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    傳統和氧化溝型A2/O工藝脫氮除磷性能對比

    發布時間:2018-9-21 7:44:52  中國污水處理工程網

      A2/O工藝是一種簡單的具有同步生物脫氮除磷功能的污水處理工藝,由于其構筑物結構簡單、水力停留時間短、污泥不易發生膨脹和設計運行經驗成熟等特點,已成為世界上應用最為廣泛的污水處理工藝之一。在我國的城市污水處理廠中,以A2/O工藝模式運行的污水廠占全國污水廠總處理能力的比例最大,約為33.2%;尤其是在大型城市污水處理廠中,A2/O工藝為最常用的處理工藝,約占總處理能力的43.52%。但是,A2/O工藝也存在一些不足之處,如硝化菌所需泥齡較長和除磷菌所需污泥齡較短之間的矛盾,厭氧釋磷和缺氧反硝化過程對基質的競爭,回流污泥和混合液攜帶硝態氮和溶解氧的問題等,使得其難以同時保證脫氮和除磷效果。碳源分配、內外回流比、污泥齡、溶解氧、污泥齡等運行參數是影響系統脫氮除磷效率的關鍵因素,將這5個因素進行調整得出的傳統A2/O工藝和衍生出的多種改良A2/O工藝可在一定條件下同時滿足較高的脫氮除磷效率的需要。另外,基于推流曝氣的特點,氧化溝內的溶解氧沿池長呈現濃度梯度分布,在池中不同區域形成好氧﹑缺氧變化的反應環境,可取得較好的脫氮效果。將A2/O工藝與氧化溝工藝相結合的A2/O氧化溝工藝有效地發揮了A2/O工藝脫氮除磷與氧化溝工藝高效去除有機污染物的優點,具有建設投資少、處理成本低、出水水質好、耐沖擊負荷能力強等優點,得到了越來越廣泛的應用。借鑒氧化溝工藝污水在好氧區和缺氧區依次、循環反應的特點,將傳統A2/O工藝的反應構筑物和反應順序進行調整,可形成氧化溝型A2/O工藝。本研究旨在研究不同水力停留時間、內外回流比、碳源分配條件下的傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的脫氮除磷效果,并分析2種工藝在典型運行條件下的碳、氮、磷等污染物的反應過程機理。

      1 實驗部分

      1.1 反應裝置

      實驗所用裝置由有機玻璃制成,包括3個長方體構造的生物反應池(厭氧池、缺氧池和好氧池)和1個圓錐體構造的沉淀池。厭氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池的有效容積分別為7.5、10、20和6 L。各池采用硅膠管連接,前一池的出水通過重力作用溢流至下一池,反應器進水和回流污泥、回流混合液通過蠕動泵(蘭格BT100-2J)控制。好氧池內底部裝有曝氣砂盤,通過空氣壓縮機進行鼓風曝氣,使用轉子流量計(雙環LZB-3WB)調節空氣流速保證DO濃度穩定在(2.5±0.1) mg·L−1范圍內。厭氧池、缺氧池和好氧池設置電動攪拌器和加熱棒,維持反應器內泥水混合均勻、反應溫度在(26±1) ℃范圍內。實驗采用連續進水、連續出水的方式運行。實驗裝置如圖1所示。

      圖1 A2/O實驗反應裝置示意圖

      1.2 接種污泥與進水水質

      實驗接種污泥取自西安市長安區某市政污水處理廠污泥回流系統。實驗進水為人工模擬生活污水,污水水質及組分含量見表1、表2。

      表1模擬污水水質指標

      表2人工配水組分及含量

      1.3 監測項目

      實驗監測項目包括COD、氨氮(NH4+-N)、溶解性磷酸鹽(PO43−-P)、硝酸鹽氮(NO3−-N)、亞硝酸鹽氮(NO2−-N)、溶解氧(DO)、溫度、pH、SV30、混合液懸浮固體濃度(MLSS)和揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)。總氮(TN)濃度采用氨氮、硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮濃度之和。各監測項目的監測均參考文獻中的方法[11],見表3。

      表3監測項目與分析方法

      1.4 運行模式

      實驗分為6個階段,分別研究了不同反應條件下以傳統A2/O工藝和以氧化溝型A2/O工藝模式運行的系統脫氮除磷效果。根據污水廠設計手冊、污水廠運行技術規范及已有研究結果設定了水力停留時間、污泥齡、混合液回流比、污泥回流比、污泥濃度等主要運行參數。實驗改變各階段的運行參數值,各階段運行條件見表4。在傳統A2/O工藝流程的基礎上,調整厭氧池出水使其直接進入好氧池,好氧池混合液回流至缺氧池,可在反應器中形成類似于氧化溝工藝的運行模式,即污水在好氧區、缺氧區依次、循環進行生化反應,因此,把這種工藝稱為氧化溝型A2/O工藝。傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝流程見圖2。

      表4傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝運行條件

      圖2 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝流程圖

      2 結果與討論

      2.1 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的碳、氮、磷去除效果

      實驗研究了表4中6個工況不同水力停留時間、不同回流比、不同污泥濃度和污泥齡條件下的傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的污染物去除效果,2種A2/O工藝均在厭氧-缺氧-好氧交替運行的環境中實現了碳、氮、磷等污染物的去除。運行結果見圖3~圖6。

      圖3 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝COD處理效果

      如圖3所示,鑒于實驗模擬的生活污水中的有機物由葡萄糖配制而成,為可快速去除的易生物降解基質,傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在所有運行工況下均取得了良好的有機物去除效果,COD去除率均高于90%,出水COD濃度均值為16.15 mg·L−1。通過傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的典型運行工況(圖7 (a))可知,污水中的有機物在厭氧段已基本被全部去除。在此過程中,有機物首先在異養菌作用下被厭氧發酵,轉化為甲酸、乙酸、丙酸等揮發性脂肪酸(VFA),然后被PAO利用聚磷酸鹽水解釋放的能量主動吸收,最終PAO將其轉化為胞內聚合物儲藏于體內。

      圖4 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O

    工藝NH4+-N處理效果

      如圖4所示,除傳統A2/O工藝的1#工況外,NH4+-N在傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝中也得到了有效去除,NH4+-N去除率高于95%,出水NH4+-N濃度接近于0 mg·L−1。尤其是在傳統A2/O工藝的2#工況中,在受到進水NH4+-N負荷沖擊的情況下,系統依然能保持穩定的處理效果。在傳統A2/O工藝的1#工況中,由于進水量大、水力停留時間短,且曝氣池DO濃度稍低于其他工況(表4),導致好氧環境下的氨氧化反應不充分,最終使得出水中剩余了部分NH4+-N,出水NH4+-N平均濃度為19.13 mg·L−1,系統NH4+-N平均去除率僅為52.47%。比較、分析傳統A2/O工藝的1#工況與氧化溝型A2/O工藝的6#工況可知,2種工況進水NH4+-N濃度相同,DO濃度接近,導致出水NH4+-N濃度存在差異的主要原因為水力停留時間的不同,因此,在本實驗DO濃度高于2 mg·L−1的活性污泥系統中,好氧反應時間成為氨氮氧化的限制性因素。另外,2種工況污泥濃度分別為3 116 mg·L−1和2 665 mg·L−1,氧化溝型A2/O工藝的6#工況污泥濃度相對更低,但氨氮氧化效率反而更高,除了好氧段水力停留時間較長外,活性污泥中催化氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌生化反應的氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶的活性更高也是潛在的因素。

      圖5 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝TN處理效果

      在傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝各工況中,TN去除效果與NH4+-N去除規律類似,如圖5所示。除傳統A2/O工藝的1#工況外,傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的TN去除率均高于80%,平均去除率為84.54%,出水TN濃度均低于10 mg·L−1,平均為5.58 mg·L−1。說明2種工藝均可實現良好的脫氮性能。在傳統A2/O工藝的1#工況中,由于NH4+-N氧化不徹底,出水TN中的NOx−-N僅為0.2 mg·L−1,絕大部分為剩余的NH4+-N,TN去除率僅為52.13%。在污水生物處理過程中,一部分氨氮可被微生物同化為其細胞的組成部分,當污水處理系統排出剩余污泥時,這部分氨氮被一同除去。但通過同化作用去除的氮較少,約占TN去除率的8%~20%。一般情況下,在A2/O工藝的好氧段,NH4+-N首先被氨氧化菌氧化為NO2−,NO2−再被亞硝酸鹽氧化菌氧化為NO3−,O2作為電子受體;然后在缺氧條件下,NO3−被依次還原為NO2−、NO、N2O和N2,從而被除去,厭氧條件下合成的胞內聚合物作為電子供體;因此,實現傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝TN去除效能的前提是NH4+-N得到充分的氧化,只有更多的NH4+-N被氧化為NOx−-N,才能將更多的氮轉化為N2而被最終除去。具體聯系污水寶或參見http://www.ifym.tw更多相關技術文檔。

      圖6 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝PO43−-P處理效果

      通常情況下,污水中的PO43−-P通過厭氧釋磷-好氧過量吸磷的途徑被儲存在微生物細胞內而被除去。在A2/O工藝中,回流污泥中帶來的聚磷酸鹽首先在厭氧段被釋放為PO43−-P,然后PO43−-P在好氧段被微生物過量吸收而被除去。如圖6所示,傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在各種運行條件下均得到了良好的除磷效果,PO43−-P平均去除率為89.69%。除傳統A2/O工藝的3#工況外,出水PO43−-P濃度大都低于0.5 mg·L−1,平均為0.36 mg·L−1。在傳統A2/O工藝的3#工況中,由于污泥濃度較低(表4),潛在地削弱了系統的生物除磷功能。傳統A2/O工藝3#工況的出水PO43−-P平均濃度為0.93 mg·L−1。由于傳統A2/O工藝在一定程度上依靠在缺氧環境中發生的反硝化吸磷反應實現生物除磷,混合液回流比的降低(表4)也導致在缺氧段通過反硝化吸磷作用去除的PO43−-P減少,從而導致出水PO43−-P濃度升高。已有研究表明,A2/O系統在一定條件下可實現生物反硝化除磷,但需要注意缺氧段硝酸鹽負荷的控制。WANG等發現,在A2/O系統中缺氧區硝酸鹽濃度為1~3 mg·L−1時,A2/O系統中可發生明顯的反硝化除磷現象,且此時的反硝化除磷作用對系統整體除磷貢獻最大,對應的內循環比約為300%~350%。因而本實驗中傳統A2/O工藝3#工況中的混合液回流比(100%)可能過低,未能為缺氧區提供足夠的NO3−-N來刺激反硝化除磷反應的發生。因此,若要在缺氧區利用反硝化除磷反應提高系統生物除磷效率,A2/O系統的混合液回流比不能過低。但此回流比也不能過高,因為過多的混合液回流至缺氧區將為缺氧區帶去過多的DO,使得聚磷菌優先使用O2作為電子受體聚磷,從而抑制反硝化聚磷菌利用NO3−-N或NO2−-N作為電子受體的吸磷反應,達不到聚磷同時反硝化的“一碳兩用”效果。

      2.2 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝中的生化反應機理

      通過2.1節的分析可知,傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在多種運行工況下均取得了良好的有機物和營養物去除效果,在進水為模擬城市生活污水的情況下,出水COD、NH4+-N、TN和TP(全部為PO43−-P)等各項水質指標均可滿足國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)[24]一級A要求。因此,本研究選取了傳統A2/O工藝的2#工況和氧化溝型A2/O工藝的4#工況的運行結果作為研究對象,分析了2種工藝在典型運行工況下的污染物去除特征,2種工藝中的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P反應過程見圖7。

      圖7 傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝典型運行工況處理效果

      由于具有相同的水力停留時間(15 h)、污泥回流比(200%)、混合液回流比(200%)、較為接近的DO濃度(2.50 mg·L−1和2.38 mg·L−1)和污泥濃度(3 569 mg·L−1和3 780 mg·L−1),在選取的傳統A2/O工藝的2#工況和氧化溝型A2/O工藝的4#工況中,有機物均在厭氧段得到快速去除,COD濃度沿構筑物分布的規律是一致的,結果見圖7 (a)。由于厭氧池的出水直接進入好氧池,好氧池混合液再回流至缺氧池,因此,在氧化溝型A2/O工藝中,NH4+-N濃度在好氧池和缺氧池中是相同的。而在傳統A2/O工藝中,厭氧池出水先進入缺氧池后再進入好氧池,NH4+-N在好氧池的濃度低于缺氧池(圖7 (b))。與此相同,由于在氧化溝型A2/O工藝中,厭氧池出水先進入好氧池,大量在厭氧段合成的胞內聚合物被異養菌的好氧生長過程優先利用,在之后的缺氧段中由于缺乏足夠的電子供體使得反硝化效率降低,因此,氧化溝型A2/O工藝的缺氧池中的NOx−-N濃度較高,出水NOx−-N濃度也比傳統A2/O工藝略高(圖7 (c))。另外,傳統A2/O工藝中的缺氧段發生了明顯的PO43−-P濃度降低現象(圖7 (d)),因此,可推測,在傳統A2/O工藝中發生了反硝化吸磷反應。已有研究表明,以厭氧-缺氧-好氧交替模式運行的活性污泥反應器可能會富集一類特殊的兼性厭氧微生物,該類微生物具有反硝化除磷功能,它們可以利用NO3−或NO2−作為電子受體進行吸磷,此類特殊的微生物即反硝化聚磷菌(DPAO)。在缺氧段,DPAO以NO3−或NO2−作為電子受體氧化胞內貯存物,這是其與PAO以O2作為電子受體氧化胞內聚合物的不同之處。胞內聚合物氧化產生的能量大部分用于微生物的生長維持和糖原的合成,小部分則用于DPAO過量吸收污水中的溶解性PO43−,并將PO43−以聚磷酸鹽的形式儲存在細胞內,同時NO3−和NO2−接受電子被還原為N2[29]。由于氧化溝型A2/O工藝中,厭氧池出水直接進入好氧池完成吸磷作用,污水中的PO43−-P在好氧池中已得到充分去除,因此,缺氧池中的PO43−-P濃度與好氧池是一樣的,并未發生反硝化除磷反應。但2種工藝在典型運行條件下均實現了良好的除磷效果,出水PO43−-P濃度均較低,接近于0 mg·L−1。

      2種工藝相比,由于好氧段反應順序的不同,有機物和氮、磷的去除過程仍存在一定差異。由于氧化溝型A2/O工藝的厭氧池出水直接進入好氧池,且異養菌基于胞內聚合物的好氧增長速率高于缺氧增長速率(缺氧最大比生長速率約為好氧最大比生長速率的60%)[25],因此,氧化溝型A2/O工藝的好氧反應消耗了大量的胞內聚合物,從而使得缺氧段硝態氮的還原反應可利用的電子不足,反硝化不徹底,最終導致TN去除率低;反過來,沉淀池出水NO3−-N濃度較高,使得回流污泥帶入厭氧池的NO3−-N濃度也較高,此部分NO3−-N可利用污水中的有機物進行反硝化,因此,氧化溝型A2/O工藝的厭氧池出水COD比傳統A2/O工藝更低,最終使得其沉淀池出水COD更低。同時,較高的NO3−-N濃度將會影響厭氧區聚磷菌將進水中的碳源轉化為體內的胞內聚合物,影響磷的釋放,因此,氧化溝型A2/O工藝厭氧池中磷的釋放量少于傳統A2/O工藝(圖7 (d))。

      根據2種工藝中各個反應構筑物的進水量、污泥回流量、混合液回流量和各構筑物中的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P濃度,本研究分別計算了傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在2種典型工況下的各池實際進、出水中的COD、NH4+-N、NOx−-N、PO43−-P濃度,結果如表5、表6所示。

      表5傳統A2/O工藝(2#工況)沿程水質指標

      表6氧化溝型A2/O工藝(4#工況)沿程水質指標

      根據傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在典型運行工況下的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P濃度的沿程變化情況(表5、表6)可知,在傳統A2/O工藝的缺氧池中,隨著NOx−-N濃度的降低,PO43−-P濃度也明顯降低,說明在缺氧段確實發生了異養菌以NO3−-N或NO2−-N為電子受體進行反硝化吸磷的反硝化吸磷反應,反硝化除磷量為3.06 mg·L−1,占總吸磷量的21.05%,這與吳昌永等的研究結果類似。另外,通過調整內回流比等手段還有望增加缺氧段的反硝化吸磷量[32]。而在氧化溝型A2/O工藝中,由于異養菌在好氧段將厭氧釋放的PO43−-P全部聚合在細胞內,后續的缺氧段中PO43−-P濃度為0 mg·L−1,因此僅發生了反硝化反應。另外,通過比較好氧池出水和沉淀池出水可知,2種工藝在沉淀池內均發生了硝酸鹽的反硝化反應,需要注意的是,在A2/O工藝的反硝化階段(包括缺氧池和潛在的沉淀池),由于反硝化菌利用胞內聚合物PHB等進行NO3−-N或NO2−-N的還原反應,此過程將產生溫室氣體N2O。因為A2/O工藝廣泛應用于我國城市污水處理廠,且目前尚不清楚我國污水處理廠實際運行時的N2O排放量和排放規律,N2O在以A2/O工藝模式運行的、以PHB驅動生物反硝化的污水廠中的釋放狀況值得關注。

      3 結論

      1)在大多數運行工況下,傳統A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝均可取得良好的污染物去除效果,COD、NH4+-N、TN和PO43−-P的平均去除率可達95.78%和96.89%、99.13%和95.03%、88.44%和85.03%、91.29%和95.43%。

      2)傳統A2/O工藝的脫氮效果略好于氧化溝型A2/O工藝,氧化溝型A2/O工藝的除磷效果略優于傳統A2/O工藝。

      3)傳統A2/O工藝的缺氧池中發生了反硝化除磷反應,由于好氧池和缺氧池反應順序的調整,氧化溝型A2/O工藝缺氧池中則未發生明顯的反硝化除磷反應。(來源:環境工程學報 作者:丁曉倩)

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