度与HRT。在一定范围内，水力停留时间越长，在曝气充足的情况下污水中的氨氮能够很好地被去除[16]。由于试验一开始控制不同HRT参数而保持溶解氧浓度不变，观察到当工况1切换到工况2时，反应时间延长，能够使得硝化过程充分进行。

图3 HRT对氨氮的去除效果影响

2.1.3好氧池HRT对TN去除效果

不同HRT对TN的去除效果影响如图4所示，从图4中容易发现，工况1出水TN浓度波动比较小，出水浓度范围为13.48～14.84 mg/L。而工况2与工况3出水TN浓度波动比较大，出水TN浓度范围分别为10.35～14.84 mg/L、10.16～13.77 mg/L。3种不同工况下对TN的平均去除效率分别为66.97%、71.34%、72.69%。工况1运行条件下TN去除效果低于工况2与工况3。当HRT从工况2进入工况3时，去除效率稍微提高，平均出水TN浓度减少了0.83 mg/L。

图4 HRT对TN的去除效果影响

在整个试验运行过程中，相比较工况1，在工况2条件下TN去除效率更高，而相比较于工况2，在工况3运行条件下不会显著提高TN去除效率。这主要是因为在缺氧池中有效碳源数量有限的情况下，反硝化强度不仅与HRT有关，还与温度有关，即使水力停留时间较长，TN去除率也不会有很大提高。

2.1.4好氧池HRT对TP去除效果

如图5所示，在不同HRT运行条件下组合工艺对TP的去除影响较大。3种不同工况下出水TP范围为0.37～0.96 mg/L。随着HRT增加，组合工艺对TP的去除率出现先增加后减少的趋势。其中当HRT为5 h时，组合工艺对TP去除效率最低，平均去除率为76.55%，出水TP范围为0.69～0.96 mg/L。当HRT为7 h时，组合工艺对TP去除效率最佳，平均去除率为87.73%，出水TP浓度范围为0.37～0.53 mg/L，基本上达到城镇污水厂一级A排放标准。与HRT为5 h相比，除磷效果明显提高，推测是由于好氧池中聚磷菌大量吸收磷需要的反应时间比较长。继续增加HRT为8 h时，组合工艺对TP的平均去除效率为84.6%，出水TP浓度范围为0.37～0.63 mg/L。出水TP的去除率较工况2有所降低。这主要是因为曝气时间长对厌氧释磷有负面影响，进而影响好氧条件下磷的吸收过程，以上研究结果表明当HRT为7 h时，组合工艺对TP的去除效果最佳，而相比较工况2在工况3运行条件下并不会提高组合工艺对TP的去除效率。

图5 HRT对TP的去除效果影响

2.2 活化污泥回流比对组合工艺去除污染物能力的影响

2.2.1活化污泥回流比对COD的去除效果

从图6可以看出，在活化污泥回流比分别为20%、40%、60%条件下，尽管进水COD浓度范围不稳定变化幅度较大，但3种不同污泥回流比对COD平均去除率都在89.75%以上，去除效果较好。出水COD浓度范围为11.09～20.83 mg/L，均优于城镇污水厂一级A排放标准。从图6中可以看出，生物絮凝吸附池降解了大量的COD，并且随着污泥回流比的上升，生物絮凝吸附池降解COD浓度在提高。主要原因是随着污泥回流比的增加，在絮凝池内微生物量不断增加，因此对COD降解得更快。同时随着污泥回流比的增加，组合工艺对COD的去除效果差别不大都能够保持较高的去除效率，3种工况下对COD平均去除率分别为92.15%、91.31%、92.96%。

图6 污泥回流比对COD的去除效果影响

2.2.2活化污泥回流比对氨氮的去除效果

3种工况下组合工艺对氨氮的平均去除率分别为96.26%、96.99%、96.98%，平均出水氨氮浓度分别为1.12，0.89，0.93 mg/L(见图7)，处理效果较好，均稳定达到城镇污水厂一级A排放标准。此外，从图7中不难发现絮凝池对氨氮处理效果影响不大，但随着回流比增加絮凝池对氨氮去除效率增加，3种工况下絮凝池对氨氮的平均去除效率分别为9.9%、14.5%、16.8%。研究结果表明，污泥回流比变化不会影响组合工艺对氨氮的去除效果，只会影响絮凝池对氨氮去除，可能是因为好氧池内硝化细菌丰度丰富，回流污泥中硝化细菌从好氧池回流到絮凝池促进了对氨氮的去除。

图7 污泥回流比对氨氮的去除效果影响

2.2.3活化污泥回流比对TN的去除效果

3种不同回流比情况下，组合工艺对TN去除效果如图8所示，在回流比为20%时，TN去除效果最差，平均去除率为68.5%，出水TN范围在10.12～14.83 mg/L；当回流比为40%时，氨氮去除效果最好，平均去除率为71.23%，出水TN浓度在10.31～14.69 mg/L，符合城镇污水厂一级A排放标准；再将污泥回流比增加到60%，TN去除率却平均下降了1.41%，可能是由于从好氧池回流的活化污泥增加导致部分溶解氧进入缺氧池，从而对反硝化脱氮产生不利影响。此外，随着活化污泥回流比增大，絮凝池对TN去除效率增加，3种工况下絮凝池对TN平均去除效率分别为7.6%、12.68%、13.68%。以上结果表明，活化污泥回流比的增加对系统整体的TN去除效果影响不大，但会提高絮凝池对TN的去除效率，主要是因为回流污泥中存在硝态氮在絮凝池缺氧环境中有利于对TN的去除。由于倒置A2/O工艺缺氧段位于工艺之首，回流污泥的增加在碳源充足的情况下对TN的去除影响很小。同时污泥回流比不宜过大，过大的污泥回流比会携带大量溶解氧进入缺氧池降低脱氮效率并增加操作运行消耗成本。

图8 污泥回流比对TN的去除效果影响

2.2.4活化污泥回流比对TP的去除效果

组合工艺在不同工况下对TP的去除效果如图9所示，3种回流比情况下，对TP都能够保持较高的去除率。当污泥回流比为20%时，组合工艺对TP的平均去除率为87.98%，出水TP浓度范围为0.27～0.5 mg/L；污泥回流比为40%时，组合工艺对TP的平均去除率为87.49%，出水TP浓度范围为0.39～0.58 mg/L；当污泥回流比为60%时，组合工艺对TP的平均去除率相比回流比为40%时只提高了0.71%。此外，随着污泥回流比的增加絮凝池对TP的去除效率逐渐增加，3种工况下絮凝池对TP的去除率分别为17.61%、21.04%、22.99%，这一变化影响趋势与对TN的去除相似。

图9 污泥回流比对TP的去除效果影响

3 结论

在整个组合系统运行过程中，COD的去除效果均比较好，平均去除率达到90%以上。当HRT由5 h增加到7 h时，组合工艺对氨氮、TN、TP的平均去除率都有所提高，再将HRT进一步提高到8 h时，氨氮、TN的去除率没有明显变化，但是TP的去除率却从87.73%下降为84.67%，这可能是因为活性污泥在好氧池曝气时间过长，导致回流的活化污泥对后面厌氧释磷产生干扰。

活化污泥回流比从20%增加到60%，组合系统对COD、氨氮、TP的平均去除率影响不大。只有当回流比从20%增加到40%时，TN的平均去除率从68.50%增加到71.23%。研究结果表明活化污泥回流比的增加对组合系统整体的去除效果没有太大的影响，但会增加絮凝池对污染物的去除效果。

考虑到组合工艺对污水处理效果以及经济成本等问题，组合工艺最优运行操作参数HRT采用7 h，污泥回流比采用40%。