“旁路补碳”工艺生物脱氮除磷效果试验研究

唐白石 王治民 张吉 王志强

摘要 针对传统A2/O工艺对污水同时脱氮除磷效果不佳的问题，以低C/N实际生活污水为研究对象，提出一种“旁路补碳”生物脱氮除磷新工艺。通过试验研究，考察了在稳态条件下缺氧池A2与厌氧池A3的不同水量分配比例（分流比）对系统中有机物、氮、磷的去除影响以及对内碳源PHA转化的影响。结果表明：在平均进水C/N比为6.4时，分流比7∶3为最佳运行条件，此时 “旁路补碳”新工艺出水中COD、NH4+-N、TN、TP的平均质量浓度分别为31.15 mg/L、4.17 mg/L、13.69 mg/L、0.35 mg/L，平均去除率分别为92.16%、91.19%、78.07%、92.08%；与A2/O工艺相比好氧池內可利用的PHA含量提高了12.11%，TP的去除率由87.91%提高至92.08%。

关 键 词 旁路补碳；分流比；低碳氮比；脱氮除磷；内碳源转化

中图分类号 X703.1     文献标志码 A

Study on biological nitrogen and phosphorus removal by "bypass carbon supplement" process

TANG Baishi1，WANG Zhimin2，ZHANG Ji2，WANG Zhiqiang1

（1. School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. Tianjin Academy of Environmental Sciences， Tianjin 300191， China）

Abstract In view of the poor effect of traditional A2/O process on simultaneous removal of nitrogen and phosphorus from sewage， taking low-C/N real domestic sewage as the research object， a new “bypass carbon supplement” biological phosphorus removal process is proposed. Through experimental research， the effect of the different water distribution ratios （split ratio） of anoxic tank A2 and anaerobic tank A3 on the removal of organic matter， nitrogen and phosphorus in the system and the effect on the conversion of internal carbon PHA under steady-state conditions were investigated. The results are as fallows： under the condition of an average influent C/N ratio of 6.4， the split ratio of 7∶3 is the best operating condition. At this time， the average mass concentrations of COD， NH4+-N， TN， and TP in the effluent of the new "bypass carbon supplement" process are 31.15 mg/L， 4.17 mg/L， 13.69 mg/L， 0.35 mg/L respectively， the average removal rate is 92.16%， 91.19%， 78.07%， 92.08% respectively; compared with the A2/O process， the available PHA content in the aerobic tank has increased by 12.11%， the TP removal rate has been increased from 87.91% to 92.08%.

Key words bypass carbon supplement; split ratio; low carbon to nitrogen ratio; nitrogen and phosphorus removal; internal carbon source transformation

0 引言

传统A2/O工艺以其运行方便、结构简单、运行费用低等特点被广泛应用于城市污水处理厂中[1-2] ，但由于工艺本身存在聚磷菌（PAOs）与反硝化菌碳源竞争问题使得其同时脱氮除磷效果较差[3-4]。此外，实际生活污水的水质特点普遍表现为COD/[ρ]（TN）低于8，属于低C/N比污水[5]，污水中碳源的缺乏进一步限制了传统A2/O工艺的处理效果。总的来说，碳源不足与碳源竞争问题是导致传统A2/O工艺同时脱氮除磷效果不佳的根本原因。

针对上述问题，马春华[6]最早提出“并联式”A2/O工艺缓解了在处理低C/N比污水时系统中的碳源竞争问题，但碳源不足这一问题并未得到解决，因此氮、磷的去除效果仍不理想，其TN的去除率均低于50%，TP的去除率均低于70%。除此之外，学者们研究发现一类反硝化聚磷菌（DPAOs）[7-8]，在缺氧条件下当有机外碳源不足以进行反硝化作用时，该类细菌能够取代反硝化菌的优势地位，通过分解利用内碳源聚羟基脂肪酸酯（PHA）释放能量，以硝态氮为电子受体进行吸磷[9]，实现同时脱氮除磷，具有“一碳两用”的优点，在很大程度上缓解了碳源不足与碳源竞争问题 [10]。反硝化除磷现象的发现为低C/N比污水同时脱氮除磷提供了新方向，是现下污水脱氮除磷的研究热点之一[11-12]。

基于反硝化除磷理论以及现下生物脱氮除磷系统中存在的碳源不足与碳源竞争问题，本文在“并联”这一思路上提出一种“旁路补碳”生物脱氮除磷新工艺，并通过试验研究考察了不同分流比对“旁路补碳”生物脱氮除磷新工艺中有机物的去除、脱氮除磷性能的影响以及内碳源PHA的转化影响，以期为处理低C/N比污水提供参考。

1 “旁路补碳”工艺原理介绍

“旁路补碳”工艺是基于反硝化除磷理论对传统A2/O工艺进行改良，“旁路补碳”工艺在原传统A2/O工艺中的缺氧池处增设一个厌氧池与之并联，使厌氧池A1的出水按一定比例分配至缺氧池A2与厌氧池A3，“旁路补碳”工艺流程图如图1所示。

在“旁路补碳”工艺中，缺氧池A2的分流水量的减少能够使缺氧池内可利用的有机外碳源量减少，达到强化反硝化除磷现象的目的，以此缓解碳源不足与碳源竞争问题；同时厌氧池A3的分流水量的增加一方面可以继续储存分流水量中的PHA，另一方面通过延长厌氧时间能够使PAOs继续释磷储能[13]，为好氧吸磷额外补充内碳源PHA，进一步缓解碳源不足与碳源竞争问题。最后缺氧池A2与厌氧池A3出水汇合流入好氧池O中，进一步强化了厌氧-好氧交替环境，使PAOs的释磷驱动力得到了充分利用[14]。

“旁路补碳”工艺中主要通过调控厌氧池A1出水分别流入缺氧池A2与厌氧池A3的水量来协调碳源的分配。因此，本文通过试验研究主要考察了分流比这一影响因素。分流比的计算公式如式（1）所示：

式中：[S]为分流比；[Q1]为厌氧池A1进水流量，L/h；[Q2]缺氧池A2进水流量，L/h；[Q3]为厌氧池A3进水流量，L/h；[α]为缺氧池A2的水量分流比例。

2 试验装置与材料

2.1 试验装置

“旁路补碳”工艺装置图如图2所示。反应器由有机玻璃制成，工艺单元按顺序依次为厌氧池A1、缺氧池A2、厌氧池A3、好氧池O以及二沉池，其中厌氧池A1上部分为圆柱形，内径为0.15 m，下部分为圆锥形，倾角为45°，有效容积为10 L；缺氧池A2为长方体，尺寸为长（L） × 宽（B） × 高（H） = 0.2 m × 0.3 m × 0.5 m，有效容积为15 L；厌氧池A3为长方体，尺寸为L × B × H=0.15 m × 0.15 m × ×0.45 m，有效容积为5 L；好氧池O为长方体，尺寸为L × B × H=0.25 m × 0.4 m × 0.6 m，有效容积为30 L；沉淀池为竖流式，上部为圆柱形，内径为0.25 m，下部为圆锥形污泥斗，倾角为60°，有效容积为15 L。厌氧池与缺氧池内均设有搅拌器进行搅拌，好氧池O通过底部的曝气头供氧。

2.2 试验用水与接种污泥

试验用水取自沧州市某污水处理厂初沉池出水，接种污泥为该厂二沉池的回流污泥。试验进水水质如表1所示。

2.3 试验主要仪器与主要试剂

试验所用到的的主要仪器与主要试剂如表2所示。

2.4 分析方法

2.4.1 常规水质指标监测分析方法

污水中CODCr、TN、NH4+-N、TP等常规水质指标参照《水和废水监测分析方法》（第4版）[15]中所示的国标方法进行监测分析，详见表3。

2.4.2 非常规指标检测分析方法

PHA是基于聚-[β]-羥基丁酸酯（PHB）和聚-[β]-羟基戊酸脂（PHV）的总和来确定的，PHB与PHV采用气相色谱法[16]进行测定。

2.4.3 各反应段污染物分段去除率计算方法

在稳态条件下各反应池出水质量浓度近似等于反应池内部的污染物质量浓度，本文中通过计算各污染物的分段去除率对各反应段进行分析。厌氧段污染物（COD或TN）的去除率计算公式如式（2）所示，缺氧段污染物（COD或TN）的去除率计算公式如式（3）所示，好氧段污染物（COD或TN）的去除率计算公式如式（4）所示：

式中：[RCONT，An]为厌氧段污染物（COD或TN）的去除率；[RCONT，A]为缺氧段污染物（COD或TN）的去除率；[RCONT，O]为好氧段污染物（COD或TN）的去除率；[CONTin]为进水污染物质量浓度；[CONTA1]为厌氧池A1的出水污染物质量浓度；[CONTA2]为厌氧池A2的出水污染物质量浓度；[CONTA3]为厌氧池A3的出水污染物质量浓度；[CONTO]为好氧池O的出水污染物质量浓度。

各反应段TP的去除率计算公式如式（5）所示：

式中：[RTP，A]为缺氧段TP的去除率；[RTP，O]为好氧段TP的去除率；[TPA1]为厌氧池A1的出水TP质量浓度；[TPA2]为缺氧池A2的出水TP质量浓度；[TPA3]为厌氧池A3的出水TP质量浓度；[TPO]为好氧池O的出水TP质量浓度。

2.5 试验条件与运行工况

试验过程中进水流量恒定为5 L/h，反应区水力停留时间HRT为12 h，温度控制在20～25 ℃，好氧池溶解氧控制在2～3 mg/L，缺氧池溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，2个厌氧池溶解氧均低于0.3 mg/L，污泥回流比为70%，混合液回流比始终控制在200%，污泥龄控制在10 d左右。在以上稳态条件下，通过调整缺氧池A2与厌氧池A3的水量分流比例，以不同的分流比对系统进行研究，分别在各反应池出水口附近取样，测定进水、厌氧池A1末端、缺氧池A2末端、厌氧池A3末端、好氧池O末端以及出水共计6个点位的污染物浓度，以及各反应池内的PHA含量。不同分流比运行工况分为5个，具体如表4试验条件与运行工况所示。

3 结果与讨论

3.1 分流比对CODCr去除效果的影响

在其他运行参数均处于上述稳态条件时，进行为期50 d的连续试验考察了不同分流比对系统中CODCr去除效果的影响，不同分流比对CODCr去除效果的影响如图3所示，不同工况下各反应段CODCr浓度如图4所示。

由图3可知：虽然进水CODCr值在341.5～450.8 mg/L范圍内波动且波动幅度较大，但在不同工况下系统对CODCr的去除效果均较为稳定。不同工况下对应的出水CODCr值分别为39.39 mg/L、34.97 mg/L、31.15 mg/L、35.74 mg/L、40.68 mg/L，去除率分别为89.97%、91.33%、92.16%、91.06%、89.53%，不同工况下出水CODCr均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A类标准。

由图4可以发现：在不同工况下，厌氧单元（A1+A3）中CODCr的去除率分别为65.96%、68.74%、71.24%、72.42%、73.55%，其中CODCr主要在厌氧池A1中被去除，分析其原因为在厌氧条件下大量CODCr被PAOs转化为PHA储存于胞内而大量去除，同时由污泥回流带来的硝态氮所引发的反硝化作用也使得COD被部分消耗；厌氧池A3对CODCr的去除率由0%不断提高至7.16%，由此可见通过延长厌氧时间可以提高系统对有机物的去除效果，但通过延长厌氧对CODCr去除率的提升在工况4时基本趋于稳定，继续调整至工况5去除率无明显提升，说明通过延长厌氧时间对CODCr去除效果的提升是有限的，这与戴娴等[17]的研究结果基本一致。不同工况下缺氧单元（A2）中CODCr的去除率分别为21.87%、16.59%、14.81%、13.51%、12.98%，去除率的不断降低表明缺氧池A2分流水量减少的同时通过反硝化作用去除的有机物也在不断减少。不同工况下好氧单元（O）中CODCr的去除率分别为12.17%、14.67%、13.94%、14.07%、13.47%，表明系统中剩余部分CODCr在好氧单元内去除。

3.2 分流比对氮素去除效果的影响

3.2.1 分流比对氨氮去除效果的影响

在其他运行参数均处于上述稳态条件时，进行为期50 d的连续试验考察了不同分流比对系统中NH4+-N去除效果的影响，不同分流比对NH4+-N去除效果的影响如图5所示。

由图5可知，进水NH4+-N质量浓度在37.91～54.22 mg/L间波动，不同工况下NH4+-N平均进水质量浓度分别为46.17 mg/L、48.54 mg/L、47.49 mg/L、47.34 mg/L、46.32 mg/L，系统出水NH4+-N质量浓度较为稳定，平均出水质量浓度分别为4.32 mg/L、4.21 mg/L、4.17 mg/L、4.13 mg/L、4.37 mg/L，平均去除率分别为90.61%、91.29%、91.19%、91.27%、90.56%。系统中氨氮去除率稳定高于90%，且出水NH4+-N质量浓度达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A类标准。由此可见不同分流比对NH4+-N的去除影响较小，原因为分流比主要作用于缺氧反硝化脱氮除磷与好氧吸磷间的内碳源分配，好氧单元的硝化作用并未受到直接影响，因此NH4+-N的去除几乎不受影响。

3.2.2 分流比对TN去除效果的影响

在其他运行参数均处于上述稳态条件时，进行为期50 d的连续试验考察了不同分流比对系统中TN去除效果的影响，不同分流比对TN去除效果的影响如图6所示，不同工况下各反应段TN浓度如图7所示。

由图6可知，系统分流比对TN的去除具有显著的影响，在由工况1调整至工况5的过程中，TN的去除率不断降低。不同工况下TN平均出水质量浓度分别为9.55 mg/L、11.51 mg/L、13.69 mg/L、16.62 mg/L、19.51 mg/L，平均去除率分别为84.20%、81.39%、78.07%、73.47%、68.87%。TN的去除率不断降低的原因为，在工况1未设置分流时，厌氧池A1出水直接进入缺氧池A2，污水中剩余部分CODCr与储存的PHA完全优先用于反硝化脱氮与反硝化同时脱氮除磷，因此TN的去除效果在工况1时最佳。而由工况1调整至工况5过程中，缺氧池A2分流水量的减少，使得反硝化作用与反硝化吸磷作用可用碳源减少，同时厌氧池A3分流水量的增加导致部分TN在厌氧池A3中无法去除，因此TN的去除率不断降低。

由图7可知，不同工况下TN在厌氧单元/缺氧单元/好氧单元均有所降低，其中缺氧单元（A2）中TN的降低较为显著，表明缺氧单元为TN的主要去除场所。在工况1至工况5条件下，厌氧单元（A1+A3）中TN的去除率占TN总去除率的比例分别为13.66%、15.46%、16.33%、17.21%、19.47%，原因可能为污泥回流带来的部分硝酸盐所引起的反硝化脱氮。不同工况下缺氧单元（A2）中TN的去除率占TN总去除率的比例分别为77.91%、73.51%、72.42%、70.22%、67.31%，可以发现随着工况的调整缺氧单元中TN去除率的整体降低幅度较小，其原因可能为缺氧池A2分流量的减少使反硝化除磷作用得到强化弥补了反硝化脱氮量的减少。不同工况下好氧单元中TN的去除率占TN总去除率的比例分别为8.43%、11.04%、11.25%、12.57%、13.22%。总的来说，厌氧池A3分流水量的增加是导致系统TN去除率不断降低的主要原因。

3.3 分流比对TP去除效果的影响

在其他运行参数均处于上述稳态条件时，进行为期50 d的连续试验考察了不同分流比对系统中TP去除效果的影响，不同分流比对TP去除效果的影响如图8所示，不同工况下各反应段TP浓度如图9所示。

由图8可知：分流比对TP的去除具有显著的影响，TP的去除率呈现先升高后降低的趋势，不同工况下TP的平均出水浓度分别为0.54 mg/L、0.44 mg/L、0.35 mg/L、0.33 mg/L、0.38 mg/L，平均去除率分别为87.91%、90.32%、92.08%、92.73%、91.43%。进一步分析发现，当由工况1改变至工况3时，TP的去除率随厌氧池A3分流量的增加而升高；当由工况3改变至工况4时，TP的去除率基本趋于稳定；由工况4改变至工况5时，TP的去除率反而有所降低。其原因为，在工况1条件下厌氧池A1中由于存在回流硝酸盐抑制了PAOs释磷储能，缺氧池内反硝化作用抑制了反硝化除磷作用，最后由于厌氧释磷储能不充分导致好氧吸磷量较低，因此TP的去除效果较差。在工况2至工况4条件下，缺氧池内反硝化除磷现象得到强化，反硝化吸磷量有所提高，但随着分流水量的减少提升幅度有所降低；由于厌氧池A3分流水量不断增加，原应分流至缺氧池内的PHA被继续储存在厌氧池A3中，并且由于厌氧时间的延长使PAOs释磷储能能力有所提升，好氧池内有更多的PHA可供PAOs好氧吸磷使用，同时由于厌氧-好氧交替环境得到强化，好氧吸磷量也有所提高，TP去除率呈升高的趋势。在工况5条件下，继续延长厌氧对PAOs释磷能力已无促进作用，且缺氧池A2内反硝化吸磷量继续降低，因此TP去除率有所降低。这与徐宇峰等[18]的研究结果基本一致。

由图9可看出：不同工况中厌氧池A1的释磷量分别为29.62 mg/L、32.63 mg/L、33.17 mg/L、33.37 mg/L、33.61 mg/L，厌氧池A1的释磷量由于厌氧-好氧交替环境强化而有小幅提升；不同工况中厌氧池A3的释磷量分别为0 mg/L、4.57 mg/L、6.58 mg/L、7.93 mg/L、6.13 mg/L，厌氧池A3的额外释磷量在工况4时最高，在工况5时基本无增加，表明继续改变至工况5时PAOs活性无明显提升。

在不同工况中缺氧单元（A2）的TP去除量占TP总去除量的比例分别为39.73%、45.35%、48.56%、48.76%、42.20%，结合图7可以进一步确定缺氧单元中存在反硝化除磷现象，且随着工况的调整反硝化除磷作用得到强化，反硝化除磷量在工况4时最高，继续调整至工况5时由于缺氧池分流水量中所含的内碳源量减少使得反硝化除磷量有所降低。在不同工况中好氧单元（O）的TP去除量占TP总去除量的比例分别为60.27%、54.65%、51.44%、51.24%、57.80%，可以发现各工况下PAOs好氧吸磷作用在系统对TP的去除中均处于主导地位。

3.4 分流比对PHA转化的影响

在其他运行参数保持不变的稳态条件下，分别测定了工况1至工况5中各反应池内的PHB与PHV含量，考察了不同分流比对各反应池中PHA转化的影响，试验结果如图10所示。

由图10可以看出：在不同工况下厌氧池A1内的PHA含量较高，好氧池O内的PHA含量较低，原因是PAOs在厌氧条件储存PHA，在好氧条件下分解消耗PHA导致的[19]。在由工况1调整至工况5的过程中，缺氧池A2内的PHA含量不断减少，其原因为分流水量的减少与反硝化除磷作用的消耗所导致的PHA量减少；厌氧池A3内的PHA含量则不断增加，其一部分原因为分流水量的增加使得PHA量增加，另一部分原因为厌氧时间的延长使PAOs进一步储存PHA，PHA含量得到补充。在整个过程中PHB变动较为明显，PHV变动较小，说明整个过程中消耗的内碳源物质主要为PHB，分析原因可能为污水中的碳源类型主要为乙酸[20]。

根据图10进一步分析发现：在厌氧池A1内，工况2至工况5中的PHA含量相较于工况1略有提高，这是由于设置分流后厌氧-好氧的交替环境使PAOs储存内碳源PHA的能力得到小幅提升。在缺氧池A2中，当以工况1为基础值时，由工况1调整至工况5过程中缺氧池内所消耗的PHA含量分别提高了10.83%、15.03%、9.51%、2.13%，在调整至工况3时缺氧消耗的PHA含量提升最大，说明在工况3时反硝化除磷效果最好，同时也进一步证实分流比的调整强化了缺氧池内的反硝化除磷作用。在厌氧池A3中，由工况1调整至工况5的过程中，除去分流水量中原有的PHA，额外补充的PHA量分别为10.9 mg COD/g VSS、14.69 mg COD/g VSS、16.52 mg COD/g VSS、16.83 mg COD/g VSS，额外补碳量约在工况4时基本趋于稳定，进一步调整至工况5已无明显的增长。在好氧池O中，由工况1调整至工况5时，好氧池内可利用的PHA含量分别提高了11.64%、12.11%、17.07%、20.81%，可以发现随着工况的调整好氧可利用的PHA有明显增加，这一变化趋势也验证了图9中好氧吸磷量的变化。

综上所述，分流比的调整强化了缺氧单元内的反硝化除磷作用，并使好氧单元获得了更多可利用的内碳源PHA，使系统对TP与COD的去除效果有所提升，但考虑到TN的去除效果，本试验中分流比7∶3的工况为最佳的运行条件。

4 结论

1）“旁路补碳”工艺的最佳分流比为7∶3，此时系统出水CODCr、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为92.16%、91.19%、78.07%、92.08%，出水中CODCr、NH4+-N、TN、TP均可稳定达到国家一级A标准。

2）分流比对NH4+-N的去除效果影响不大，对CODCr、TN、TP的去除效果均有较为显著的影响。

3）分流比的调整使缺氧单元内的反硝化除磷作用得到強化，反硝化除磷占比最高为工况4时的48.76%；同时分流比的调整使好氧单元内可用的PHA量也得到了额外补充，补碳量最高为工况5时的16.83 mg COD/g VSS。

4）“旁路补碳”工艺通过设置分流解决了生物脱氮除磷系统中存在的碳源不足与碳源竞争问题，系统同时脱氮除磷能力有所提高，同时也解决了处理低C/N污水时出水磷含量难以低于0.5 mg/L的难题，为传统污水处理厂的提标改造提供一定参考。

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