農村生活污水倒置A2/O技術(shù)

　　常規生物脫氮除磷工藝呈厭氧(A1)/缺氧(A2)/好氧(O)的布置形式。該布置在理論上基于這樣一種認識，即：聚磷微生物有效釋磷水平的充分與否，對于提高系統的除磷能力具有極端重要的意義，厭氧區在前可以使聚磷微生物優(yōu)先獲得碳源并得以充分釋磷[1]。但是，①由于存在內循環(huán)，常規工藝系統所排放的剩余污泥中實(shí)際上只有一少部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過(guò)程，其余則基本上未經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區進(jìn)入好氧區，這對于除磷是不利的;②由于缺氧區位于系統中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影響了系統的脫氮效果;③由于厭氧區居前，回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區產(chǎn)生不利影響，為了避免該影響而開(kāi)發(fā)的一些新工藝(如UCT等)趨于復雜化;④實(shí)際運轉經(jīng)驗表明，按照缺氧—好氧兩段設計的脫氮工藝系統也常常表現出良好的除磷能力[2、3]。因此，常規生物脫氮除磷工藝(A1/A2/O)布置的合理性值得進(jìn)一步探討。

　　1 材料與方法

　　活性污泥取自污水 生物脫氮除磷小型試驗系統，污水取自實(shí)際城市污水。污水和污泥的性質(zhì)見(jiàn)表1。

　　2 試驗結果與討論

　　2 1短時(shí)厭氧環(huán)境及其對聚磷菌的影響

　　短時(shí)厭氧環(huán)境在生物脫氮除磷系統中具有關(guān)鍵性作用，本試驗目的是考察短時(shí)厭氧環(huán)境的生化特性及其對聚磷菌釋、吸磷行為的影響。��

　�、僭囼灢捎�2只完全相同的有機玻璃柱，有效體積均為30 L(見(jiàn)圖1)。柱1裝有隨中心軸一起轉動(dòng)的彈性立體填料，柱2不裝填料，由攪拌槳攪拌。電機轉速為15～20 r/min，柱上方均設有蓋板。

　　柱1作掛膜運行，HRT=20～30 h，溫度為24～29℃。為了單獨考察城市污水在短時(shí)厭氧環(huán)境污水中VFA的變化，試驗未引入小試系統活性污泥。柱內微生物完全為厭氧環(huán)境下由污水自然接種生長(cháng)起來(lái)的厭氧或兼性細菌，顯然其厭氧程度較一般脫氮除磷系統的厭氧區更為充分。柱2作為對比，未作任何處理。正式試驗時(shí)，將兩柱瞬時(shí)放空，注入新鮮污水，然后啟動(dòng)電機，每隔2h取樣，分析污水中VFA隨時(shí)間的變化規律，結果見(jiàn)圖2。

 　　圖2表明，在本試驗條件下，短時(shí)厭氧環(huán)境并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區放置填料則會(huì )加劇該區VFA的消耗。

　　根據厭氧消化理論，污水中的大分子有機物轉化為VFA需要經(jīng)歷水解和產(chǎn)酸(產(chǎn)氫)兩個(gè)過(guò)程。盡管早期的研究曾認為在此過(guò)程中兼性細菌屬于優(yōu)勢種群，但關(guān)于生活污水污泥消化的研究指出，事實(shí)正好相反，專(zhuān)性厭氧細菌較兼性細菌多100倍以上。從總體上說(shuō)，最重要的水解反應和發(fā)酵反應都是通過(guò)專(zhuān)性厭氧細菌進(jìn)行的，同時(shí)由于專(zhuān)性厭氧細菌的生化效率很低，上述過(guò)程需要較長(cháng)的水力停留時(shí)間。Andrews和Pearson(1965)曾利用溶解性有機和無(wú)機合成污水對厭氧發(fā)酵過(guò)程的VFA產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)規律進(jìn)行了研究，結果表明，當 HRT =2.5 d時(shí)反應器的VFA濃度最高。

　　本試驗所采用的 HRT =2～3 h(這與生物除磷工藝厭氧區的HRT相近)，污水 COD 僅500mg/L左右。在這樣的條件下，柱內實(shí)際上很難造就類(lèi)似污泥消化那樣的厭氧環(huán)境并培養出大量的專(zhuān)性厭氧菌，生物膜上的微生物主體仍為消耗VFA的兼性細菌，故而柱1的VFA數量不僅沒(méi)有增加，反而消耗很快。柱2完全為污水，其微生物數量較少，所以其VFA在很長(cháng)一段時(shí)間內基本上保持恒定。只是在一定時(shí)間以后，隨著(zhù)微生物的增殖，VFA才出現明顯下降。本試驗說(shuō)明，就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區不會(huì )增加污水中VFA的量。

　�、� 將柱1、柱2放空，從小試系統好氧區末端取3 L混合液，與3 L污水混合后一分為二地分別裝入柱1、柱2，然后啟動(dòng)電機;兩柱厭氧運行2～3 h后取出填料和攪拌槳，并同時(shí)轉入曝氣狀態(tài)每隔30 h取樣分析比較兩柱釋磷、吸磷特點(diǎn)，結果見(jiàn)圖3。 

　　圖3(a～d)是在不同時(shí)間利用實(shí)際污水進(jìn)行的四組重復性試驗。由于實(shí)際污水水質(zhì)的變化，圖3污水中的VFA濃度是依次下降的。圖3(a、c)的厭氧歷時(shí)為3 h，圖3(b、d)的厭氧歷時(shí)為2 h。

　　該四組圖表明：①在厭氧條件下進(jìn)水VFA越高，柱1、柱2的釋磷量越大，這與以往的認識是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厭氧環(huán)境較柱2更為充分。當VFA較多時(shí)，低ORP水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收VFA合成PHB，同時(shí)釋放出磷酸鹽。由圖可見(jiàn)，柱1初期釋磷速率均明顯大于柱2。圖3(d)進(jìn)水VFA最低，柱1釋磷曲線(xiàn)一直在柱2的上方，直至厭氧段結束，柱2釋磷曲線(xiàn)才與柱1交合。但是柱1兼性生物膜同時(shí)消耗VFA，當反應器中VFA不足時(shí)，兼性生物膜與聚磷菌對VFA的競爭就表面化了，并使柱1釋磷速率迅速衰減。柱2基本上不存在這種競爭關(guān)系，故聚磷菌能長(cháng)時(shí)間保持較高的釋磷速率并最終在釋磷總量上超過(guò)柱1。除圖3(d)外，投加填料的柱1釋磷總量均比柱2小，而且進(jìn)水VFA越高其差別越明顯，見(jiàn)圖3(a、b)。 ③在后續好氧條件下，柱1聚磷菌過(guò)度吸磷能力明顯高于柱2，當厭氧歷時(shí)由3 h降為2 h時(shí)上述差別明顯增大，見(jiàn)圖3(b、d)。該現象是值得特別關(guān)注的，它表明聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其好氧過(guò)度吸磷能力的充分必要條件。這與目前流行的關(guān)于聚磷菌厭氧有效釋磷越高，其過(guò)度吸磷能力越強的認識基本上是矛盾的。從上述現象分析推動(dòng)聚磷菌好氧過(guò)度吸磷的更本質(zhì)動(dòng)力，可以得出的判斷是，在一定范圍內，聚磷菌在厭氧環(huán)境中的歷時(shí)越長(cháng)，環(huán)境的ORP越低，促進(jìn)好氧吸磷的動(dòng)力越大。而就系統的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現象。好氧吸磷的能量既可以來(lái)自胞內貯存的碳源(如PHB)，也可以從其他方面獲得。這種差別當厭氧歷時(shí)由3 h減為2h時(shí)變得尤其明顯，表明厭氧環(huán)境對于微生物過(guò)度吸磷的極端重要性。

　　2.2厭氧、缺氧環(huán)境倒置對聚磷菌的影響

　　采用2只幾何尺寸完全相同的有機玻璃柱進(jìn)行對比試驗，柱的有效體積均為30 L，底部設有

　　取樣口。其厭氧、缺氧狀態(tài)采用如圖1(柱2)所示的可拆卸攪拌槳攪拌，電機轉速為15～20 r/mi

　　n。好氧狀態(tài)由微孔曝氣頭曝氣，開(kāi)始試驗時(shí)，從小試系統好氧區末端取3 L混合液，與3 L污水混合后，一分為二地分別裝入兩柱。柱1初始時(shí)刻另加入適量KNO3溶液，然后啟動(dòng)電機分別進(jìn)入缺氧、厭氧攪拌狀態(tài)。攪拌2 h后，再向柱2加入KNO3溶液。4 h后兩柱同時(shí)結束攪拌，取出攪拌槳，并轉入曝氣狀態(tài)。因此，柱1實(shí)際是按照A2/A1/O方式運行，柱2按照常規的A1/A2/O方式運行。每隔30 min取樣，分析比較兩柱的PO43--P和NO3--N變化規律，結果見(jiàn)圖4。由圖4可以看到，柱1從零時(shí)刻加入硝酸鹽起，在前2 h內實(shí)際上處于缺氧狀態(tài)，反硝化、釋磷同時(shí)進(jìn)行。但和柱2相比，柱1前的釋磷速率很低;至30 min時(shí)，釋磷幾乎完全停止;60 min后，隨著(zhù)硝酸鹽基本耗盡，釋磷速率迅速增大;至240 min，柱內濃度達到65 mg/L。圖中A點(diǎn)硝酸鹽上升是由于誤操作引起的，有趣的是，柱1的釋磷曲線(xiàn)也出現了點(diǎn)A′相應的變化。

　　柱2在120min時(shí)加入硝酸鹽，因此其前2 h內為厭氧，后2 h基本為缺氧。柱2前2 h的釋磷速率很快，至120 min時(shí)PO43--P高達7.3 mg/L。120 min后由于硝酸鹽的加入，聚磷菌開(kāi)始吸磷，但由于缺氧狀態(tài)下微生物ATP產(chǎn)率較低，故該階段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸鹽消耗殆盡，吸磷也基本上停止。進(jìn)入曝氣狀態(tài)后，柱2雖重新開(kāi)始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝氣開(kāi)始時(shí)，柱1的PO43--P濃度高達6.5 mg/L，柱2僅為5.3 mg/L。但至480 min，柱1的PO43--P濃度為0.1 mg/L，而柱2的PO43--P卻為1.05 mg/L，兩者相差10倍。從脫氮角度看，兩者均把柱內硝酸鹽全部反硝化，但柱1的比反硝化速率為4.12 mgN/(h·gVSS)，柱2為280 mgN/(h·gVSS)，柱1明顯快于柱2。

　　從上面的討論可以看出，將常規生物脫氮除磷工藝系統的厭氧、缺氧環(huán)境倒置，可明顯改善系統的氮磷脫除效果。在倒置的A2/A1/O方式下，碳源問(wèn)題仍然存在，并造成聚磷菌的釋磷水平明顯低于常規的A1/A2/O方式。但在該方式中，由于硝酸鹽在前面的缺氧區已經(jīng)消耗殆盡，因此其厭氧環(huán)境更加充分，微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的吸磷動(dòng)力得到了更有效的利用。

　　對常規脫氮除磷工藝來(lái)說(shuō)，污泥回流比常在0.5～1.0左右，內循環(huán)比則在2.0～3.0之間。在所有參與內外循環(huán)的污泥中，通常只有占總數不到一半的回流污泥經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過(guò)程，而大部分污泥實(shí)際上沒(méi)有經(jīng)過(guò)厭氧階段而直接進(jìn)入缺氧和好氧環(huán)境。相應地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量實(shí)際上也只占一少部分，因而影響了系統的除磷效果。與此不同，A2/A1/O方式允許參與回流的所有污泥全部經(jīng)歷完整的釋磷、吸磷過(guò)程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系統的除磷效果也更好，具有一種“群體效應”優(yōu)勢。

　　在A(yíng)2/A1/O方式中，缺氧段優(yōu)先得到碳源，故其脫氮能力明顯增強。在本試驗條件下，其比反硝化速率和A1/A2/O方式相比提高50%。

　　從工程角度講，A2/A1/O方式不僅具有較好的氮磷脫除能力，而且可能較傳統脫氮除磷工藝更加簡(jiǎn)捷。工程上采取一定措施，使其污泥回流和內循環(huán)合并為一個(gè)回流系統是完全可能的，這對于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)捷、高效的生物脫氮除磷工藝來(lái)說(shuō)是十分有利的。

　　2 3 倒置A2/O工藝的特點(diǎn)

　　采用兩個(gè)平行系統進(jìn)行對比試驗，系統1以倒置A2/O方式運行，系統2以常規A2/O方式運行。兩系統的有效容積均為77.2 L，各區比例為A2(A1):A1(A2):O=1:1:2，二沉池水力停留時(shí)間為21h，非曝氣區采用攪拌槳攪拌。

　　試驗初期,從污水廠(chǎng)生產(chǎn)性曝氣池取活性污泥引入小試系統,經(jīng)過(guò)一個(gè)月的試運行，MLVSS達2～3 g/L，出水COD降至50 mg/L以下，遂開(kāi)始正式試驗。試驗采用的工藝參數和運行結果見(jiàn)表2。由于倒置A2/O工藝取消了內循環(huán)，因此其回流系統只有一個(gè)，總回流比也比常規A2/O工藝減少了20%。試驗中的小流量控制比較困難，因此系統1的實(shí)際進(jìn)水量稍大于系統2，這導致其實(shí)際水力停留時(shí)間略短于表2中的8 h，MLVSS也相應地較系統2偏高。作為對比性試驗，這種差異對于系統1略為不利。

　　由表2可以看出，兩個(gè)系統的COD去除能力相當，并均高達90%以上，出水最高COD均在50 mg/L以下，表中系統1的出水COD略高于系統2是其實(shí)際進(jìn)水量偏大所致�？梢哉f(shuō)，倒置A2/O工藝在COD去除能力方面與常規A2/O工藝相當，是令人滿(mǎn)意的。

　　但值得注意的是，兩系統的氮磷脫除功能有明顯差異。系統1(倒置A2/O工藝)的出水TN是8.9mg/L，去除率為84.7%;系統2(常規A2/O工藝)的出水TN是14.9 mg/L，去除率為74.4%。系統1的TN去除率比系統2整整高出10%。同樣還觀(guān)察到，系統1的出水TP僅為0.67 mg/L，其TP去除率比系統2高出近9%。兩系統出水水質(zhì)的這種顯著(zhù)差異說(shuō)明倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能的確優(yōu)于常規A2/O工藝。

　　3 結論

　�、� 就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區( HRT =2～3 h)并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區設置填料將明顯加劇該區VFA的消耗。

　�、诰哿拙鷧捬跤行п屃姿�平的充分與否，并不是決定其在后續曝氣條件下過(guò)度吸磷能力的充分必要條件。而就系統的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現象。好氧吸磷的能量既可以來(lái)自胞內貯存的碳源(如PHB)，也可能從氧化胞外的其他基質(zhì)獲得。

　�、弁七M(jìn)聚磷菌過(guò)度吸磷的本質(zhì)動(dòng)力與厭氧區HRT和厭氧環(huán)境的厭氧程度有關(guān)。在一定范圍內，厭氧環(huán)境的HRT越長(cháng)，厭氧程度越充分，聚磷菌的吸磷動(dòng)力越強。

　�、馨殉Ｒ幟摰�除磷系統的厭氧、缺氧環(huán)境倒置過(guò)來(lái)，可得到更好的脫氮除磷效果。其特點(diǎn)在于：a缺氧區位于厭氧區之前，硝酸鹽在這里消耗殆盡，厭氧區ORP較低，有利于微生物形成更強的吸磷動(dòng)力;b微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成吸磷動(dòng)力可以得到更充分利用;c缺氧段位于工藝的首端，允許反硝化優(yōu)先獲得碳源，進(jìn)一步加強了系統的脫氮能力。

　�、莸怪肁2/O工藝與常規A2/O工藝的小型系統平行對比試驗表明，倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規A2/O工藝，其COD去除能力與常規A2/O工藝相當。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　�、抻捎谌∠�了內循環(huán)，倒置A2/O工藝在流程上更為簡(jiǎn)捷。同時(shí)，參與回流的全部污泥均經(jīng)歷了完整的厭氧—好氧過(guò)程，在除磷方面具有一種“群體效應”，是十分有利的。