环境科学  2018, Vol. 39 Issue (4): 1704-1712   PDF    
引用本文
南彦斌, 彭永臻, 曾立云, 赵智超, 刘宏, 李慧, 陈永志. 分段进水对改良A2/O-BAF双污泥系统反硝化除磷脱氮的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(4): 1704-1712.
NAN Yan-bin, PENG Yong-zhen, ZENG Li-yun, ZHAO Zhi-chao, LIU Hong, LI Hui, CHEN Yong-zhi. Effect of Step Feed on Denitrifying Phosphorus and Nitrate Removal in a Modification of the Two Sludge A2/O-BAF System[J]. Environmental Science, 2018, 39(4): 1704-1712.
分段进水对改良A2/O-BAF双污泥系统反硝化除磷脱氮的影响
南彦斌1, 彭永臻2, 曾立云1, 赵智超1, 刘宏1, 李慧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. 北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室, 北京 100124
收稿日期: 2017-09-28; 修订日期: 2017-10-18
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项目（101004）；兰州交通大学教改重点项目；大学生创新实验项目（2017063）
作者简介: 南彦斌(1991~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为污水脱氮除磷, E-mail:2474347552@qq.com
通信作者: 陈永志, E-mail:476411589@qq.com
摘要: 采用改良A2/O-BAF双污泥系统处理低C/N比生活污水，为提高碳源利用率，研究了两段进水（预缺氧段和缺氧段）对反硝化除磷脱氮的影响，同时根据COD的物料衡算公式，分析评价了不同进水比下，碳源的利用情况.结果表明当分段进水比为7：3时，平均进水COD、NH4+-N、TN、TP浓度分别为174.99、58.19、59.10、5.15 mg·L-1，出水COD、NH4+-N、TN、TP浓度分别为29.48、4.07、14.10、0.44 mg·L-1，去除率分别为82.12%、92.76%、75.45%、91.20%；系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例（DPAOs/PAOs）为98.81%，此时系统反硝化除磷脱氮最佳，同时碳源的有效利用率达85.77%，平衡百分比为92.33%.通过优化分段进水，碳源被有效利用，提高了同步脱氮除磷效率，为改良A2/O-BAF双污泥系统处理低C/N比污水提供理论依据.
关键词: 分段进水比      反硝化除磷脱氮      碳源利用率      物料平衡      低C/N比     
Effect of Step Feed on Denitrifying Phosphorus and Nitrate Removal in a Modification of the Two Sludge A2/O-BAF System
NAN Yan-bin1 , PENG Yong-zhen2 , ZENG Li-yun1 , ZHAO Zhi-chao1 , LIU Hong1 , LI Hui1 , CHEN Yong-zhi1     
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;
2. National Engineering Laboratory of Urban Sewage Advanced Treatment and Resource Utilization Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
Abstract: A modification of the two sludge A2/O-BAF system was used to treat low C/N real domestic sewage. In order to improve the utilization of the carbon source, the effects of two step feeds (pre-anoxic zone and anoxic zone) on denitrifying phosphorus and nitrate removal were studied. According to the formula of material balance for COD, the utilization of carbon source was analyzed and evaluated under different ratios of step feed, simultaneously. The results showed that when the ratio of step feed was 7:3 and the influent concentrations of COD, NH4+-N, TN, and TP were 174.99, 58.19, 59.10, and 5.15 mg·L-1, respectively, their effluent concentrations were 29.48, 4.07, 14.10, and 0.40 mg·L-1, and the removal rates were 82.12%, 92.76%, 75.45%, and 91.20%, respectively. It was found that when the ratio of the denitrifying phosphorus accumulation organisms to the phosphorus accumulation organisms(DPAOs/PAOs) was 98.81%, the efficiencies of denitrifying phosphorus and nitrate removal were optimum. By optimizing step feed, the carbon source was utilized effectively, and the efficiencies of nitrogen and phosphorus removal were improved simultaneously. The theoretical basis has thus been provided for the modification of the two sludge A2/O-BAF system to treat low C/N waste water.
Key words: ratio of step feed      denitrifying phosphorus and nitrate removal      utilization of carbon sources      material balance      low C/N     

我国市政污水天然存在碳氮比(C/N)较低的特点[1], 导致同步脱氮除磷所需碳源缺乏, 使得污水处理厂氮磷不能同时达标.有效利用原水中的有机碳源对同步脱氮除磷具有重要意义, 分段进水是提高碳源利用率的有效手段[2], 国内外许多学者从最初的数学模型模拟[3]、过程控制[4, 5]到目前的工艺设计参数及运行的影响因素[6~8]等进行了深入研究, 并取得一定进展.王敏等[9]采用三级A/O分段进水工艺处理低碳源生活污水, 发现分段进水工艺在对碳源的有效利用及能耗节省方面优于单点进水.王伟等[10]用流量分配模糊控制方法进行分段进水, 提高了A2/O的脱氮除磷性能.王振国等[11]对改良A2/O工艺进行分段进水, 实现了低C/N比条件下TN和TP的有效去除.王慰等[12]用分段进水的方式, 后置缺氧UCT工艺在处理C/N比为3左右的生活污水时, 系统可通过好氧段同步硝化内源反硝化提高TN去除率.对A2/O-BAF工艺的研究多集中于过程控制和参数优化, 而分段进水方面的研究较鲜见.

对A2/O-BAF工艺而言, 采用单点进水时, 原水中的绝大部分COD在A2/O厌氧区被厌氧释磷利用, 导致缺氧区的碳源不足, 而采用分段进水时, 有机碳源在预缺氧段和缺氧段合理分配, 不仅可以使聚磷菌(PAOs)充分释磷, 而且可以保证反硝化脱氮[13].本文采用改良A2/O-BAF工艺, 通过分段进水调整原水在预缺氧段和缺氧段的比例, 旨在实现低C/N比条件下的深度脱氮除磷, 同时采用小试考察了分段进水时PAOs的厌氧释磷量及反硝化聚磷菌(DPAOs)占PAOs的比值.

1 材料与方法 1.1 试验装置及运行程序

试验装置见图 1, 采用有机玻璃制成, A2/O总有效容积60 L, 分10个格室, 依次为预缺氧段、厌氧段、缺氧段、好氧段, 体积比为1:2:5:2, 前8个格室均设有电动搅拌机, 好氧段设有曝气头, 采用鼓风曝气, 转子流量调节曝气量.二沉池采用竖流式, 有效容积为28 L, BAF池采用上向流, 有效容积为23.5 L, 内置活性生物填料, 底部布设细孔沙芯曝气头, 由空气压缩机提供曝气并用转子流量计控制曝气量.系统进水流量、污泥回流量、硝化液回流量、BAF进水流量均由蠕动泵控制.

图 1 分段进水改良A2/O-BAF工艺流程示意 Fig. 1 Schematic diagram of the step feed enhanced A2/O-BAF process

生活污水从原水箱通过蠕动泵分两段进入A2/O反应器, 其中一段进入预缺氧段, 第二段进入缺氧段, 同时二沉池的回流污泥同步进入到预缺氧段, BAF中的硝化液进入缺氧段, 进行反硝化脱氮除磷, 在好氧段完成剩余磷的吸收和氮气的吹脱; 经过二沉池的澄清, 含有NH4+-N的上清液进入BAF, 完成硝化反应, 出水一部分回流到A2/O的缺氧段, 另一部分排放.

本试验的温度为24~27℃, 进水流量为180 L·d-1, A2/O的HRT为8 h, 污泥龄(SRT)在12 d左右, 好氧段DO为2~3 mg·L-1, 污泥回流比为100%, 硝化液回流比为200%, MLSS为2 000~2 800 mg·L-1; BAF中DO为6~8 mg·L-1; 调整预缺氧段和缺氧段的进水比例分别为5:5(run1)、6:4 (run2)、7:3 (run3)、10:0 (run4).

1.2 试验用水及检测方法

以兰州交通大学住宅区化粪池生活污水为试验水源, 具体水质见表 1.

表 1 进水水质 Table 1 Influent characteristics

水样根据国家标准方法[14]测定COD、NH4+-N、NO3--N、PO43--P、TN和TP. MLSS、MLVSS采用滤纸重量法测定, SV采用30 min沉降法测定. pH、DO和温度由德国Multi-3420测定仪测定.

1.3 碳平衡分析方法

生化系统中碳指标用COD间接表示, 碳的物料平衡及利用率用COD的质量变化情况计算, 反应过程中流量及COD的变化情况见图 2, 由碳平衡计算方法[15]可得：

图 2 改良A2/O-BAF系统COD的平衡分析 Fig. 2 Balance analysis of COD in the modified A2/O-BAF system

(1)
(2)
(3)
(4)

式中, Minf.COD为进入系统的COD总量, Meff.COD为系统出水的COD量, MPDN.COD为A2/O中预缺氧段利用的COD量, MANA.COD为厌氧段利用的COD量, M(ANl-S). COD为缺氧、好氧段利用的COD量, M(s-eff).COD为BAF段利用的COD量, MW.COD为剩余污泥中的COD量, 均为mg·d-1; Qin1、Qin2分别为进水预缺氧段、缺氧段流量, QR为回流污泥流量, Qr为回流硝化液流量, QW为剩余污泥排放量, Qeff为出水流量, 均为L·d-1; cin1、cin2分别为进水预缺氧段、缺氧段COD浓度, cS.COD为二沉池COD浓度, ceff.COD为出水COD浓度, XW为剩余活性污泥浓度, 均为mg·L-1, f为挥发性活性污泥浓度与剩余活性污泥浓度的比值, fCV为活性污泥中有机物COD的化学计量系数, 以每mg挥发性活性污泥浓度中含有1.48 mg COD计[16].

1.4 反硝化除磷污泥活性分析

反应器运行稳定后, 进行小试, 确定不同分段进水比条件下DPAOs占PAOs的比例[17].根据相邻2次测得PO43--P的浓度差计算厌氧释磷速率(Ran)、缺氧吸磷速率(PURan)和好氧吸磷速率(PURo), 计算公式如下[18]：

(5)
(6)
(7)

由Ran、PURan和PURo的计算结果, 得到污泥的Ranmax、PURanmax和PURomax, 从而计算出PURanmax/PURomax的比值, 即得到DPAOs/PAOs比例.

2 结果与讨论 2.1 分段进水对有机物去除及利用率的影响

分段进水时系统对有机物的去除效果见图 3, 可以看出, 在进水COD为99.33~284.45 mg·L-1时, 各工况下出水COD的平均浓度都呈现递减的趋势, 均在40 mg·L-1以下, 满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002一级A排放标准, 去除率都在80%左右, 说明分段进水对COD的去除影响较小.

图 3 各工况下系统对COD的去除效果 Fig. 3 COD removal rate of the system under different operational conditions

图 4为分段进水时COD在系统中的沿程变化.可以看出, COD在沿程均呈现降低的趋势, 预缺氧段和厌氧段对COD的去除量最大, 而其余各段对COD的去除量较小, 通过物料衡算知(表 2), 系统在预缺氧段和厌氧段有机物的降解量分别占有机物流入量的35.29%、59.09%、71.42%、63.82%, 而缺氧段和好氧段分别占有机物流入量的32.79%、30.56%、21.35%、17.02%, 随着分段进水比在预缺氧段的增大, 进水碳源的利用率先增大后减小.分析原因：在预缺氧段进水比逐渐增大, 必然导致在缺氧段的进水比逐渐减小, 而在预缺氧段和厌氧段, PAOs充分利用碳源进行释磷, 并合成内碳源, 当预缺氧段的进水比过大时, 系统会过量释磷, 而在缺氧段进水比例过大时, 碳源量增加, 使DPAOs的活性受到抑制[19], 在BAF出水中, 有机物的量较二沉池出水有所增加, 分析原因可能是由于BAF进水有机物浓度较低, 部分细胞发生老化, 生物膜发生脱落, 使得组成生物膜的一些胞外多聚物(多糖、蛋白和核酸)溶解在水中[20], 导致COD在BAF中有所升高.由表 2计算出4个工况下COD的有效利用率分别为：57.38%、75.00%、85.77%、76.60%, 平衡百分比分别为：91.57%、91.81%、92.93%、91.75%, 工况3对COD的有效利用率较好.

图 4 各工况下COD的沿程变化规律 Fig. 4 COD concentrations in different stages under different operational conditions

表 2 COD的物料衡算 Table 2 Material balance of chemical oxygen demand(COD)/mg·d-1

2.2 分段进水对脱氮性能的影响

分段进水对NH4+-N、TN的去除效果见图 5, 可以看出, 进水NH4+-N和TN浓度波动较大, 分别为38.53~81.70 mg·L-1和38.95~91.42 mg·L-1, 当反应器运行稳定时4个工况下对NH4+-N的去除效果都保持较高的水平, 平均出水NH4+-N浓度均小于5 mg·L-1, 去除率均达到90.00%以上, 说明系统对NH4+-N的抗冲击负荷能力较强; 分段进水比为5:5时, TN的去除率为80.67%, 随着分段进水比增大, TN去除率逐渐下降, 当分段进水比为10:0时, TN去除率下降至74.93%, 这是因为分段进水比增加时, 原水中的碳源在预缺氧段和缺氧段中的分配比例逐渐增加, 导致缺氧段的碳源不足, 使反硝化不能完全进行, 从而导致出水TN浓度升高, 去除率下降, 杭春全[21]也发现缺氧段反硝化脱氮能力随着进水碳源浓度的降低而减弱.

图 5 各工况下系统对NH4+-N和TN的去除效果 Fig. 5 NH4+-N and TN removal efficiencies of the system under different operational conditions

NH4+-N、NO3--N在反应器中的沿程变化规律见图 6, 可以看出, NH4+-N在沿程各段均降低, 在预缺氧段和缺氧段的降低, 分别是由于回流污泥和硝化液回流的稀释作用造成的, 在好氧段和BAF中的降低, 是由于硝化作用将NH4+-N氧化为NO3--N, 但是在BAF中NH4+-N降幅达到86.18%, 这与彭永臻等[22]的研究结果一致. NO3--N的浓度在预缺氧段和厌氧段由于反硝化的作用均呈现降低趋势, 而在缺氧段1由于硝化液的回流达到最大, 此后各缺氧段由于反硝化的作用, 其浓度逐渐降低, 到达好氧段和BAF时, 由于硝化作用又使NO3--N升高, 但在BAF中升幅最大, 达到75%以上, 可见硝化作用主要在BAF中完成.不同分段进水时, NH4+-N在BAF中被充分氧化, 稳定阶段出水NH4+-N浓度均较低, 分段进水比为5:5时, 出水TN去除率高达80%, 随着分段进水比的增大, TN去除率呈现下降趋势, 在分段进水比为7:3时, TN平均出水浓度为14.10 mg·L-1, 去除率为75.45%, 当分段进水比例为10:0时, 系统出水NO3--N浓度达到13 mg·L-1以上, 使系统TN去除性能下降; 这是因为当分段进水比为5:5时, 系统在缺氧段的有机物充足, 反硝化菌充分利用回流的硝化液作为电子受体, 以有机物为电子供体进行反硝化[23].当分段进水比增大时, 有机物在缺氧段的含量逐渐减少, 导致在缺氧段的NO3--N因缺少电子供体而积累[18], 使得出水NO3--N浓度增大, 从而使出水TN去除率下降.

图 6 各工况下NH4+-N和NO3--N的沿程变化规律 Fig. 6 NH4+-N and NO3--N concentrations in different stages under different operational conditions

2.3 分段进水对反硝化除磷性能的影响

分段进水对TP的去除效果见图 7.可以看出系统进水的TP在1.76 mg·L-1和7.65 mg·L-1之间波动, 出水TP平均浓度分别为0.74、0.55、0.44、0.63 mg·L-1, 去除率分别为88.03%、89.17%、91.20%、87.20%, 随着缺氧段进水流量的减少, 出水TP浓度先降低后增加, 去除率先升高后降低, 在分段进水比为7:3时, 出水TP浓度为0.39 mg·L-1, 达到最低, 去除效果较好.

图 7 各工况下系统对TP的去除效果 Fig. 7 TP removal efficiencies of the system under different operational conditions

分段进水时, 系统内磷酸盐的沿程变化特性见图 8, 可以看出, 在预缺氧段就已经发生了释磷现象, 在厌氧段PAOs充分释磷, 从缺氧段到好氧段结束, 磷酸盐均呈现出下降的趋势, 其中在缺氧区1段下降最快, 是由于在缺氧1段污泥浓度较大, 而后呈梯度式降低.分析原因认为：一是在预缺氧段进水比越大, 在一定范围内, 相应的分配给PAOs的有机物量越多, PAOs在预缺氧段和厌氧段充分有效释磷和合成大量内碳源, 如果有机物的量过大, 则会发生无效释磷现象, 造成碳源浪费; 在缺氧段, DPAOs以储存的PHB为电子供体, 以回流的NO3--N为电子受体, 动力充足, 吸收大量的磷, 若缺氧段有机物的量越多, 普通异养反硝化菌优先以有机物为电子供体进行反硝化反应, 抑制DPAOs的优势作用, 导致吸磷动力不强, 除磷率下降[24]; 二是经计算, 4个工况下污染物在厌氧段的HRT分别为3.2、2.66、2.28、1.6 h, 当HRT为2.28 h时, 出水TP浓度最低, 这与苏婉琳等[25]在低C源的情况下, 厌氧2 h时聚磷微生物释磷效率较高的研究结果相近.同时由于预缺氧段的设置, 相对增加了污染物在厌氧段的HRT, 提高了PAOs的抗冲击负荷能力, 这使得预缺氧段进水流量的增大虽然降低了污染物在厌氧段的HRT, 仍能够充分释磷, 提高了PAOs的抗冲击负荷能力, 而吕冬梅等[18]发现随着厌氧反应时间的增加, 厌氧释磷量增加, 这有可能是A2/O-BAF反应器前端没有设置预缺氧的原因, 使得PAOs的抗冲击负荷能力不强.在缺氧段, 随着分段进水流量的减少, DPAOs在反应器内的HRT延长, 使DPAOs得到充分富集, 实现高效的反硝化吸磷.

图 8 各工况下PO43--P的沿程变化规律 Fig. 8 PO43--P concentrations in different stages under different operational conditions

不同分段进水比时, PAOs厌氧释磷、缺氧/好氧吸磷变化规律见图 9.从中可知, 随着进水比的增大, 厌氧释磷量逐渐增加, 在分段进水比为10:0时, 释磷量达到最大, 为46.18 mg·L-1.对不同进水比与厌氧释磷量进行线性拟合, 可知分段进水比对厌氧释磷量的影响较大.由图 10可知, 4个工况的最大释磷速率分别为50.96、150.17、171.65、117.94 mg·(g·h)-1, 最大缺氧吸磷速率分别为131.64、419.12、586.59、383.81 mg·(g·h)-1, 计算得出DPAOs/PAOs的值分别为94.90%、96.79%、98.81%、95.52%.分析原因认为, 随着分段进水比例的增大, 厌氧释磷量增加, 反硝化聚磷量也增加, 说明二者存在线性关系, 但是相关研究报道, 在有效释磷的条件下[24], 厌氧释磷量与PAOs储存内碳源量之间线性相关[26], 而DPAOs利用PHB过量吸收磷酸盐, 因此PHB是PAOs除磷能力的指示性参数, 同时也说明适量的外碳源可以加快DPAOs的新陈代谢并使其得到富集, 从而提高除磷效率.

图 9 各工况下聚磷菌厌氧释磷和缺氧/好氧吸磷 Fig. 9 Anaerobic phosphorus release and anoxic/oxic phosphorus uptake under different operational conditions

图 10 各工况下厌氧释磷速率、缺氧/好氧吸磷速率及反硝化聚磷菌占聚磷菌的比值 Fig. 10 Ranmax, PURanmax, PURomax, and DPAOs/PAOs under different operational conditions

综合考虑, 从run1~run4, 系统的脱氮性能下降, 除磷效果先升高后下降, 而run3的脱氮除磷性能能够同时满足国家GB 18918-2002一级A排放标准, 因此, 工况3为系统最佳工况.

2.4 分段进水系统各段DO、pH变化规律

不同分段进水时, 系统各段DO、pH的变化见图 11. DO在预缺氧段维持在0.11~0.17 mg·L-1, 厌氧段为0.01~0.1 mg·L-1, 缺氧段为0.01~0.21 mg·L-1, 好氧段为1.95~3.96 mg·L-1, 在BAF中DO达到6~8 mg·L-1, 是为了保证硝化过程的彻底进行. pH在预缺氧段略有升高, 在厌氧段下降、缺氧段和好氧段升高, BAF中迅速降低.分析认为, 预缺氧段pH略微升高是由于回流污泥的pH较高引起的, 厌氧段pH下降, 是因为磷的释放(图 8)和有机物(图 4)的降解使得pH下降[23], 而在缺氧段pH升高, 是因为发生反硝化产碱导致的[27], 在BAF中, pH迅速下降是因为发生了硝化反应, 消耗了碱度[28, 29].

图 11 不同工况下系统各段DO、pH变化 Fig. 11 Changes of DO and pH of the system under different operational conditions

3 结论

(1) 当分段进水比为7:3时, 进水71.42%的有机物在预缺氧段和厌氧段被PAOs厌氧释磷, 21.35%的有机物在缺氧段反硝化除磷脱氮, 碳源有效利用率达85.77%, 平衡百分比为92.33%, 实现碳源利用最大化.

(2) 采用改良A2/O-BAF双污泥系统反硝化除磷脱氮工艺, 处理低C/N比城市生活污水, 当分段进水比为7:3时, PAOs在预缺氧段和厌氧段有效充分释磷并合成大量内碳源, 为缺氧段DPAOs高效聚磷提供电子供体, 同时缺氧段的有机物被反硝化菌有效利用, 达到同步脱氮除磷.

(3) 当分段进水比为7:3时, 系统的厌氧释磷速率(Ran)、缺氧吸磷速率(PURan)和好氧吸磷速率(PURo)达到最大, DPAOs占绝对优势.

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