环境科学  2019, Vol. 40 Issue (2): 799-807   PDF    
引用本文
赵智超, 黄剑明, 李健, 张为堂, 张力航, 吴雪晴, 陈永志. 间歇曝气连续流反应器同步硝化反硝化除磷[J]. 环境科学, 2019, 40(2): 799-807.
ZHAO Zhi-chao, HUANG Jian-ming, LI Jian, ZHANG Wei-tang, ZHANG Li-hang, WU Xue-qing, CHEN Yong-zhi. Simultaneous Nitrification and Denitrifying Phosphorus Removal in Continuous Flow Reactor with Intermittent Aeration[J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 799-807.
间歇曝气连续流反应器同步硝化反硝化除磷
赵智超1, 黄剑明1, 李健1, 张为堂2, 张力航1, 吴雪晴1, 陈永志1     
1. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070;
2. 北控水务(中国)投资有限公司, 北京 100124
收稿日期: 2018-07-13; 修订日期: 2018-08-14
基金项目: 国家自然科学基金项目(51668033);甘肃省高等学校特色专业-环境工程(101004);兰州交通大学大学生创新实验项目(2018110)
作者简介: 赵智超(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为水污染控制理论与技术, E-mail:1606944231@qq.com
通信作者: 陈永志, E-mail:476411589@qq.com
摘要: 采用连续流反应器处理生活污水，保持厌氧段格室为3格，将缺氧段格室从2格减少至0格，好氧段格室由5格逐渐增加至7格，Run1时对好氧段格室采用连续曝气，Run2~Run4时采用间歇曝气.曝/停比分别为:40 min/20 min、40 min/30 min、40 min/40 min，硝化液回流比从150%逐渐减少至0%.Run4时，平均进水COD、NH4+-N、TN、PO43--P浓度分别为259.34、60.26、64.42、6.10 mg·L-1，出水COD、NH4+-N、TN、PO43--P分别为26.40、1.03、5.84、0.30 mg·L-1.反应器对氮素的去除量从Run1时的192.30 mg·h-1逐渐增加至Run4时的244.00 mg·h-1，相应地去除率从65.40%逐渐增大至95.30%;从Run1~Run4，反硝化聚磷菌和聚磷菌的活性分别从36.05%和38.20%增大至140.50%和133.40%;通过间歇曝气在连续流反应器中实现了同步硝化反硝化除磷脱氮，为污水处理厂提标改造提供参考.
关键词: 连续流反应器      间歇曝气      反硝化聚磷菌      同步硝化反硝化除磷      生活污水     
Simultaneous Nitrification and Denitrifying Phosphorus Removal in Continuous Flow Reactor with Intermittent Aeration
ZHAO Zhi-chao1 , HUANG Jian-ming1 , LI Jian1 , ZHANG Wei-tang2 , ZHANG Li-hang1 , WU Xue-qing1 , CHEN Yong-zhi1     
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;
2. Beijing Enterprises Water Group(China) Investment Limited, Beijing 100124, China
Abstract: A continuous flow reactor (TCFR) with 10 compartments was used to treat domestic sewage. The anaerobic compartments of TCFR were kept at 3. The anoxic compartments of TCFR were reduced from 2 to 0. Therefore, the aerobic compartments of TCFR were increased gradually from 5 to 7. The aerobic compartments were set to continual aeration in Run1 and intermittent aeration from Run2 to Run4. The aeration/non-aeration ratios were 40 min/20 min, 40 min/30 min, and 40 min/40 min, respectively. The nitrification liquid reflux ratios were reduced gradually from 150% to 0%. When the average influent concentrations of COD, NH4+-N, TN, and PO43--P were 259.34, 60.26, 64.42, and 6.10 mg·L-1, respectively, the corresponding effluent concentrations were 26.40, 1.03, 5.84, and 0.3 mg·L-1, respectively in Run4. The nitrogen removal amounts increased gradually from 192.30 mg·h-1 in Run1 to 244.00 mg·h-1 in Run4, and the corresponding removal rates increased from 65.40% to 95.30%. The activity of denitrifying phosphorus accumulating organisms (DPAOs) and phosphorus accumulating organisms (PAOs) increased from 36.05% and 38.20% in Run1 to 140.50% and 133.40% in Run4, respectively. Simultaneous nitrification and denitrifying phosphorus removal was achieved in TCFR by adopting intermittent aeration, which provided a reference for the reformation of sewage treatment plants.
Key words: continuous flow reactor      intermittent aeration      denitrifying phosphorus accumulating organisms(DPAOs)      simultaneous nitrification and denitrifying phosphorus removal      domestic sewage     

AAO工艺是我国城市污水处理厂主体工艺[1], 该工艺具有运行经验成熟、适用范围广、以及水力停留时间较短等优点, 但从实际运行情况看, 由于回流污泥将一部分硝态氮和溶解氧带入厌氧段, 抑制聚磷菌厌氧释磷, 使得除磷效果不稳定[2~5]; UCT工艺通过改变AAO工艺的污泥回流机制, 将污泥回流到缺氧段而非厌氧段, 污泥中的硝酸盐在缺氧段反硝化脱氮后部分回流至厌氧段, 减少了硝酸盐在厌氧段对释磷的不利影响, 但是增加了能耗和运行费用[6~8].

同步硝化反硝化除磷工艺是指在硝化菌和反硝化聚磷菌作用下, 在同一反应器中同时完成硝化、反硝化和除磷.该工艺不仅减少反应池体积, 而且实现了“一碳两用”, 节约碳源, 减少污泥产量[9].林金銮等[10]通过在厌氧/好氧SBR中控制较低的溶解氧浓度实现了同步硝化反硝化除磷.阳素攀等[11]采用厌氧/好氧和厌氧/缺氧/好氧两种运行模式, 在单一反应器中实现了硝化菌和反硝化聚磷菌的共存.方茜等[12]采用模拟废水和厌氧/间歇曝气模式, 成功实现了同步硝化反硝化除磷.但是以上研究均采用SBR反应器, 对于在连续流反应器中实现同步硝化反硝化除磷还鲜见报道.本文将间歇曝气应用于传统AAO工艺中, 通过逐渐取消硝化液回流和缺氧段, 实现了同步硝化反硝化除磷, 同时考察了该过程中污染物去除特性, 并采用物料衡算方法分析了无机氮去除途径以及反硝化聚磷菌和聚磷菌活性, 以期为传统脱氮除磷工艺升级改造提供理论参考.

1 材料与方法 1.1 实验装置

本实验装置如图 1所示.反应器材质均为有机玻璃, AAO的有效容积60 L, 共分10格室, 依次设置厌氧段、缺氧段和好氧段, 初始体积比为3 :2 :5;生活污水经蠕动泵进入AAO厌氧段, 同时进入厌氧段的还有从沉淀池回流的污泥, 聚磷菌在此完成厌氧释磷及COD的部分去除; 厌氧段泥水混合液进入缺氧段, 同时进入缺氧段的还有好氧段回流的硝化液, 在此进行异养脱氮和反硝化除磷; 混合液接着进入好氧段完成硝化作用和同步硝化反硝化聚磷脱氮, 最后进入沉淀池完成泥水分离.好氧段设有曝气头, 采用鼓风曝气, 转子流量计调节流量, 二沉池采用竖流式, 有效容积为28 L, 系统进水流量、污泥回流量、硝化液回流量采用蠕动泵控制, 曝/停比采用定时器控制.

图 1 连续流反应器装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of the continuous flow reactor

本实验用水温度为20~27℃, 污泥龄控制在12 d左右, 污泥回流比100%, MLSS为3 000~3 500 mg ·L-1.

1.2 实验用水及检测方法

实验用水采用兰州交通大学生活区污水, 具体水质见表 1.

表 1 实验用水水质/mg ·L-1 Table 1 Quality of raw wastewater/mg ·L-1

COD、NH4+-N、NO3--N、PO43--P、TN根据国家标准方法[13]测定. MLSS、MLVSS采用滤纸重量法测定. DO和温度由德国Multi-3420测定仪测定.

1.3 实验方案

各工况下实验运行参数见表 2.

表 2 实验运行方案 Table 2 Experimental operation scheme

1.4 无机氮去除物料衡算方法

图 2为反应器中无机氮去除物料衡算.无机氮等于NH4+-N、NO2--N和NO3--N三者之和, 由于反应器内NO2--N浓度小于0.50 mg ·L-1, 且变化很小, 因此忽略不计.为研究不同工况下反应器对无机氮的总去除量, 以及各功能段对应的无机氮去除量, 采用物料衡算方法分析了无机氮的去除途径.无机氮在厌氧段被去除主要是通过异养反硝化作用, 在缺氧段通过反硝化聚磷作用和异养反硝化作用, 在好氧段通过同步硝化反硝化聚磷作用.

图 2 反应器内无机氮物料衡算 Fig. 2 Schematic diagram of the balance analysis of inorganic nitrogen in the reactor

厌氧段去除的无机氮:

(1)

缺氧段去除的无机氮:

(2)

好氧段去除的无机氮:

(3)

NH4+-N被氧化后生成的NO3--N:

(4)

式中, Qin为进水流量, QAna、QA和QO分别为厌氧段、缺氧段和好氧段出水流量, Qr为硝化液回流量, QR为污泥回流量, 单位均为L ·h-1; cin(NO3--N)、cAna(NO3--N)、cA(NO3--N)、cO(NO3--N)、cR(NO3--N)和cr(NO3--N)分别为进水、厌氧段出水、缺氧段出水、好氧段出水、回流污泥和回流硝化液NO3--N浓度, 单位均为mg ·L-1; cA(NH4+-N)和cO(NH4+-N)分别为缺氧段和好氧段出水NH4+-N浓度, 单位均为mg ·L-1; f1为每氧化1 mg NH4+-N生成的NO3--N, 根据反应器实际情况, f1=1.00.

1.5 聚磷菌(PAOs)和反硝化聚磷菌(DPAOs)活性计算

PAOs和DPAOs的活性分别用以下公式计算:

(5)
(6)

式中, PUROn和PURann分别为第nd时的总吸磷速率和反硝化聚磷速率, PUROM和PURanM分别为整个试验阶段的总吸磷速率平均值和反硝化聚磷速率平均值, 均以PO43-/VSS计, mg ·(g ·h)-1.

(7)
(8)
(9)
(10)
(11)

式中, ΔPO4缺3-为缺氧段吸磷量, ΔPO4同3-为好氧段同步硝化反硝化吸磷量, ΔPO4总3-为缺氧段和好氧段吸磷量之和, 单位均为mg ·L-1; MLSS为反应器内污泥浓度, g ·L-1; HRT缺+好为反应器缺氧段和好氧段水力停留时间之和, h; cAna(PO43-)、cA(PO43-)和cO(PO43-)分别为厌氧段、缺氧段和好氧段出水PO43--P浓度, 单位均为mg ·L-1; ΔNO3--N同为好氧段同步硝化反硝化聚磷作用脱氮量, 间歇曝气时好氧段COD浓度几乎无变化, 因此异养反硝化脱氮量不计. f2为反硝化聚磷过程中的ΔPO43-/ΔNO3-, 其值为0.80~1.40.其它参数见1.4节.

2 结果与讨论 2.1 启动过程中反应器对污染物的去除特性

在整个实验过程中, 系统平均进水COD浓度为269.34 mg ·L-1, 出水COD浓度低于50.00 mg ·L-1[图 3(a)].这是因为生活污水中的COD大部分为易降解有机物, 很容易得到去除.系统平均进水NH4+-N浓度为63.61 mg ·L-1, 出水NH4+-N浓度均低于2.00 mg ·L-1, 去除率均高于95.00%.系统平均进水TN浓度为63.42 mg ·L-1, Run1时出水TN浓度为14.42 mg ·L-1; Run2~Run4, 出水TN浓度低于6.00 mg ·L-1, 去除率高于90.00%[图 3(b)].

图 3 不同工况下系统对污染物的去除效果 Fig. 3 Removal efficiency of pollutants by the system under different operating conditions

这是因为Run1时采用连续曝气, 好氧段无同步硝化反硝化作用, 因此出水TN较高; 而Run2~Run4采用间歇曝气, 创造了好氧/缺氧交替环境, 有利于硝化菌的增殖, 为同步硝化反硝化聚磷提供有利条件, 所以出水TN较低[14, 15]; 系统平均进水PO43--P浓度为6.10 mg ·L-1, 出水平均PO43--P浓度均不大于0.50 mg ·L-1, 去除率均大于86.00%[图 3(c)].可见, 不管采用连续曝气还是间歇曝气, 均取得较好的除磷效果.

2.2 不同工况下污染物的沿程变化

在整个实验过程中, 平均进水COD浓度为259.34 mg ·L-1, 出水COD浓度均小于50 mg ·L-1(图 4).分析认为:聚磷菌在厌氧段释磷均需要消耗COD[16], 同时, 由于Run1是按传统AAO运行, 其回流污泥中携带的硝态氮导致厌氧段存在异养反硝化作用去除了部分COD[17]; COD在缺氧段减少是反硝化菌利用有机物完成异养脱氮作用; COD在好氧段的降低主要是被好氧异养菌用于自身生长和繁殖. Run2和Run3是在间歇曝气模式下运行的, 缺氧段出水COD浓度基本接近最终出水浓度; Run4在无硝化液回流条件下运行, 厌氧段出水COD浓度基本接近出水COD浓度.

图 4 不同工况时污染物浓度沿程变化 Fig. 4 Concentrations of pollutants in different stages under different operating conditions

4种工况下, 进水NH4+-N浓度在65.00~75.00 mg ·L-1之间波动, 在厌氧段由于回流污泥的稀释作用使NH4+-N浓度均降低.通过好氧段的氧化作用, 出水NH4+-N浓度均在2.00 mg ·L-1以下. NO2--N沿程浓度均低于0.50 mg ·L-1(图 4). Run1时, 由于连续曝气, 系统中同步硝化反硝化聚磷作用较弱, 导致出水NO3--N浓度高达14.00 mg ·L-1.从Run2至Run4, 由于间歇曝气, 系统中同步硝化反硝化聚磷作用较强, 出水NO3--N浓度均低于5.00 mg ·L-1, 回流污泥仅携带少量NO3--N, 厌氧段硝氮浓度几乎没有增加.拟合硝氮曲线是根据NH4+-N被氧化后理论上生成的NO3--N浓度绘制的曲线, 计算方法参考1.4节中的式(4), 其与实际硝氮曲线的差值近似为同步硝化反硝化聚磷作用的脱氮量.

4种工况下, 由于聚磷菌的厌氧释磷作用导致PO43--P浓度在厌氧段大量增加, PO43--P浓度在厌氧结束时分别达到9.12、19.81、23.84和23.09 mg ·L-1, 释磷量逐渐增加. Run1至Run3回流的硝化液为其缺氧段提供电子受体, 实现了反硝化除磷; 4种工况下PO43--P浓度在好氧段分别降低了1.00、12.14、19.84和22.61 mg ·L-1, 其出水浓度均不大于0.50 mg ·L-1, 达到一级A标准.

从Run1~Run4, 随着硝化液回流从150%逐渐降低至0%, 进入好氧段的NH4+-N负荷不断增加, 但是出水NH4+-N浓度仍然小于2.00 mg ·L-1, NH4+-N浓度在好氧段分别减少了13.5、14.88、24.10和30.43 mg ·L-1, 这是因为HRT从Run1和Run2时的10h增加至Run3和Run4时的15h; Run1采用连续曝气, 其好氧段仅存在硝化作用, 几乎没有同步硝化反硝化聚磷作用; 而Run2~Run4时, 由于间歇曝气使其好氧段存在同步硝化反硝化聚磷作用, 导致NH4+-N在好氧段不断减少, 而NO3--N浓度分别仅增加了3.40、3.76和4.21 mg ·L-1; 同时, PO43--P浓度在大幅下降; 因为异养反硝化菌几乎没有可利用的碳源, 且反硝化菌利用内碳源的速率又远低于反硝化聚磷菌的速率[18], 所以NO3--N主要通过同步硝化反硝化聚磷作用去除.

间歇曝气创造出好氧/缺氧交替环境, 曝气时, 硝化菌将NH4+-N氧化成NO3--N; 停曝时, 反硝化聚磷菌以NO3--N为电子受体吸收污水中的PO43--P, 实现同步硝化反硝化除磷; 聚磷菌厌氧释磷量越大, 合成的PHB越多, 为同步硝化反硝化聚磷提供足够的碳源驱动力[11].方茜等[12]采用厌氧/好氧SBR处理模拟生活污水, 在间歇曝气模式下对污泥进行驯化, 成功实现了同步硝化反硝化除磷(SNDPR).阳素攀[19]发现吸收1.00 mg PO43--P同时反硝化脱氮量为0.79 mg, 而本实验中吸收1.00 mg PO43--P同时反硝化脱氮量为1.40 mg, 这可能是因为在外界条件变化时反硝化聚磷菌同时去除氮磷的比例并非定值[20].

2.3 不同工况下无机氮去除途径物料衡算

在4种工况下, 无机氮去除途径物料衡算见表 3.当系统由连续曝气转变为间歇曝气的过程中, 随着曝/停比的减少, 好氧段对无机氮的去除量由Run1时的10.50 mg ·L-1持续增加至Run4时的240.00 mg ·L-1, 而厌氧段和缺氧段对无机氮的去除量均随着曝/停比减少而降低.分析原因: ①当采用间歇曝气后, 好氧段处于好氧/缺氧交替状态, 硝化和反硝化同步进行, 因此无机氮去除量增加. ②当缺氧格数从Run1的2减少至Run4的0时, 导致缺氧段HRT减少, 其无机氮去除量减少. ③随着曝/停比减少, 回流污泥中携带的硝氮量减少, 厌氧段去除的无机氮也随之降低. ④当HRT延长, 无机氮总去除量和去除率也增加.

表 3 无机氮去除物料衡算/mg ·h-1 Table 3 Material balance of inorganic nitrogen removal/mg ·h-1

2.4 PAOs和DPAOs活性变化

PAOs和DPAOs的活性、PURO以及PURan均随着间歇曝/停比的减小而增加(见图 5).在Run1时, PAOs和DPAOs的活性分别为38.20%和36.05%, PURO和PURan仅为0.19 mg ·(g ·h)-1和0.17 mg ·(g ·h)-1, 这是因为反应器在连续曝气模式下运行, 对PAOs和DPAOs厌氧释磷不利, 两者活性均受抑制; Run2时, PAOs和DPAOs的活性分别为105.27%和105.12%, 增加幅度分别高达67.07%和69.07%.分析原因, 反应器由连续曝气改为间歇曝气时, 好氧段发生的同步硝化反硝化聚磷作用显著降低了回流污泥中的硝氮和氧气浓度, 为PAOs和DPAOs厌氧释磷提供有利条件, 使其能够优势生长.从Run2至Run4时, PAOs和DPAOs的活性继续增加, 但增加幅度分别为28.13%和35.41%, Run4时PURO和PURan分别达到0.66 mg ·(g ·h)-1和0.65 mg ·(g ·h)-1, 这是因为一方面停曝时间越长, 缺氧时间越长, 越利于DPAOs的优势生长[21]; 另一方面, 硝化液回流比减少, 进入好氧段的氨氮浓度提高, 使得DPAOs有较多的硝氮作为电子受体; PAOs活性呈现出与DPAOs相似的增长趋势, 说明聚磷菌中反硝化聚磷菌的比例较大[22, 23].

图 5 各工况下的PAOs和DPAOs活性以及PURan和PURO Fig. 5 Activity of PAOs and DPAOs, PURan and PURO under different operational conditions

2.5 不同工况下典型周期内出水污染物浓度变化

不同工况下典型周期内出水污染物浓度变化见图 6. Run1时, 出水COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P浓度相对恒定, 其平均值分别为36.16、1.05、0.35、13.26和0.40 mg ·L-1; 从Run2~Run4, 在曝气阶段, 出水NH4+-N浓度降低, 出水NO3--N浓度升高; 在停曝阶段, 出水NH4+-N浓度升高, 出水NO3--N浓度降低; 其中Run2时出水NH4+-N浓度在曝气时从2.00 mg ·L-1降低至0.50 mg ·L-1, 又在停曝后升高至1.20 mg ·L-1; 出水NO3--N浓度在曝气时从4.10 mg ·L-1升高至4.90 mg ·L-1, 又在停曝后降低至3.50 mg ·L-1.且随着曝/停比减少, 出水NH4+-N和NO3--N浓度的波动幅度不断增加, 但出水TN均低于10.00 mg ·L-1; 方茜等[24]的研究发现, 随着停曝时间增加, 硝化和反硝化不易平衡, 导致出水氮素浓度波动较大; 而出水COD、PO43--P浓度变化不大, 分析认为, COD基本在厌氧段被PAOs和DPAOs用于释磷过程, 而聚磷菌在好氧和缺氧状态下均可以吸收水中磷酸盐[25, 26]; Run2~Run4的平均出水COD、NO3--N、PO43--P浓度分别低于25.00、5.00和0.4 mg ·L-1, 优于Run1时; 相比Run4, Run2和Run3的出水NH4+-N和NO3--N浓度更加稳定; 从Run1~Run4, 硝化液回流比是逐渐降低的; 从出水水质和节能降耗的角度, Run3较优.

图 6 不同工况下典型周期内出水污染物浓度变化 Fig. 6 Variation of effluent pollutant concentrations in a typical cycle under different operating conditions

2.6 不同工况下典型周期内好氧段溶解氧浓度变化

不同工况下好氧段典型周期内溶解氧浓度的变化见图 7. Run1为连续曝气, 其溶解氧浓度从好氧一至好氧五不断增加, 好氧五溶解氧浓度为5.30 mg ·L-1. Run2~Run4为间歇曝气, 在曝气阶段, 溶解氧浓度随好氧格室数增加而提高, 但比连续曝气模式增加幅度较小, 而且最大溶解氧浓度逐渐降低, 分别为3.20、2.30和1.60 mg ·L-1, 使得好氧吸磷反应不断减弱[27, 28]; 在停曝期间, Run2~Run4好氧格内溶解氧浓度均不断降低, 其中Run4中全部好氧格内溶解氧浓度在停曝20 min内能迅速降低至0.30~0.50 mg ·L-1以下, 该工况下停曝时间最长, 因此缺氧状态保持时间较长, 为反硝化聚磷创造有利条件.

图 7 不同工况下典型周期内好氧段溶解氧浓度变化 Fig. 7 Variations of dissolved oxygen concentrations in the aerobic section of a typical cycle under different operating conditions

3 结论

(1) 间歇曝气连续流反应器省去了传统AAO的硝化液回流和缺氧段, 当进水COD、NH4+-N、TN和PO43--P浓度分别为259.34、60.26、64.42和6.10 mg ·L-1时, 在曝/停比为40 min/40 min(Run4)时, 其出水浓度分别为26.40、1.03、5.84和0.30 mg ·L-1, 出水水质达到一级A标准.

(2) 间歇曝气有利于同步硝化反硝化除磷, 使回流污泥中的NO3--N和溶解氧浓度均较低, 为厌氧段聚磷菌充分释磷创造条件, 为其在好氧和缺氧条件下的吸磷提供了充足的碳源驱动力; 好氧段将NH4+-N的硝化与反硝化聚磷有机结合, 完成同步脱氮除磷.从Run2至Run4, 好氧格室最大溶解氧浓度分别为3.20、2.30和1.60 mg ·L-1, 出水NO3--N浓度均小于5.00 mg ·L-1; 在厌氧段, 释磷量均在20.00 mg ·L-1左右.在好氧段, NH4+-N浓度分别减少了14.88、24.10和30.43 mg ·L-1, PO43--P浓度分别降低了12.14、19.84和22.61 mg ·L-1, NO3--N浓度分别仅增加了3.40、3.76和4.21 mg ·L-1.

(3) 间歇曝气有利于反硝化聚磷菌和聚磷菌的优势生长, 使二者的活性从连续曝气(Run1)时的36.05%和38.20%分别增大至曝/停比为40 min/40 min(Run4)的140.50%、133.40%.当曝/停比减少时, 厌氧段和缺氧段去除的无机氮减少, 而好氧段去除的无机氮提高, 系统对无机氮的总去除量增加.

(4) 间歇曝气连续流反应器在单周期内出水COD和PO43--P浓度保持稳定, 出水NH4+-N和NO3--N浓度出现周期性浮动, 但出水TN浓度均小于10 mg ·L-1.

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