环境科学  2014, Vol. 35 Issue (5): 1866-1870   PDF    
引用本文
尹航, 刘畅, 高辉, 高大文. 不同好/厌氧区容积负荷对生物膜/颗粒污泥耦合工艺脱氮除磷的影响[J]. 环境科学, 2014, 35(5): 1866-1870.
YIN Hang, LIU Chang, GAO Hui, GAO Da-wen. Effect of Different Volume Loading of Aerobic/Anaerobic Zone on Nitrogen and Phosphorus Removal by Biofilm and Granular Sludge Coupling Process[J]. Environmental Science, 2014, 35(5): 1866-1870.
不同好/厌氧区容积负荷对生物膜/颗粒污泥耦合工艺脱氮除磷的影响
尹航1, 刘畅1, 高辉1, 高大文1,2     
1. 东北林业大学林学院,哈尔滨 150040;
2. 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090
收稿日期: 2013-9-13; 修订日期: 2013-11-6.
基金项目： 国家自然科学基金项目（21177033）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAD38B0305）
作者简介：尹航(1983~),男,博士研究生,主要研究方向为水污染控制.
通讯联系人,E-mail:dawengao@gmail.com
摘要：采用自行设计的生物膜/颗粒污泥耦合反应器，研究不同好/厌氧区容积负荷对该工艺脱氮除磷的影响. 试验过程中设置了3种不同的工况，每种工况的好氧区和厌氧区容积均不同，工况Ⅰ的是 9.66 L和15.34 L，工况Ⅱ的分别为 12.56 L和12.44 L，工况Ⅲ的是 15.42 L和9.58 L. 不同的好/厌氧区容积对应不同的容积负荷. 结果表明，工况Ⅰ的氨氮与磷酸盐去除效果稍差，工况Ⅲ出水硝态氮较高，造成总氮去除率较低. 工况Ⅱ是最佳运行条件，系统的氨氮去除率为 80.63%，氮容积去除负荷为 150.27 g·（m3·d）-1，COD去除率为 83.24%，释磷量与吸磷量分别为 7.23 mg·L-1和 11.93 mg·L-1.
关键词： 生物膜     颗粒污泥     脱氮除磷     容积负荷     耦合工艺    
Effect of Different Volume Loading of Aerobic/Anaerobic Zone on Nitrogen and Phosphorus Removal by Biofilm and Granular Sludge Coupling Process
YIN Hang1, LIU Chang1, GAO Hui1, GAO Da-wen1,2     
1. School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China;
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
Abstract: The effect of different aerobic/anaerobic zone volume loading on nitrogen and phosphorus removal by biological film and granular coupling process was investigated using a self-designed Biofilm/Granular sludge coupling reactor. Three operating modes were conducted in the experiment. In operating mode Ⅰ,the volume of aerobic zone was 9.66 L, and the volume of anaerobic zone was 15.34 L. In operating mode Ⅱ, the volume of aerobic zone was 12.56 L, and the volume of anaerobic zone was 12.44 L. In operating mode Ⅲ, the volume of aerobic zone was 15.42 L, and the volume of anaerobic zone was 9.58 L. Three operating modes expressed different volume loading of the reactor because of different aerobic/anaerobic zone. The results showed that the performance of ammonia nitrogen and phosphorus removal was a bit poor in operating modeⅠ, the effluent nitrate nitrogen was higher in operating mode Ⅲ compared with other modes, which brought the total nitrogen removal efficiency lower. The operating mode Ⅱ was optimal for nitrogen and phosphorus removal. In operating modeⅡ, the ammonia nitrogen removal efficiency was about 80.63%, the volume loading rate of nitrogen removal was about 150.27 g·(m3·d)-1, and the COD removal efficiency was higher than 83.24%; the amounts of phosphorus release and uptake under anaerobic conditions were 7.23 mg·L-1 and 11.93 mg·L-1.
Key words: biological film     granular sludge     nitrogen and phosphorus removal     volume loading     coupling process    

当前，我国面临着严重的水体富营养化问题，而造成水体富营养化的原因主要为氮磷的超标排放，所以，如何有效地去除污水中的氮磷成为我国急需解决的问题[1,2]. 在目前存在的脱氮和除磷技术中,同步脱氮除磷技术由于具有处理成本低，易与原有系统衔接，能同时去除有机碳化物、 N、 P 等污染物,能提高难降解有机物的去除率,并能抑制丝状菌生长繁殖等优点而被广泛应用[3, 4, 5]. 近年来，为实现污水的同步脱氮除磷，国内外研究者开发了改进的Dephanox 工艺，连续流厌氧/缺氧活性污泥系统，连续流厌氧/好氧/缺氧同步脱氮除磷工艺等[6, 7, 8]. 但连续流系统有构筑物多、 占地面积大、 能耗高、 剩余污泥量大等缺陷,为解决以上问题而设计的SBR工艺也具有众多脱氮除磷生物群落难以共存的矛盾[9,10]. 针对以上问题，本试验设计了一种同步脱氮除磷新工艺——生物膜/颗粒污泥耦合工艺，在好氧区利用载体固定生长缓慢的硝化菌群形成硝化菌生物膜，在厌氧区培养驯化反硝化聚磷菌颗粒污泥. 好氧区与厌氧区容积负荷对氮磷的去除有显著影响[11,12]. 好氧区容积负荷主要决定硝化反应的进行，直接影响硝化菌对氨氮的氧化作用，从而决定着氨氮的去除率，所以，好氧区的容积负荷是影响脱氮的关键因素之一. 厌氧区容积负荷不但决定厌氧释磷量的大小，而且对反硝化聚磷菌也有着重要影响，厌氧区容积负荷决定着磷的去除情况，同时也影响着脱氮[13]. 本试验基于生物膜/颗粒污泥耦合工艺反应器对不同好氧/厌氧区容积负荷这一影响因素进行研究，分析不同好/厌氧区容积负荷对脱氮除磷的影响，以期为该工艺高效运行提供依据.

1 材料与方法
1.1 试验用水及种泥

试验采用模拟人工配水，其组分为：COD 300 mg ·L-1，NH+4-N 30 mg ·L-1，PO3-4-P 5 mg ·L-1,微量元素混合液 0.3 mL ·L-1. 微量元素(g ·L-1)组成:FeCl3 ·6H2 O 1.5； H3BO3 0.15； CuSO4 ·5H2 O 0.03； KI 0.18； EDTA 10； MnSO4 ·H2 O 0.15； ZnSO4 ·7H2 O 0.12； CoSO4 ·7H2 O 0.03. 试验种泥均取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池.

1.2 试验装置与运行方案

试验所用反应器有效体积25 L，分内外两个筒，外筒高53.5 cm，直径28 cm，内筒高40 cm，直径18 cm； 载体选择聚氨酯泡沫； 好氧区DO控制在2~4 mg ·L-1； HRT为8.5 h，厌氧区SRT控制在15 d[14]. 反应器的运行方式为：进水240 min(采用蠕动泵连续进水，同时开启厌氧区搅拌器)、 曝气240 min、 沉淀和排水30 min.

污水由上部经内外筒之间的夹层流入反应器底部，然后在内筒内上升至反应器顶部，再经内外筒之间的夹层流回反应器底部，构成自上而下内循环水流状态，内筒设有多孔分体隔板，隔板表面具有开口式的孔，隔板放置于隔板垫上，将反应器内筒分为上下两层，上层作为好氧区放置硝化菌载体生物膜，下层作为厌氧区放置反硝化聚磷菌颗粒污泥，隔板上安放微孔曝气盘，这样可以保证上端的硝化菌生物膜始终处于好氧状态，而下端的颗粒污泥则处于厌氧和缺氧的状态[14]. 在反应器的外筒侧面上设有一排取水口，在最下面的取样口取样和排水，底部设有排泥管.

本研究旨在提高生物膜/颗粒污泥耦合工艺对模拟城市污水中氮、 磷等污染物质的去除效率. 在工艺稳定运行的基础上，通过对好氧区和厌氧区的容积大小调整，研究好/厌氧区容积负荷对耦合工艺脱氮除磷影响，为该工艺高效运行提供依据.

反应器总容积一定，通过调节隔板的位置，改变好/厌氧区容积，形成3种不同运行工况，3种工况下系统HRT保持不变，序批式运行方式各阶段的时间分配保持一致，因此，3种工况的废水流速相同，具体各工况的好/厌氧区容积和好/厌氧区负荷见表 1.

表 1 3种不同工况的好/厌氧区容积和负荷 Table 1 Three different working conditionst

1.3 检测项目及分析方法

COD、 NH+4-N、 NO-2-N、 PO3-4-P和MLSS等指标的测定均采用国家颁布的标准方法[15]，NO-3-N的测定采用麝香草酚法.

2 结果与讨论
2.1 不同好氧区容积负荷对氨氮去除的影响

不同好氧区容积负荷对系统NH+4-N去除能力有明显的差别，随着好氧区氮容积负荷的不断减少，去除率相应提高，3种工况条件下平均去除率分别为75.07%、 80.63%和83.66%(图 1). 好氧区氮容积负荷越小，单位污泥量的氮负荷就越低，氨氮的去除率就越高.

图 1 不同容积负荷条件下NH+4-N去除效果 Fig. 1 NH+4-N removal rate under different volume ratio conditions

不同好氧区氮容积负荷条件下氨氮的去除效果如图 2所示，此阶段氮负荷主要是指氨氮负荷. 随着好氧区氮负荷不断减少，氮去除负荷分别为157.14~198.60、 130.00~171.50和100.97~144.02 g ·(m3 ·d)-1，平均氮去除负荷分别为181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1. 由数据可以看出，氮负荷越大，其去除负荷也相应地越高. 但综合考虑氮负荷对氨氮去除率的影响，好氧区氮容积负荷不宜太大，本研究应在186.14 g ·(m3 ·d)-1.

图 2 不同好氧区容积氮去除速率 Fig. 2 Volume nitrogen removal rate of Different aerobic zone

2.2 不同厌氧区容积负荷对COD去除的影响

厌氧区反硝化除磷对COD的去除原理是聚磷菌利用水解聚磷酸盐所获得的能量来吸收乙酸基质并合成为细胞内的储能物质PHB[16,17]. 此工艺中COD的去除主要发生在厌氧区，伴随着磷的释放，水中COD的含量有明显的下降. 图 3表示不同厌氧区容积负荷对COD去除的影响. 随着厌氧区有机负荷的不断增大，厌氧结束时的COD浓度逐渐上升. 在进水有机负荷最大的工况Ⅲ中，厌氧结束时COD浓度达到70.89 mg ·L-1，远高于其它两种工况，其厌氧区的COD去除率仅为71.60%. 在工况Ⅰ和Ⅱ中，厌氧区的COD去除率较为理想，分别为89.53%和83.24%. 有研究表明在反硝化除磷工艺中，如果好氧区中存在大量的COD,氨氮的硝化将会受到很大的影响[18]. 厌氧区的COD主要是用于残存NO-3-N的反硝化和内碳源PHB的合成，这表明在厌氧区大部分COD已经被去除，从而保证了好氧区自养型硝化菌的优势生长，提高了氨氮的硝化率.

由上述可知，虽然在厌氧区大部分COD被去除，但从总体来看，COD的去除率不是很高，因此还要有少量的COD在好氧区被去除. 由该工艺的构型可以看出，待处理污水在厌氧区经过反硝化聚磷菌处理以后，会经过好氧区和厌氧区之间的多孔挡板，到达好氧区，由于硝化菌生物膜菌种的多样性，可能一部分异养菌会对污水中残余的COD进行降解，这样在好氧区污水中COD的浓度也会有不同程度的降低，在好氧区COD的去除率在5.13%~17.10%之间. 在好氧区，体系中COD的继续降解，对于悬浮载体的正常运行和细菌种类的多样性都是有利的，这样该工艺适应不同环境变化的能力就会变强. 3种工况的COD平均去除率均达到88.70%以上，可见该工艺对有机物的去除效果比较稳定.

图 3 厌氧段COD浓度和有机负荷变化 Fig. 3 COD concentration and organic load changes of anaerobic zone

2.3 不同厌氧区容积负荷对反硝化除磷的影响

不同厌氧区容积负荷下的释磷情况如图 4所示，随着厌氧区的减小，厌氧末期磷浓度由最初的15 mg ·L-1降低到11 mg ·L-1. 3种工况的厌氧区磷酸盐负荷分别为29.29、 33.82和39.30 g ·(m3 ·d)-1，厌氧结束时释磷量分别为8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1. 从中可以看出厌氧区越大，越有利于PO3-4-P的释放，而PO3-4-P释放量的大小，决定着体系除磷效率的高低.

图 4 不同容积负荷条件下释磷情况 Fig. 4 Phosphorus release conditions under different volume load conditions

不同的厌氧区容积负荷不仅会影响厌氧阶段磷的释放，同时影响磷的缺氧吸收，即反硝化除磷. 由于本研究在前期对反硝化聚磷菌颗粒污泥进行了培养和驯化. 而且好氧区的硝化菌生物载体也是仅针对硝化菌进行培养和驯化，因此，该新型反应器对磷的去除主要在厌氧区的缺氧阶段通过反硝化除磷完成. 随着好氧区的增大，NH+4-N的去除率逐渐增大(图 1)，硝化作用产生的硝态氮浓度也相应增多，但此时由于厌氧区是缩小的，因此导致磷的容积负荷不断上升，厌氧释磷受到影响. 由于释磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷过程中利用硝态氮的量降低，因此导致出水的硝态氮浓度逐渐升高. 3种工况厌氧结束时厌氧区磷容积负荷分别上升到68.27、 76.50和85.89 g ·(m3 ·d)-1，相应的磷去除负荷分别为62.52、 71.93和78.58 g ·(m3 ·d)-1，吸磷量分别为12.79、 11.93和10.04 mg ·L-1(图 5).

图 5 不同厌氧区容积负荷条件下吸磷情况 Fig. 5 Phosphorus uptake condition under different anaerobic zone volume load

通过对释磷量和吸磷量的综合分析，在工况Ⅱ[厌氧区磷负荷33.82 g ·(m3 ·d)-1]条件下，PO3-4-P去除率比较高. 从图 5可以看出，该条件下出水NO-x-N浓度在1.75 mg ·L-1左右，说明电子受体相对充足，出水的PO3-4-P平均浓度为0.76 mg ·L-1. 而工况Ⅰ[厌氧区磷负荷29.29 g ·(m3 ·d)-1]的出水PO3-4-P浓度为1.18 mg ·L-1，相比较而言，工况Ⅰ好氧区比例相对较小，对氨氮的去除率较低(图 1)，由硝化菌氧化氨氮产生的硝态氮电子受体不足，导致出水PO3-4-P浓度较高. 在工况Ⅲ[厌氧区磷负荷39.30 g ·(m3 ·d)-1]条件下，虽然出水的PO3-4-P浓度比较低，但是由于释磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷过程中利用硝态氮的量降低，使得出水NO-x-N的浓度较高.

经过60 d的稳定运行，3种工况条件对于COD均可以保持较高的去除率，但是对于NH+4-N和PO3-4-P的去除，工况Ⅱ和工况Ⅲ条件要好于工况Ⅰ，主要原因是好氧区容积负荷的大小决定着氨氮氧化的情况，而氧化产物NO-x-N是反硝化除磷电子受体来源，所以除磷能力的高低与NO-x-N量的多少有重要关系. 在工况Ⅲ条件下，氨氮充分氧化生成氧化态氮，但反硝化聚磷菌并没有充分利用，造成出水的硝态氮浓度过高. 在工况Ⅱ条件下，即好氧区氮负荷为186.14 g ·(m3 ·d)-1，厌氧区磷和COD的负荷分别为33.82 g ·(m3 ·d)-1和1517.42 g ·(m3 ·d)-1时，由于硝化生物膜氧化氨氮产生的硝态氮作为反硝化聚磷菌的电子受体被反硝化聚磷菌充分利用，所以出水硝态氮低于其它两种运行条件.

3 结论

(1)随着好氧区氮容积负荷的减少，氨氮去除率相应的增加，3种工况条件下氨氮去除率分别为75.07%、 80.63%和83.66%，氮去除负荷分别为181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1.

(2)随着厌氧区有机负荷的增大，厌氧结束时COD的去除率逐渐减少，3种工况条件下COD去除率分别89.53%、 83.24%和71.60%.

(3)随着厌氧区磷容积负荷的增大，释磷量逐渐降低，3种工况条件下释磷量分别为8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1，吸磷量分别为12.79、 11.93和10.00 mg ·L-1.

(4)从生物膜-颗粒污泥耦合工艺对有机物、 氮、 磷污染物的去除情况来看，工况Ⅰ条件下NH+4-N和PO3-4-P的去除率不高，工况Ⅲ条件下氮的去除率不高，所以工况Ⅱ为最佳运行工况.

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