當前，我國面臨著(zhù)嚴重的水體富營(yíng)養化問(wèn)題，而造成水體富營(yíng)養化的原因主要為氮磷的超標排放，所以，如何有效地去除污水中的氮磷成為我國急需解決的問(wèn)題[1,2]. 在目前存在的脫氮和除磷技術(shù)中,同步脫氮除磷技術(shù)由于具有處理成本低，易與原有系統銜接，能同時(shí)去除有機碳化物、 N、 P 等污染物,能提高難降解有機物的去除率,并能抑制絲狀菌生長(cháng)繁殖等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用[3, 4, 5]. 近年來(lái)，為實(shí)現污水的同步脫氮除磷，國內外研究者開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的Dephanox 工藝，連續流厭氧/缺氧活性污泥系統，連續流厭氧/好氧/缺氧同步脫氮除磷工藝等[6, 7, 8]. 但連續流系統有構筑物多、 占地面積大、 能耗高、 剩余污泥量大等缺陷,為解決以上問(wèn)題而設計的SBR工藝也具有眾多脫氮除磷生物群落難以共存的矛盾[9,10]. 針對以上問(wèn)題，本試驗設計了一種同步脫氮除磷新工藝——生物膜/顆粒污泥耦合工藝，在好氧區利用載體固定生長(cháng)緩慢的硝化菌群形成硝化菌生物膜，在厭氧區培養馴化反硝化聚磷菌顆粒污泥. 好氧區與厭氧區容積負荷對氮磷的去除有顯著(zhù)影響[11,12]. 好氧區容積負荷主要決定硝化反應的進(jìn)行，直接影響硝化菌對氨氮的氧化作用，從而決定著(zhù)氨氮的去除率，所以，好氧區的容積負荷是影響脫氮的關(guān)鍵因素之一. 厭氧區容積負荷不但決定厭氧釋磷量的大小，而且對反硝化聚磷菌也有著(zhù)重要影響，厭氧區容積負荷決定著(zhù)磷的去除情況，同時(shí)也影響著(zhù)脫氮[13]. 本試驗基于生物膜/顆粒污泥耦合工藝反應器對不同好氧/厭氧區容積負荷這一影響因素進(jìn)行研究，分析不同好/厭氧區容積負荷對脫氮除磷的影響，以期為該工藝高效運行提供依據.
1 材料與方法
1.1 試驗用水及種泥
試驗采用模擬人工配水，其組分為：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)組成: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. 試驗種泥均取自哈爾濱文昌污水處理廠(chǎng)二沉池.
1.2 試驗裝置與運行方案
試驗所用反應器有效體積25 L，分內外兩個(gè)筒，外筒高53.5 cm，直徑28 cm，內筒高40 cm，直徑18 cm; 載體選擇聚氨酯泡沫; 好氧區DO控制在2~4 mg ·L-1; HRT為8.5 h，厭氧區SRT控制在15 d[14]. 反應器的運行方式為：進(jìn)水240 min(采用蠕動(dòng)泵連續進(jìn)水，同時(shí)開(kāi)啟厭氧區攪拌器)、 曝氣240 min、 沉淀和排水30 min.
污水由上部經(jīng)內外筒之間的夾層流入反應器底部，然后在內筒內上升至反應器頂部，再經(jīng)內外筒之間的夾層流回反應器底部，構成自上而下內循環(huán)水流狀態(tài)，內筒設有多孔分體隔板，隔板表面具有開(kāi)口式的孔，隔板放置于隔板墊上，將反應器內筒分為上下兩層，上層作為好氧區放置硝化菌載體生物膜，下層作為厭氧區放置反硝化聚磷菌顆粒污泥，隔板上安放微孔曝氣盤(pán)，這樣可以保證上端的硝化菌生物膜始終處于好氧狀態(tài)，而下端的顆粒污泥則處于厭氧和缺氧的狀態(tài)[14]. 在反應器的外筒側面上設有一排取水口，在最下面的取樣口取樣和排水，底部設有排泥管.
本研究旨在提高生物膜/顆粒污泥耦合工藝對模擬城市污水中氮、 磷等污染物質(zhì)的去除效率. 在工藝穩定運行的基礎上，通過(guò)對好氧區和厭氧區的容積大小調整，研究好/厭氧區容積負荷對耦合工藝脫氮除磷影響，為該工藝高效運行提供依據.
反應器總容積一定，通過(guò)調節隔板的位置，改變好/厭氧區容積，形成3種不同運行工況，3種工況下系統HRT保持不變，序批式運行方式各階段的時(shí)間分配保持一致，因此，3種工況的廢水流速相同，具體各工況的好/厭氧區容積和好/厭氧區負荷見(jiàn)表 1.
表 1 3種不同工況的好/厭氧區容積和負荷
1.3 檢測項目及分析方法
COD、 NH+4-N、 NO-2-N、 PO3-4-P和MLSS等指標的測定均采用國家頒布的標準方法[15]，NO-3-N的測定采用麝香草酚法.
2 結果與討論
2.1 不同好氧區容積負荷對氨氮去除的影響
不同好氧區容積負荷對系統NH+4-N去除能力有明顯的差別，隨著(zhù)好氧區氮容積負荷的不斷減少，去除率相應提高，3種工況條件下平均去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%(圖 1). 好氧區氮容積負荷越小，單位污泥量的氮負荷就越低，氨氮的去除率就越高.
圖 1 不同容積負荷條件下NH+4-N去除效果
不同好氧區氮容積負荷條件下氨氮的去除效果如圖 2所示，此階段氮負荷主要是指氨氮負荷. 隨著(zhù)好氧區氮負荷不斷減少，氮去除負荷分別為157.14~198.60、 130.00~171.50和100.97~144.02 g ·(m3 ·d)-1，平均氮去除負荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1. 由數據可以看出，氮負荷越大，其去除負荷也相應地越高. 但綜合考慮氮負荷對氨氮去除率的影響，好氧區氮容積負荷不宜太大，本研究應在186.14 g ·(m3 ·d)-1.
圖 2 不同好氧區容積氮去除速率
2.2 不同厭氧區容積負荷對COD去除的影響
厭氧區反硝化除磷對COD的去除原理是聚磷菌利用水解聚磷酸鹽所獲得的能量來(lái)吸收乙酸基質(zhì)并合成為細胞內的儲能物質(zhì)PHB[16,17]. 此工藝中COD的去除主要發(fā)生在厭氧區，伴隨著(zhù)磷的釋放，水中COD的含量有明顯的下降. 圖 3表示不同厭氧區容積負荷對COD去除的影響. 隨著(zhù)厭氧區有機負荷的不斷增大，厭氧結束時(shí)的COD濃度逐漸上升. 在進(jìn)水有機負荷最大的工況Ⅲ中，厭氧結束時(shí)COD濃度達到70.89 mg ·L-1，遠高于其它兩種工況，其厭氧區的COD去除率僅為71.60%. 在工況Ⅰ和Ⅱ中，厭氧區的COD去除率較為理想，分別為89.53%和83.24%. 有研究表明在反硝化除磷工藝中，如果好氧區中存在大量的COD,氨氮的硝化將會(huì )受到很大的影響[18]. 厭氧區的COD主要是用于殘存NO-3-N的反硝化和內碳源PHB的合成，這表明在厭氧區大部分COD已經(jīng)被去除，從而保證了好氧區自養型硝化菌的優(yōu)勢生長(cháng)，提高了氨氮的硝化率.
由上述可知，雖然在厭氧區大部分COD被去除，但從總體來(lái)看，COD的去除率不是很高，因此還要有少量的COD在好氧區被去除. 由該工藝的構型可以看出，待處理污水在厭氧區經(jīng)過(guò)反硝化聚磷菌處理以后，會(huì )經(jīng)過(guò)好氧區和厭氧區之間的多孔擋板，到達好氧區，由于硝化菌生物膜菌種的多樣性，可能一部分異養菌會(huì )對污水中殘余的COD進(jìn)行降解，這樣在好氧區污水中COD的濃度也會(huì )有不同程度的降低，在好氧區COD的去除率在5.13%~17.10%之間. 在好氧區，體系中COD的繼續降解，對于懸浮載體的正常運行和細菌種類(lèi)的多樣性都是有利的，這樣該工藝適應不同環(huán)境變化的能力就會(huì )變強. 3種工況的COD平均去除率均達到88.70%以上，可見(jiàn)該工藝對有機物的去除效果比較穩定.
圖 3 厭氧段COD濃度和有機負荷變化
2.3 不同厭氧區容積負荷對反硝化除磷的影響
不同厭氧區容積負荷下的釋磷情況如圖 4所示，隨著(zhù)厭氧區的減小，厭氧末期磷濃度由最初的15 mg ·L-1降低到11 mg ·L-1. 3種工況的厭氧區磷酸鹽負荷分別為29.29、 33.82和39.30 g ·(m3 ·d)-1，厭氧結束時(shí)釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1. 從中可以看出厭氧區越大，越有利于PO3-4-P的釋放，而PO3-4-P釋放量的大小，決定著(zhù)體系除磷效率的高低.
圖 4 不同容積負荷條件下釋磷情況
不同的厭氧區容積負荷不僅會(huì )影響厭氧階段磷的釋放，同時(shí)影響磷的缺氧吸收，即反硝化除磷. 由于本研究在前期對反硝化聚磷菌顆粒污泥進(jìn)行了培養和馴化. 而且好氧區的硝化菌生物載體也是僅針對硝化菌進(jìn)行培養和馴化，因此，該新型反應器對磷的去除主要在厭氧區的缺氧階段通過(guò)反硝化除磷完成. 隨著(zhù)好氧區的增大，NH+4-N的去除率逐漸增大(圖 1)，硝化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮濃度也相應增多，但此時(shí)由于厭氧區是縮小的，因此導致磷的容積負荷不斷上升，厭氧釋磷受到影響. 由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過(guò)程中利用硝態(tài)氮的量降低，因此導致出水的硝態(tài)氮濃度逐漸升高. 3種工況厭氧結束時(shí)厭氧區磷容積負荷分別上升到68.27、 76.50和85.89 g ·(m3 ·d)-1，相應的磷去除負荷分別為62.52、 71.93和78.58 g ·(m3 ·d)-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.04 mg ·L-1(圖 5).
圖 5 不同厭氧區容積負荷條件下吸磷情況
通過(guò)對釋磷量和吸磷量的綜合分析，在工況Ⅱ[厭氧區磷負荷33.82 g ·(m3 ·d)-1]條件下，PO3-4-P去除率比較高. 從圖 5可以看出，該條件下出水NO-x-N濃度在1.75 mg ·L-1左右，說(shuō)明電子受體相對充足，出水的PO3-4-P平均濃度為0.76 mg ·L-1. 而工況Ⅰ[厭氧區磷負荷29.29 g ·(m3 ·d)-1]的出水PO3-4-P濃度為1.18 mg ·L-1，相比較而言，工況Ⅰ好氧區比例相對較小，對氨氮的去除率較低(圖 1)，由硝化菌氧化氨氮產(chǎn)生的硝態(tài)氮電子受體不足，導致出水PO3-4-P濃度較高. 在工況Ⅲ[厭氧區磷負荷39.30 g ·(m3 ·d)-1]條件下，雖然出水的PO3-4-P濃度比較低，但是由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過(guò)程中利用硝態(tài)氮的量降低，使得出水NO-x-N的濃度較高.
經(jīng)過(guò)60 d的穩定運行，3種工況條件對于COD均可以保持較高的去除率，但是對于NH+4-N和PO3-4-P的去除，工況Ⅱ和工況Ⅲ條件要好于工況Ⅰ，主要原因是好氧區容積負荷的大小決定著(zhù)氨氮氧化的情況，而氧化產(chǎn)物NO-x-N是反硝化除磷電子受體來(lái)源，所以除磷能力的高低與NO-x-N量的多少有重要關(guān)系. 在工況Ⅲ條件下，氨氮充分氧化生成氧化態(tài)氮，但反硝化聚磷菌并沒(méi)有充分利用，造成出水的硝態(tài)氮濃度過(guò)高. 在工況Ⅱ條件下，即好氧區氮負荷為186.14 g ·(m3 ·d)-1，厭氧區磷和COD的負荷分別為33.82 g ·(m3 ·d)-1和1517.42 g ·(m3 ·d)-1時(shí)，由于硝化生物膜氧化氨氮產(chǎn)生的硝態(tài)氮作為反硝化聚磷菌的電子受體被反硝化聚磷菌充分利用，所以出水硝態(tài)氮低于其它兩種運行條件.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。
3 結論
(1)隨著(zhù)好氧區氮容積負荷的減少，氨氮去除率相應的增加，3種工況條件下氨氮去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%，氮去除負荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1.
(2)隨著(zhù)厭氧區有機負荷的增大，厭氧結束時(shí)COD的去除率逐漸減少，3種工況條件下COD去除率分別89.53%、 83.24%和71.60%.
(3)隨著(zhù)厭氧區磷容積負荷的增大，釋磷量逐漸降低，3種工況條件下釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.00 mg ·L-1.
(4)從生物膜-顆粒污泥耦合工藝對有機物、 氮、 磷污染物的去除情況來(lái)看，工況Ⅰ條件下NH+4-N和PO3-4-P的去除率不高，工況Ⅲ條件下氮的去除率不高，所以工況Ⅱ為最佳運行工況.(來(lái)源及作者：東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 尹航、劉暢、高輝、高大文)
