曝氣生物濾池生化系統(tǒng)脫氮除磷特性研究

曝氣生物濾池生化系統(tǒng)脫氮除磷特性研究

工藝優(yōu)勢及意義反硝化聚磷菌（dpaos）以no-3-n為最終電子受體，以聚羥基酸酯（phas）為電子電源。在缺氧條件下，為了消除磷酸和硝化氮，采用“一碳兩用”的方法，將磷酸和硝化轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的處理過程。以節(jié)省碳源和氧氣的消耗，減少殘余污泥。A2/O作為當(dāng)今最常用的同步脫氮除磷工藝廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外大型污水處理廠。然而,A2/O工藝的內(nèi)在固有缺欠就是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭,很難在單一系統(tǒng)中同時(shí)獲得氮、磷的高效去除,阻礙著生物脫氮除磷技術(shù)的應(yīng)用。曝氣生物濾池以其靈活的模塊化設(shè)計(jì)、占地面積小、硝化效果穩(wěn)定等特點(diǎn)越來越受到人們的青睞。但曝氣生物濾池工作周期短,反沖洗頻率高,容易發(fā)生阻塞現(xiàn)象。此外,我國城市污水天然存在C/N低,加上運(yùn)行過程中存在的問題,導(dǎo)致95%以上的城市污水處理廠處理水不能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這樣的問題,A2/O-曝氣生物濾池工藝集二者優(yōu)勢于一體,通過縮短泥齡,把硝化過程從A2/O中分離出去,用曝氣生物濾池實(shí)現(xiàn)硝化;A2/O在短泥齡條件下運(yùn)行,發(fā)揮其除磷和反硝化效果好的特點(diǎn);曝氣生物濾池在長泥齡條件下運(yùn)行,有利于硝化效果的穩(wěn)定和氨氮的徹底去除;曝氣生物濾池回流來的硝化液為A2/O的缺氧區(qū)提供了充足的電子受體,為反硝化除磷提供了條件;生化系統(tǒng)在低C/N條件下運(yùn)行,有利于反硝化聚磷菌成為優(yōu)勢菌種,為實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷提供了條件。而且該工藝流程較簡單,總的HRT不長,是一種很有發(fā)展前途的深度脫氮除磷工藝。C/N作為反硝化除磷的運(yùn)行參數(shù),相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的報(bào)道,本文以低C/N實(shí)際生活污水為研究對(duì)象,重點(diǎn)考察了硝化液回流比及泥齡對(duì)A2/O-曝氣生物濾池工藝的脫氮除磷特性的影響,通過增大硝化液回流比,強(qiáng)化系統(tǒng)的反硝化除磷效果,實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷,通過縮短A2/O的泥齡,實(shí)現(xiàn)磷的高效去除,為該工藝在實(shí)際污水廠的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。1材料和方法1.1氧漂后回采系統(tǒng)和氧區(qū)的處理工藝A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)由A2/O反應(yīng)器、二沉池、曝氣生物濾池反應(yīng)器順序連接組成,試驗(yàn)裝置如圖1所示。原水箱由聚氯乙烯塑料制作而成,容積為220L。合建推流式A2/O反應(yīng)器由無色有機(jī)玻璃構(gòu)成,有效容積為30L,均分為9個(gè)格室,依次為厭氧、缺氧和好氧區(qū)。厭氧和缺氧區(qū)采用攪拌器攪拌,好氧區(qū)的底端以黏砂塊為微孔曝氣器,采用鼓風(fēng)曝氣,轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。二沉池采用豎流式,有效容積為20L。曝氣生物濾池采用上向流,裝填2~3mm粒徑的輕質(zhì)陶粒填料,底部設(shè)有承托層,用黏砂塊作曝氣裝置并鼓風(fēng)曝氣,轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量;曝氣生物濾池為圓柱形,內(nèi)徑D=100mm,填料層高度H=1.67m,有效容積為13L,空隙率r=20%。系統(tǒng)進(jìn)水流量、污泥回流量、硝化液回流量、曝氣生物濾池進(jìn)水流量均由蠕動(dòng)泵控制。生活污水從原水箱首先進(jìn)入A2/O的厭氧區(qū),同時(shí)進(jìn)入該區(qū)的還有來自二沉池的回流污泥,進(jìn)行厭氧反應(yīng);之后混合液進(jìn)入缺氧區(qū),同步進(jìn)入該區(qū)的還有來自曝氣生物濾池的硝化液,進(jìn)行反硝化脫氮及反硝化除磷;隨后進(jìn)入好氧區(qū),完成剩余磷的吸收;經(jīng)過二沉池的分離作用,含有NH+4-N的上清液進(jìn)入曝氣生物濾池,完成硝化反應(yīng),出水的一部分回流到A2/O的缺氧區(qū),另一部分排放。1.2耐氮除磷泥的制備A2/O內(nèi)的接種污泥取自北京高碑店污水處理廠的回流污泥。加入種泥后,采用連續(xù)進(jìn)水的方式運(yùn)行,1周后開始排泥,同時(shí)將曝氣生物濾池的出水回流到A2/O的缺氧區(qū),以后逐漸增大進(jìn)水量直至設(shè)計(jì)水量,經(jīng)過50d的馴化,逐步培養(yǎng)成具有穩(wěn)定脫氮除磷性能的活性污泥。1.3曝氣生物濾池曝氣生物濾池以間歇方式啟動(dòng)掛膜,每天將活性污泥和生活污水的混合液注入濾池后悶曝氣24h,次日排空后重新注入種泥和生活污水,如此循環(huán)1周后,采用A2/O出水作為曝氣生物濾池進(jìn)水。連續(xù)運(yùn)行20d后,NH+4-N去除率達(dá)到80%,1個(gè)月后NH+4-N去除率幾乎達(dá)到100%。1.4試驗(yàn)期間的水質(zhì)特征試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)教工住宅小區(qū)化糞池生活污水,試驗(yàn)期間的水質(zhì)特點(diǎn)見表1。1.5ph、do和溫度tn、orp的測定COD、NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N、TP按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定,TN通過TN/TOC分析儀(MultiN/C3100,德國耶拿)測定,pH、DO和溫度(T)采用WTWpH/Oxi340i(德國)測定儀在線測定,ORP采用WTW730pH(德國)測定儀在線測定。1.6回流比的確定試驗(yàn)分2個(gè)階段,第1階段SRT為15d,硝化液回流比R分別為0%、200%和400%,每種回流比條件運(yùn)行1個(gè)SRT,中間穩(wěn)定0.5個(gè)SRT之后,再進(jìn)行下一個(gè)周期的測定;第2階段SRT為30d,R為200%。1.7試驗(yàn)操作條件A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)在室溫(15~20℃)條件下運(yùn)行,詳細(xì)的運(yùn)行條件見表2。1.8ucanocano計(jì)算根據(jù)物料平衡,反硝化除磷量的計(jì)算公式如下ΔCano=CeffQR+Cana(Qin+QSlu)Qin+QR+QSlu?CanoΔCano=CeffQR+Cana(Qin+QSlu)Qin+QR+QSlu-Cano式中ΔCano為反硝化除磷量,mg·L-1;Ceff為最終出水TP濃度,mg·L-1;Qin、QR和Qslu分別為進(jìn)水流量、硝化液回流量和污泥回流量,L·d-1;Cana和Cano分別為厭氧區(qū)末端和缺氧區(qū)末端的TP濃度,mg·L-1。1.9活性污泥的制備根據(jù)Wachtmeister等推薦的方法,在試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行期間,計(jì)算DPAOs占聚磷菌的比例。具體方法是:從A2/O反應(yīng)器的好氧區(qū)取活性污泥2L,離心分離后用去離子水清洗兩遍以去除COD,然后放在磁力攪拌器上攪拌,同時(shí)加入乙酸鈉,使COD為200mg·L-1,厭氧反應(yīng)120min;反應(yīng)結(jié)束后,離心分離,再將活性污泥清洗兩遍,去除剩余的COD。然后將之均分為2份,1份好氧曝氣,使DO維持在2~3mg·L-1,另1份加入KNO3溶液,使初始NO-3-N濃度為50mg·L-1,缺氧攪拌,反應(yīng)時(shí)間均為120min。2結(jié)果與討論2.1dpaos的產(chǎn)生原因及性質(zhì)圖2給出了TP在A2/O-曝氣生物濾池中的變化規(guī)律。回流比為0%、200%和400%時(shí),平均進(jìn)水TP濃度分別為6.15、6.20和5.91mg·L-1;厭氧區(qū)釋磷之后,TP濃度分別升高到13.68、54.84和56.67mg·L-1;缺氧區(qū)出水TP濃度分別為17.76、6.88和3.57mg·L-1;好氧區(qū)吸磷之后TP濃度分別為4.37、0.20和0.10mg·L-1,TP去除率分別為28.0%、96.8%和98.3%,回流比為200%和400%時(shí)系統(tǒng)出水TP濃度均達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)R為0%時(shí),A2/O的缺氧區(qū)成為實(shí)際意義上的厭氧環(huán)境,聚磷菌通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞綄]發(fā)性脂肪酸(VFAs)通過細(xì)胞膜運(yùn)送到體內(nèi)并合成聚羥基鏈烷酸酯(PHAs),細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)的聚磷顆粒裂解產(chǎn)生的正磷酸鹽被運(yùn)送到細(xì)胞外,聚磷顆粒裂解產(chǎn)生的三磷酸腺苷(ATP)為上述過程提供能量。由于硝化液回流比為0%,DPAOs沒有可利用的電子受體,其反硝化除磷功能喪失,所以,TP濃度在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)均升高;進(jìn)入好氧區(qū),聚磷菌以分子態(tài)氧為電子受體,以PHAs為電子供體過量攝磷,TP濃度下降。但是,由于好氧區(qū)的HRT較短(僅為1.7h),聚磷菌攝磷不充分,導(dǎo)致出水TP不達(dá)標(biāo)。當(dāng)R為200%和400%時(shí),在A2/O的缺氧區(qū),DPAOs以NO-3-N為電子受體,以PHAs為電子供體反硝化除磷,缺氧區(qū)TP濃度下降。根據(jù)物料衡算,R為200%和400%時(shí)的反硝化除磷量分別為1.49和1.64gTP·(gMLVSS)-1·d-1,回流比越大,反硝化除磷量越大。影響反硝化除磷量的主要因素有:①DPAOs占聚磷菌的比值,由活性污泥本身的特性決定,本生化系統(tǒng)屬于前置反硝化工藝,DPAOs在厭氧區(qū)優(yōu)先利用進(jìn)水中的VFAs,合成PHAs,為DPAOs成為優(yōu)勢菌種提供了有利條件。②缺氧區(qū)NO-3-N負(fù)荷,Hu等研究發(fā)現(xiàn),在缺氧條件下,反硝化異養(yǎng)菌和DPAOs爭奪有限的電子受體NO-3-N,DPAOs的反硝化速率僅為反硝化異養(yǎng)菌的30%,如果進(jìn)入缺氧區(qū)的NO-3-N負(fù)荷低于反硝化異養(yǎng)菌的反硝化潛力,反硝化異養(yǎng)菌將淘汰DPAOs而獨(dú)自利用NO-3-N;反之,DPAOs將有機(jī)會(huì)利用過剩的NO-3-N在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在。曝氣生物濾池穩(wěn)定的硝化效果為A2/O的缺氧區(qū)提供了充足的電子受體,為反硝化除磷提供了必要條件,因此,增大回流比,反硝化除磷量提高。③回流污泥中的NO-3-N抑制厭氧釋磷,本工藝的特點(diǎn)之一是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了聚磷菌和硝化菌的分離,所以,在理想狀態(tài)下,回流污泥中不含NO-3-N,DPAOs可以充分利用進(jìn)水中的VFAs合成PHAs,為反硝化除磷提供了足夠的能量儲(chǔ)備。④低C/N水質(zhì)特點(diǎn)對(duì)DPAOs有利,低C/N條件下,DPAOs以“一碳兩用”的方式實(shí)現(xiàn)生長和產(chǎn)能代謝,節(jié)省有機(jī)碳源50%,而好氧區(qū)可利用的有機(jī)碳源有限,好氧異養(yǎng)菌活性受到抑制。⑤缺氧區(qū)較長的HRT為DAPOs提供了適宜的生存空間,DPAOs進(jìn)行無氧呼吸,無氧呼吸的電子傳遞體系比好氧呼吸的短,氧化磷酸化僅生成2mol的ATP,產(chǎn)能低,代謝速率慢,因此,缺氧區(qū)較長的HRT對(duì)反硝化除磷有利。2.2dpaos的濃度聚磷菌厭氧釋磷、好氧/缺氧吸磷規(guī)律如圖3所示,計(jì)算得出DPAOs占聚磷菌的比例為68.2%,進(jìn)一步證實(shí)系統(tǒng)中存在DPAOs,DPAOs在厭氧/缺氧的交替環(huán)境中生長,具備反硝化除磷的功能。2.3不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)tn的變化情況圖4給出了氮和COD在A2/O-曝氣生物濾池中的沿程變化規(guī)律。硝化液回流比為0%、200%和400%時(shí),平均進(jìn)水NH+4-N濃度分別為70.60、68.11和69.93mg·L-1,最終出水NH+4-N濃度分別為0.60、0.93和0.86mg·L-1,NH+4-N去除率分別為99.14%、98.60%和98.77%,實(shí)現(xiàn)了NH+4-N的高效去除;NO-2-N濃度一直低于0.30mg·L-1;NO-3-N濃度在A2/O的厭氧、缺氧和好氧區(qū)均小于0.09mg·L-1,經(jīng)過曝氣生物濾池的硝化作用,NO-3-N濃度分別為56.39、16.05和8.21mg·L-1;平均進(jìn)水TN濃度分別為74.74、71.00和72.97mg·L-1,最終出水TN濃度分別為57.08、17.79和9.60mg·L-1,TN去除率分別為23.6%、75.4%和86.8%,回流比為200%和400%時(shí),出水TN濃度分別達(dá)到國家一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。硝化液回流比為0%時(shí)[圖4(a)],系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水沒有稀釋作用,NH+4-N在A2/O的厭氧、缺氧區(qū)幾乎沒有下降,在好氧區(qū)下降幅度有限,說明在短泥齡條件下,A2/O中的硝化菌得到淘洗,不發(fā)生硝化反應(yīng),NO-3-N濃度幾乎為0mg·L-1。經(jīng)過曝氣生物濾池之后,NH+4-N濃度幾乎下降到0mg·L-1,同時(shí),NO-3-N濃度出現(xiàn)一個(gè)“突躍”,說明曝氣生物濾池有穩(wěn)定而高效的硝化效果,進(jìn)一步證實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硝化菌和聚磷菌分離。從TN濃度的變化曲線可以看出,在厭氧、缺氧和好氧區(qū),TN濃度隨NH+4-N濃度而變化,經(jīng)過曝氣生物濾池之后,TN濃度由NO-3-N濃度決定,說明在厭氧、缺氧和好氧區(qū)TN主要以NH+4-N的形態(tài)存在,經(jīng)過曝氣生物濾池,TN主要以NO-3-N的形態(tài)存在。同時(shí)還可以看出,TN在曝氣生物濾池中也有一個(gè)明顯的下降過程,這可能是曝氣生物濾池中發(fā)生了同時(shí)硝化反硝化,使得TN濃度有所降低。硝化液回流比為0%時(shí),出水NO-3-N濃度仍然高達(dá)56.39mg·L-1,TN濃度為57.08mg·L-1,NO-3-N和TN均不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。硝化液回流比為200%和400%時(shí)[圖4(b)、(c)],NH+4-N和TN在A2/O中有2次明顯的降低過程,第1次發(fā)生在厭氧區(qū),由于回流污泥的稀釋作用(稀釋比例為1∶1),第2次發(fā)生在缺氧區(qū),由于硝化液回流的稀釋作用(稀釋比例分別為1∶2和1∶4)。在A2/O的缺氧區(qū),反硝化菌以NO-3-N為電子受體,以可利用的有機(jī)碳源為電子供體進(jìn)行反硝化脫氮,DPAOs以NO-3-N為電子受體,以PHAs為電子供體反硝化除磷,NO-3-N被還原為氮?dú)忉尫懦鰜?實(shí)現(xiàn)氮的真正去除。影響反硝化脫氮的主要因素有:①缺氧區(qū)提供的NO-3-N負(fù)荷,回流比越大,回流到缺氧區(qū)的NO-3-N負(fù)荷越高,對(duì)反硝化脫氮有利;②缺氧區(qū)可利用的有機(jī)碳源越多,反硝化速率越快;③缺氧區(qū)的HRT,DPAOs的反硝化速率僅為反硝化異養(yǎng)菌的30%,因此,缺氧區(qū)較長的HRT對(duì)反硝化有利。2.4不同途徑回用反硝化菌進(jìn)水COD濃度在144~446mg·L-1之間波動(dòng),平均為376mg·L-1,最終出水COD為42mg·L-1,COD去除率為88.3%,出水COD達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。硝化液回流比為0%時(shí)[圖4(a)],COD在系統(tǒng)中呈現(xiàn)“階梯”狀遞減,缺氧區(qū)的降低幅度較小,主要是由于反硝化菌在缺氧區(qū)沒有可利用的電子受體,反硝化菌的活性受到抑制;COD在厭氧區(qū)、好氧區(qū)及曝氣生物濾池中下降幅度較大,主要是被聚磷菌、好氧異養(yǎng)菌及反硝化菌所利用。硝化液回流比為200%和400%時(shí)[圖4(b)、(c)],COD在A2/O的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)下降幅度較大,而在好氧區(qū)及曝氣生物濾池中下降幅度較小。一方面,回流比越大,缺氧區(qū)的NO-3-N負(fù)荷越高,需要的COD越多,反硝化越充分;另一方面,提高缺氧區(qū)的NO-3-N負(fù)荷,DPAOs的活性越強(qiáng),厭氧區(qū)吸收的VFAs越多,COD在厭氧區(qū)的降幅越大。2.5泥齡對(duì)cod和tn的去除效果影響傳統(tǒng)A2/O工藝中,長泥齡的硝化菌與短泥齡的聚磷菌共同存在于單一系統(tǒng)中,在長泥齡條件下運(yùn)行時(shí),有利于硝化菌成為優(yōu)勢菌種,對(duì)硝化有利,然而,在長泥齡條件下,由于剩余污泥量較少,導(dǎo)致除磷效果不佳;系統(tǒng)在短泥齡條件下運(yùn)行時(shí),硝化菌被淘洗,對(duì)硝化不利。針對(duì)泥齡方面存在的矛盾,A2/O-曝氣生物濾池工藝通過縮短泥齡,把硝化過程從A2/O中分離出去,用曝氣生物濾池實(shí)現(xiàn)硝化;A2/O在短泥齡條件下運(yùn)行,發(fā)揮其除磷效果好的特點(diǎn);曝氣生物濾池在長泥齡條件下運(yùn)行,有利于硝化效果的穩(wěn)定和氨氮的徹底去