間歇曝氣連續流反應器同步硝化反硝化除磷

　　AAO工藝是我國城市污水處理廠(chǎng)主體工藝, 該工藝具有運行經(jīng)驗成熟、適用范圍廣、以及水力停留時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn), 但從實(shí)際運行情況看, 由于回流污泥將一部分硝態(tài)氮和溶解氧帶入厭氧段, 抑制聚磷菌厭氧釋磷, 使得除磷效果不穩定; UCT工藝通過(guò)改變AAO工藝的污泥回流機制, 將污泥回流到缺氧段而非厭氧段, 污泥中的硝酸鹽在缺氧段反硝化脫氮后部分回流至厭氧段, 減少了硝酸鹽在厭氧段對釋磷的不利影響, 但是增加了能耗和運行費用.

　　同步硝化反硝化除磷工藝是指在硝化菌和反硝化聚磷菌作用下, 在同一反應器中同時(shí)完成硝化、反硝化和除磷.該工藝不僅減少反應池體積, 而且實(shí)現了“一碳兩用”, 節約碳源, 減少污泥產(chǎn)量.林金鑾等通過(guò)在厭氧/好氧SBR中控制較低的溶解氧濃度實(shí)現了同步硝化反硝化除磷.陽(yáng)素攀等采用厭氧/好氧和厭氧/缺氧/好氧兩種運行模式, 在單一反應器中實(shí)現了硝化菌和反硝化聚磷菌的共存.方茜等采用模擬廢水和厭氧/間歇曝氣模式, 成功實(shí)現了同步硝化反硝化除磷.但是以上研究均采用SBR反應器, 對于在連續流反應器中實(shí)現同步硝化反硝化除磷還鮮見(jiàn)報道.本文將間歇曝氣應用于傳統AAO工藝中, 通過(guò)逐漸取消硝化液回流和缺氧段, 實(shí)現了同步硝化反硝化除磷, 同時(shí)考察了該過(guò)程中污染物去除特性, 并采用物料衡算方法分析了無(wú)機氮去除途徑以及反硝化聚磷菌和聚磷菌活性, 以期為傳統脫氮除磷工藝升級改造提供理論參考.

　　1 材料與方法

1.1 實(shí)驗裝置

　　本實(shí)驗裝置如圖 1所示.反應器材質(zhì)均為有機玻璃, AAO的有效容積60 L, 共分10格室, 依次設置厭氧段、缺氧段和好氧段, 初始體積比為3 :2 :5;生活污水經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入AAO厭氧段, 同時(shí)進(jìn)入厭氧段的還有從沉淀池回流的污泥, 聚磷菌在此完成厭氧釋磷及COD的部分去除; 厭氧段泥水混合液進(jìn)入缺氧段, 同時(shí)進(jìn)入缺氧段的還有好氧段回流的硝化液, 在此進(jìn)行異養脫氮和反硝化除磷; 混合液接著(zhù)進(jìn)入好氧段完成硝化作用和同步硝化反硝化聚磷脫氮, 最后進(jìn)入沉淀池完成泥水分離.好氧段設有曝氣頭, 采用鼓風(fēng)曝氣, 轉子流量計調節流量, 二沉池采用豎流式, 有效容積為28 L, 系統進(jìn)水流量、污泥回流量、硝化液回流量采用蠕動(dòng)泵控制, 曝/停比采用定時(shí)器控制.

　　圖 1

　　圖 1 連續流反應器裝置示意

　　本實(shí)驗用水溫度為20~27℃, 污泥齡控制在12 d左右, 污泥回流比100%, MLSS為3 000~3 500 mg ·L-1.

　　1.2 實(shí)驗用水及檢測方法

　　實(shí)驗用水采用蘭州交通大學(xué)生活區污水, 具體水質(zhì)見(jiàn)表 1.

 

　　COD、NH4+-N、NO3--N、PO43--P、TN根據國家標準方法測定. MLSS、MLVSS采用濾紙重量法測定. DO和溫度由德國Multi-3420測定儀測定.

　　1.3 實(shí)驗方案

　　各工況下實(shí)驗運行參數見(jiàn)表 2.

 

　　1.4 無(wú)機氮去除物料衡算方法

　　圖 2為反應器中無(wú)機氮去除物料衡算.無(wú)機氮等于NH4+-N、NO2--N和NO3--N三者之和, 由于反應器內NO2--N濃度小于0.50 mg ·L-1, 且變化很小, 因此忽略不計.為研究不同工況下反應器對無(wú)機氮的總去除量, 以及各功能段對應的無(wú)機氮去除量, 采用物料衡算方法分析了無(wú)機氮的去除途徑.無(wú)機氮在厭氧段被去除主要是通過(guò)異養反硝化作用, 在缺氧段通過(guò)反硝化聚磷作用和異養反硝化作用, 在好氧段通過(guò)同步硝化反硝化聚磷作用.

　　圖 2

 

　　厭氧段去除的無(wú)機氮:

　　(1)

　　缺氧段去除的無(wú)機氮:

　　(2)

　　好氧段去除的無(wú)機氮:

　　(3)

　　NH4+-N被氧化后生成的NO3--N:

　　(4)

　　式中, Qin為進(jìn)水流量, QAna、QA和QO分別為厭氧段、缺氧段和好氧段出水流量, Qr為硝化液回流量, QR為污泥回流量, 單位均為L(cháng) ·h-1; cin(NO3--N)、cAna(NO3--N)、cA(NO3--N)、cO(NO3--N)、cR(NO3--N)和cr(NO3--N)分別為進(jìn)水、厭氧段出水、缺氧段出水、好氧段出水、回流污泥和回流硝化液NO3--N濃度, 單位均為mg ·L-1; cA(NH4+-N)和cO(NH4+-N)分別為缺氧段和好氧段出水NH4+-N濃度, 單位均為mg ·L-1; f1為每氧化1 mg NH4+-N生成的NO3--N, 根據反應器實(shí)際情況, f1=1.00.

　　1.5 聚磷菌(PAOs)和反硝化聚磷菌(DPAOs)活性計算

　　PAOs和DPAOs的活性分別用以下公式計算:

　　(5)

　　(6)

　　式中, PUROn和PURann分別為第nd時(shí)的總吸磷速率和反硝化聚磷速率, PUROM和PURanM分別為整個(gè)試驗階段的總吸磷速率平均值和反硝化聚磷速率平均值, 均以PO43-/VSS計, mg ·(g ·h)-1.

　　(7)

　　(8)

　　(9)

　　(10)

　　(11)

　　式中, ΔPO4缺3-為缺氧段吸磷量, ΔPO4同3-為好氧段同步硝化反硝化吸磷量, ΔPO4總3-為缺氧段和好氧段吸磷量之和, 單位均為mg ·L-1; MLSS為反應器內污泥濃度, g ·L-1; HRT缺+好為反應器缺氧段和好氧段水力停留時(shí)間之和, h; cAna(PO43-)、cA(PO43-)和cO(PO43-)分別為厭氧段、缺氧段和好氧段出水PO43--P濃度, 單位均為mg ·L-1; ΔNO3--N同為好氧段同步硝化反硝化聚磷作用脫氮量, 間歇曝氣時(shí)好氧段COD濃度幾乎無(wú)變化, 因此異養反硝化脫氮量不計. f2為反硝化聚磷過(guò)程中的ΔPO43-/ΔNO3-, 其值為0.80~1.40.其它參數見(jiàn)1.4節.

　　2 結果與討論

2.1 啟動(dòng)過(guò)程中反應器對污染物的去除特性

　　在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中, 系統平均進(jìn)水COD濃度為269.34 mg ·L-1, 出水COD濃度低于50.00 mg ·L-1[圖 3(a)].這是因為生活污水中的COD大部分為易降解有機物, 很容易得到去除.系統平均進(jìn)水NH4+-N濃度為63.61 mg ·L-1, 出水NH4+-N濃度均低于2.00 mg ·L-1, 去除率均高于95.00%.系統平均進(jìn)水TN濃度為63.42 mg ·L-1, Run1時(shí)出水TN濃度為14.42 mg ·L-1; Run2~Run4, 出水TN濃度低于6.00 mg ·L-1, 去除率高于90.00%[圖 3(b)].

　　圖 3

　　圖 3 不同工況下系統對污染物的去除效果

　　這是因為Run1時(shí)采用連續曝氣, 好氧段無(wú)同步硝化反硝化作用, 因此出水TN較高; 而Run2~Run4采用間歇曝氣, 創(chuàng )造了好氧/缺氧交替環(huán)境, 有利于硝化菌的增殖, 為同步硝化反硝化聚磷提供有利條件, 所以出水TN較低[14, 15]; 系統平均進(jìn)水PO43--P濃度為6.10 mg ·L-1, 出水平均PO43--P濃度均不大于0.50 mg ·L-1, 去除率均大于86.00%[圖 3(c)].可見(jiàn), 不管采用連續曝氣還是間歇曝氣, 均取得較好的除磷效果.

　　2.2 不同工況下污染物的沿程變化

　　在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中, 平均進(jìn)水COD濃度為259.34 mg ·L-1, 出水COD濃度均小于50 mg ·L-1(圖 4).分析認為:聚磷菌在厭氧段釋磷均需要消耗COD[16], 同時(shí), 由于Run1是按傳統AAO運行, 其回流污泥中攜帶的硝態(tài)氮導致厭氧段存在異養反硝化作用去除了部分COD[17]; COD在缺氧段減少是反硝化菌利用有機物完成異養脫氮作用; COD在好氧段的降低主要是被好氧異養菌用于自身生長(cháng)和繁殖. Run2和Run3是在間歇曝氣模式下運行的, 缺氧段出水COD濃度基本接近最終出水濃度; Run4在無(wú)硝化液回流條件下運行, 厭氧段出水COD濃度基本接近出水COD濃度.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 4

　　圖 4 不同工況時(shí)污染物濃度沿程變化

　　4種工況下, 進(jìn)水NH4+-N濃度在65.00~75.00 mg ·L-1之間波動(dòng), 在厭氧段由于回流污泥的稀釋作用使NH4+-N濃度均降低.通過(guò)好氧段的氧化作用, 出水NH4+-N濃度均在2.00 mg ·L-1以下. NO2--N沿程濃度均低于0.50 mg ·L-1(圖 4). Run1時(shí), 由于連續曝氣, 系統中同步硝化反硝化聚磷作用較弱, 導致出水NO3--N濃度高達14.00 mg ·L-1.從Run2至Run4, 由于間歇曝氣, 系統中同步硝化反硝化聚磷作用較強, 出水NO3--N濃度均低于5.00 mg ·L-1, 回流污泥僅攜帶少量NO3--N, 厭氧段硝氮濃度幾乎沒(méi)有增加.擬合硝氮曲線(xiàn)是根據NH4+-N被氧化后理論上生成的NO3--N濃度繪制的曲線(xiàn), 計算方法參考1.4節中的式(4), 其與實(shí)際硝氮曲線(xiàn)的差值近似為同步硝化反硝化聚磷作用的脫氮量.

　　4種工況下, 由于聚磷菌的厭氧釋磷作用導致PO43--P濃度在厭氧段大量增加, PO43--P濃度在厭氧結束時(shí)分別達到9.12、19.81、23.84和23.09 mg ·L-1, 釋磷量逐漸增加. Run1至Run3回流的硝化液為其缺氧段提供電子受體, 實(shí)現了反硝化除磷; 4種工況下PO43--P濃度在好氧段分別降低了1.00、12.14、19.84和22.61 mg ·L-1, 其出水濃度均不大于0.50 mg ·L-1, 達到一級A標準.

　　從Run1~Run4, 隨著(zhù)硝化液回流從150%逐漸降低至0%, 進(jìn)入好氧段的NH4+-N負荷不斷增加, 但是出水NH4+-N濃度仍然小于2.00 mg ·L-1, NH4+-N濃度在好氧段分別減少了13.5、14.88、24.10和30.43 mg ·L-1, 這是因為HRT從Run1和Run2時(shí)的10h增加至Run3和Run4時(shí)的15h; Run1采用連續曝氣, 其好氧段僅存在硝化作用, 幾乎沒(méi)有同步硝化反硝化聚磷作用; 而Run2~Run4時(shí), 由于間歇曝氣使其好氧段存在同步硝化反硝化聚磷作用, 導致NH4+-N在好氧段不斷減少, 而NO3--N濃度分別僅增加了3.40、3.76和4.21 mg ·L-1; 同時(shí), PO43--P濃度在大幅下降; 因為異養反硝化菌幾乎沒(méi)有可利用的碳源, 且反硝化菌利用內碳源的速率又遠低于反硝化聚磷菌的速率, 所以NO3--N主要通過(guò)同步硝化反硝化聚磷作用去除.

　　間歇曝氣創(chuàng )造出好氧/缺氧交替環(huán)境, 曝氣時(shí), 硝化菌將NH4+-N氧化成NO3--N; 停曝時(shí), 反硝化聚磷菌以NO3--N為電子受體吸收污水中的PO43--P, 實(shí)現同步硝化反硝化除磷; 聚磷菌厭氧釋磷量越大, 合成的PHB越多, 為同步硝化反硝化聚磷提供足夠的碳源驅動(dòng)力.方茜等采用厭氧/好氧SBR處理模擬生活污水, 在間歇曝氣模式下對污泥進(jìn)行馴化, 成功實(shí)現了同步硝化反硝化除磷(SNDPR).陽(yáng)素攀[19]發(fā)現吸收1.00 mg PO43--P同時(shí)反硝化脫氮量為0.79 mg, 而本實(shí)驗中吸收1.00 mg PO43--P同時(shí)反硝化脫氮量為1.40 mg, 這可能是因為在外界條件變化時(shí)反硝化聚磷菌同時(shí)去除氮磷的比例并非定值.

　　2.3 不同工況下無(wú)機氮去除途徑物料衡算

　　在4種工況下, 無(wú)機氮去除途徑物料衡算見(jiàn)表 3.當系統由連續曝氣轉變?yōu)殚g歇曝氣的過(guò)程中, 隨著(zhù)曝/停比的減少, 好氧段對無(wú)機氮的去除量由Run1時(shí)的10.50 mg ·L-1持續增加至Run4時(shí)的240.00 mg ·L-1, 而厭氧段和缺氧段對無(wú)機氮的去除量均隨著(zhù)曝/停比減少而降低.分析原因: ①當采用間歇曝氣后, 好氧段處于好氧/缺氧交替狀態(tài), 硝化和反硝化同步進(jìn)行, 因此無(wú)機氮去除量增加. ②當缺氧格數從Run1的2減少至Run4的0時(shí), 導致缺氧段HRT減少, 其無(wú)機氮去除量減少. ③隨著(zhù)曝/停比減少, 回流污泥中攜帶的硝氮量減少, 厭氧段去除的無(wú)機氮也隨之降低. ④當HRT延長(cháng), 無(wú)機氮總去除量和去除率也增加.

 

　　2.4 PAOs和DPAOs活性變化

　　PAOs和DPAOs的活性、PURO以及PURan均隨著(zhù)間歇曝/停比的減小而增加(見(jiàn)圖 5).在Run1時(shí), PAOs和DPAOs的活性分別為38.20%和36.05%, PURO和PURan僅為0.19 mg ·(g ·h)-1和0.17 mg ·(g ·h)-1, 這是因為反應器在連續曝氣模式下運行, 對PAOs和DPAOs厭氧釋磷不利, 兩者活性均受抑制; Run2時(shí), PAOs和DPAOs的活性分別為105.27%和105.12%, 增加幅度分別高達67.07%和69.07%.分析原因, 反應器由連續曝氣改為間歇曝氣時(shí), 好氧段發(fā)生的同步硝化反硝化聚磷作用顯著(zhù)降低了回流污泥中的硝氮和氧氣濃度, 為PAOs和DPAOs厭氧釋磷提供有利條件, 使其能夠優(yōu)勢生長(cháng).從Run2至Run4時(shí), PAOs和DPAOs的活性繼續增加, 但增加幅度分別為28.13%和35.41%, Run4時(shí)PURO和PURan分別達到0.66 mg ·(g ·h)-1和0.65 mg ·(g ·h)-1, 這是因為一方面停曝時(shí)間越長(cháng), 缺氧時(shí)間越長(cháng), 越利于DPAOs的優(yōu)勢生長(cháng); 另一方面, 硝化液回流比減少, 進(jìn)入好氧段的氨氮濃度提高, 使得DPAOs有較多的硝氮作為電子受體; PAOs活性呈現出與DPAOs相似的增長(cháng)趨勢, 說(shuō)明聚磷菌中反硝化聚磷菌的比例較大.

　　圖 5

　　圖 5 各工況下的PAOs和DPAOs活性以及PURan和PURO

　　2.5 不同工況下典型周期內出水污染物濃度變化

　　不同工況下典型周期內出水污染物濃度變化見(jiàn)圖 6. Run1時(shí), 出水COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P濃度相對恒定, 其平均值分別為36.16、1.05、0.35、13.26和0.40 mg ·L-1; 從Run2~Run4, 在曝氣階段, 出水NH4+-N濃度降低, 出水NO3--N濃度升高; 在停曝階段, 出水NH4+-N濃度升高, 出水NO3--N濃度降低; 其中Run2時(shí)出水NH4+-N濃度在曝氣時(shí)從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濃度在曝氣時(shí)從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.且隨著(zhù)曝/停比減少, 出水NH4+-N和NO3--N濃度的波動(dòng)幅度不斷增加, 但出水TN均低于10.00 mg ·L-1; 方茜等的研究發(fā)現, 隨著(zhù)停曝時(shí)間增加, 硝化和反硝化不易平衡, 導致出水氮素濃度波動(dòng)較大; 而出水COD、PO43--P濃度變化不大, 分析認為, COD基本在厭氧段被PAOs和DPAOs用于釋磷過(guò)程, 而聚磷菌在好氧和缺氧狀態(tài)下均可以吸收水中磷酸鹽[25, 26]; Run2~Run4的平均出水COD、NO3--N、PO43--P濃度分別低于25.00、5.00和0.4 mg ·L-1, 優(yōu)于Run1時(shí); 相比Run4, Run2和Run3的出水NH4+-N和NO3--N濃度更加穩定; 從Run1~Run4, 硝化液回流比是逐漸降低的; 從出水水質(zhì)和節能降耗的角度, Run3較優(yōu).

　　圖 6

　　圖 6 不同工況下典型周期內出水污染物濃度變化

　　2.6 不同工況下典型周期內好氧段溶解氧濃度變化

　　不同工況下好氧段典型周期內溶解氧濃度的變化見(jiàn)圖 7. Run1為連續曝氣, 其溶解氧濃度從好氧一至好氧五不斷增加, 好氧五溶解氧濃度為5.30 mg ·L-1. Run2~Run4為間歇曝氣, 在曝氣階段, 溶解氧濃度隨好氧格室數增加而提高, 但比連續曝氣模式增加幅度較小, 而且最大溶解氧濃度逐漸降低, 分別為3.20、2.30和1.60 mg ·L-1, 使得好氧吸磷反應不斷減弱; 在停曝期間, Run2~Run4好氧格內溶解氧濃度均不斷降低, 其中Run4中全部好氧格內溶解氧濃度在停曝20 min內能迅速降低至0.30~0.50 mg ·L-1以下, 該工況下停曝時(shí)間最長(cháng), 因此缺氧狀態(tài)保持時(shí)間較長(cháng), 為反硝化聚磷創(chuàng )造有利條件.

　　圖 7

　　圖 7 不同工況下典型周期內好氧段溶解氧濃度變化

　　3 結論

　　(1) 間歇曝氣連續流反應器省去了傳統AAO的硝化液回流和缺氧段, 當進(jìn)水COD、NH4+-N、TN和PO43--P濃度分別為259.34、60.26、64.42和6.10 mg ·L-1時(shí), 在曝/停比為40 min/40 min(Run4)時(shí), 其出水濃度分別為26.40、1.03、5.84和0.30 mg ·L-1, 出水水質(zhì)達到一級A標準.

　　(2) 間歇曝氣有利于同步硝化反硝化除磷, 使回流污泥中的NO3--N和溶解氧濃度均較低, 為厭氧段聚磷菌充分釋磷創(chuàng )造條件, 為其在好氧和缺氧條件下的吸磷提供了充足的碳源驅動(dòng)力; 好氧段將NH4+-N的硝化與反硝化聚磷有機結合, 完成同步脫氮除磷.從Run2至Run4, 好氧格室最大溶解氧濃度分別為3.20、2.30和1.60 mg ·L-1, 出水NO3--N濃度均小于5.00 mg ·L-1; 在厭氧段, 釋磷量均在20.00 mg ·L-1左右.在好氧段, NH4+-N濃度分別減少了14.88、24.10和30.43 mg ·L-1, PO43--P濃度分別降低了12.14、19.84和22.61 mg ·L-1, NO3--N濃度分別僅增加了3.40、3.76和4.21 mg ·L-1.

　　(3) 間歇曝氣有利于反硝化聚磷菌和聚磷菌的優(yōu)勢生長(cháng), 使二者的活性從連續曝氣(Run1)時(shí)的36.05%和38.20%分別增大至曝/停比為40 min/40 min(Run4)的140.50%、133.40%.當曝/停比減少時(shí), 厭氧段和缺氧段去除的無(wú)機氮減少, 而好氧段去除的無(wú)機氮提高, 系統對無(wú)機氮的總去除量增加.

　　(4) 間歇曝氣連續流反應器在單周期內出水COD和PO43--P濃度保持穩定, 出水NH4+-N和NO3--N濃度出現周期性浮動(dòng), 但出水TN濃度均小于10 mg ·L-1.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué) 作者：趙智超)