硝化液回流比对A2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响

王 聪,王淑莹*,张 淼,汪传新,薛晓飞,庞洪涛,彭永臻(.北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 004；.北控水务(中国)投资有限公司,北京 004)

硝化液回流比对A2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响

王 聪1,王淑莹1*,张 淼1,汪传新1,薛晓飞2,庞洪涛2,彭永臻1(1.北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京 100124；2.北控水务(中国)投资有限公司,北京 100124)

以低C/N城市生活污水为处理对象,重点考察了硝化液回流比对A2/O - BCO(生物接触氧化)工艺脱氮除磷特性的影响.在A2/O反应池水力停留时间(HRT)为8h,污泥回流比为100% 条件下,将硝化液回流比分别设定为100%、200%、300%和400%进行试验.结果表明, 系统在A2/O中实现了反硝化除磷,具有很好的同步氮磷的去除效果,出水COD浓度均在50mg/L以下.上述不同硝化液回流比下总氮(TN)去除率分别为48.8%、66.5%、75.6%和62.5%,总磷(TP)去除率分别为86.0%、90.3%、91.0%和95.0%.在硝化液回流比为300%时,系统平均出水TN和TP浓度分别为14.96mg/L和0.49mg/L.系统反硝化除磷量随着硝化液回流比的增大略有增加,在硝化液回流比为400%时,反硝化除磷量高达磷总去除量的98%.

A2/O-生物接触氧化工艺；深度脱氮除磷；反硝化除磷；硝化液回流比

我国城市污水低C/N的问题,使旧污水处理厂大多已经达不到新污水排放标准[1],这就要求污水厂能够采用新的运行工艺或者在原来构筑物基础上能够结合其他工艺来实现低C/N污水氮磷的高效去除.传统的厌氧/缺氧/好氧(A2/O)工艺[2]在我国应用最广,这是一个顺次为厌氧、缺氧和好氧的单污泥悬浮生长系统,影响A2/O工艺处理效果的问题主要有3个[3]:

第一,硝化菌与聚磷菌(PAOs)间长短污泥龄(SRT)的矛盾;第二,由于硝态氮存在,反硝化菌会与PAOs竞争碳源,所以传统工艺回流污泥中的硝态氮影响PAOs在厌氧区释磷,净磷释放在反硝化未完成之前是不会出现的[4];最后,在污水C/N过低时,碳源的缺乏是影响同步脱氮除磷的重要因素[5].由于城市污水中C/N一般较低,使得单一的运行系统很难达到日益严格的排放标准.因此,在无需改造现有A2/O系统的同时获得较好的污染物去除效果是一个挑战[6].

陈永志[7]、王建华等[8]对于A2/O-BAF系统的研究,在解决上述问题方面有较大优势.在A2/O-BAF系统中,A2/O中实现了反硝化除磷,且污水中可生物降解COD基本被完全利用;BAF中只完成氨氮的氧化,生成的硝态氮回流至A2/O反应器的缺氧段,从而提供一个相对严格的厌氧环境[9-10].但A2/O-BAF系统仍存在下述问题:首先,BAF的堵塞问题,在正常运行过程中,BAF的滤池性质必然会导致堵塞,增加日常运行与维护费用;其次,BAF水头损失较大,水的总提升高度较大[11],对提升泵以及风压的要求较高.

经分析,本研究提出了A2/O-BCO系统,用不需反冲洗的BCO替代BAF单元,以解决BAF的堵塞问题,且BCO单元池型为多格室完全混合式与推流式相结合的型式,容易根据氨氮负荷控制各段曝气量,从多方面节约运行与维护能耗. A2/O-BCO系统提高了反应速率和处理效果,但运行参数对这一新系统的性能影响还不明确.本研究对从BCO单元产生的硝化液以不同回流比回流到A2/O反应器的缺氧段进行了试验,并以实际生活污水为处理对象,连续运行5个月,考察了硝化液回流比对A2/O-BCO系统同步脱氮除磷效果的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置及运行程序

A2/O - BCO双污泥系统流程见图1,A2/O为活性污泥法,BCO为生物膜法.A2/O有效容积为40L,厌氧区(ANA)、缺氧区(AN1和AN2)和好氧区(O)容积比为1:3:1,为了保证良好的推流式完全混合反应条件,及反硝化除磷反应彻底进行,在A2/O中设置两段缺氧区,好氧区主要吸收剩余的磷和吹脱氮气;BCO反应池有效容积为24L,进行硝化反应,均分为3个格室(记为N1、N2和N3),每格室均填充聚丙乙烯材质环形悬浮填料,填充率为45%,填料尺寸为D25mm×10mm,中心有网格结构,密度为0.96g/cm3,孔隙率为95%,有效比表面积为500m2/m3.

图1 A2/O-生物接触氧化系统流程示意Fig.1 Schematic diagram of A2/O - BCO biological process

1.2 接种污泥和试验污水

A2/O反应池和BCO反应池接种污泥均取自以实际生活污水为处理对象的中试SBR反应器,污泥浓度为2500～3500mg/L.经过30d的驯化, A2/O系统达到稳定.BCO反应池闷曝3～5d后,排空污泥;随后连续进生活污水,以动态的自然培养方法挂膜;根据挂膜进程逐渐加大进水负荷直至设计流量,当COD去除率>80%,NH4+-N去除率>85%时,标志生物膜挂膜基本完成.BCO反应池开始以A2/O反应池出水(可降解COD基本被去除)作为进水,1个月后,NH4+-N去除率平均高达97.8%.

试验采用北京工业大学教工住宅小区化粪池生活污水,试验期间原水水质特点见表1,原水pH值平均为7.4,试验均在室温下进行.

表1 原水水质特点Table 1 The influent characteristics

1.3 分析方法

MLSS、COD等指标采用标准方法测定[12],水样采用0.45μm中速滤纸过滤, PHA采用Agilent 6890N型气相色谱以及Agilent DB-1型气相色谱柱、按照Oehmen等[13]改良后的方法测定; PO43--P, NH4+-N,NO2--N,NO3--N由Lachat Quikchem8500型流动注射仪测定(Lachat Instrument, Milwaukee, wiscosin);TN通过TN/TOC 分析仪(MultiN/C3100, Analytik Jena, AG)测定,采用WTW, Multi 340i pH/DO仪测定pH值和溶解氧(DO).

根据Wachtmeister等[14]推荐的方法计算反硝化聚磷菌(DPAOs)占PAOs的比例,具体方法是,从A2/O反应器的好氧段取2L活性污泥,离心分离后用蒸馏水清洗两遍,以去除残余的COD和其他物质的影响,并定容到2L至密闭的小试SBR反应器中,放在磁力搅拌器上搅拌,同时加入无水乙酸钠,使初始时刻COD为200mg/L,进行2h厌氧反应;反应结束后,离心分离,将活性污泥清洗两遍,去除剩余COD,然后均分为2份并定容至1L,1份好氧曝气,使DO维持在3～4mg/L,另1份加入NaNO3,使初始NO3--N浓度为30mg/L,缺氧搅拌,反应时间均为2h,缺氧最大吸磷速率/好氧最大吸磷速率即为系统中DPAOs占PAOs的比例.

1.4 试验安排

A2/O进水流量为5L/h,A2/O反应池内HRT为8h, SRT为12d,污泥回流比为100%,试验开始后硝化液回流比(记为R)分别为100%、200%、300%和400%,MLSS维持在3500mg/L左右,好氧段DO为1.0～2.0mg/L;BCO的HRT为1.9h, DO为3.0～4.5mg/L.

2 结果与讨论

2.1 硝化液回流比对各污染物去除的分析

2.1.1 不同R对COD的去除特性 由图2可知,当R分别为100%、200%、300%和400%时,尽管进入系统的生活污水中COD波动很大,但A2/O - BCO系统对COD的去除效果一直很稳定,R对COD的去除影响不大.4个R下,平均进水COD分别为(244.32±47.03),(231.16±50.92), (187.64±49.10),(240.42±34.98)mg/L,A2/O平均出水COD分别为48.95,44.29,42.51,41.08mg/L,系统最终出水COD分别为(45.75±8.89),(40.94± 7.70),(41.26±7.24),(37.31±6.51)mg/L,去除率分别为81.3%、82.3%、78.0%和84.5%.COD在A2/O中厌氧段降低幅度最大,除了有污泥回流的稀释作用,主要是被PAOs用来合成胞内碳源聚-β-羟基链烷酸脂(PHA),PHA 是PAOs缺氧/好氧吸磷的贮备能量;AN1段,反硝化菌优先利用剩余COD进行反硝化作用,当可生物降解COD耗尽后,PAOs则利用PHA进行反硝化同步脱氮除磷反应;好氧段COD降幅较小,主要用于维持好氧异养菌的新陈代谢[15];COD在BCO中也得到部分去除,可能原因是其中除了自养型的硝化菌之外,还存在好氧异养菌.当R = 300%时,去除率为78.0%,这是由于该工况运行期间正值夏季,进水COD值较低导致的.A2/O平均出水COD和系统最终出水COD值均在50mg/L以下,系统A2/O中已经基本完成了可生物降解COD的氧化,这为BCO中自养型硝化菌的生长创造了有利条件.

图2 不同硝化液回流比工况下COD的去除特性Fig.2 Removal characteristics of COD under different nitrate recycling ratios

2.1.2 不同R对氮的去除特性 由图3可见,当R分别为100%、200%、300%和400%时,系统运行一段时间后均呈现出了稳定的硝化性能,平均NH4+-N去除率均在90%以上;进水TN平均质量浓度分别为(65.93±5.00),(64.30±4.55),(61.23±3.70), (62.96±4.46)mg/L,出水TN平均质量浓度分别为(33.78±3.95),(21.57±3.15),(14.96±1.81),(23.61± 6.00)mg/L;去除率分别为48.8%、66.5%、75.6%和62.5%,R从100%增加到300%的过程中TN去除率呈升高趋势,但是增加到400%时,由于回流量较高,导致硝态氮未被反硝化完全,A2/O出水硝态氮浓度平均在8.02mg/L,进而形成了硝态氮的积累,导致出水TN浓度高.这与陈永志等[15]A2/O-BAF系统关于TN去除率随内回流比增大而增加的结果不同,主要差异是A2/O中厌氧、缺氧和好氧容积比,使得反硝化程度不同,在后续的试验中,对容积比进行优化很有必要.吴昌永等[16]认为,在R较高时(400%),回流到缺氧段的硝态氮负荷近于饱和,但是,由于进水C/N较低,缺氧段可利用的有机碳源有限,因此,碳源不足成为影响反硝化效果的主要原因;再者就是硝化液中携带的DO也随着R的增大而增大,从而破坏了缺氧环境,削弱反硝化能力,这也是导致TN去除率不高的原因.

图3 不同硝化液回流比工况下氮的去除特性Fig.3 Removal characteristics of N under different nitrate recycling ratios

图4为不同R下氮的沿程转化规律,原水中TN以NH4+-N为主,在A2/O厌氧区TN和NH4+-N浓度出现降低主要因为稀释作用, A2/O的AN1和AN2发生反硝化除磷反应,O段基本不发生氨氮的氧化,氨氮的氧化主要在BCO中发生.系统最终出水以硝态氮为主,经过硝化液回流进入AN1段,为反硝化除磷提供电子受体,反硝化除磷情况决定系统脱氮效率.

表2 不同硝化液回流比工况下系统的比反硝化速率和比氨氮氧化速率Table 2 Specific denitrification rate and specific ammonia uptake rate under different nitrate recycling ratios

经过物料衡算得出4个不同R下A2/O中AN1、AN2的比反硝化速率(比反硝化速率指单位时间单位污泥的异养反硝化菌和DPAOs去除的硝态氮量)和BCO中N1、N2和N3的比氨氮氧化速率(表2).由此可知,随着R值增大,A2/O中比反硝化速率和BCO中各好氧段比氨氧化速率均呈降低趋势,这主要因为A2/O中MLSS、缺氧区硝态氮负荷和BCO进水氨氮负荷均受到R值变化的影响.

2.1.3 不同R对磷的去除特性 由图5可见,当R分别为100%、200%、300%和400%时,系统均有较好的除磷效果,进水TP平均质量浓度分别为(6.12±0.55),(5.34±0.99),(5.47±0.86),(5.61±0.69)mg/ L;出水TP平均质量浓度分别为(0.86±0.39),(0.52± 0.24),(0.49±0.25),(0.28±0.21)mg/L;去除率分别为86.0%、90.3%、91.0%和95.0%,呈升高趋势.缺氧段出水P浓度随着R值增大而减少,可见,在R值较低的情况下,硝态氮为反硝化除磷的限制因素.图6也表明,在R=100%时,由于电子受体不足, 在 AN2段TP浓度降低幅度最小,到O段,主要发生以氧气为电子受体的吸磷反应;随着电子受体的回流量增大,缺氧段反硝化除磷是除磷的最主要方式.根据Hu等[17]的研究结果,在缺氧条件下,反硝化异养菌和DPAOs争夺有限的电子受体NO3--N, DPAOs的反硝化速率仅为反硝化异养菌的30%,如果进入缺氧区的NO3--N负荷低于反硝化异养菌的反硝化潜力,反硝化异养菌将淘汰DPAOs,而独自利用NO3--N;反之,DPAOs将有机会利用过剩的NO3--N在系统中稳定存在.BCO稳定的硝化效果为A2/O的缺氧区提供了充足的电子受体,为反硝化除磷提供了必要条件.

图4 不同硝化液回流比工况下氮的转化规律Fig.4 Regularity of nitrogen transformation under different nitrate recycling ratios

图5中,当R为400%时,尽管ANA段受到回流污泥中硝态氮的影响,平均释磷量仅有11.84mg/L,但出水TP浓度依然能达到出水水质标准.在本试验条件下,ANA段释磷量受到R的影响很大,R增大到400%时,缺氧段硝酸盐负荷过高,且缺氧段最开始可用于反硝化除磷反应的磷酸盐浓度被稀释为7.89mg/L,反硝化除磷去除量远小于R为300%时,图6也清晰表明了这一点.由此可知当R增大到500%或者更大时,首先ANA段会受到硝态氮的严重影响,低C/N原水中的碳源先被反硝化作用利用,用于厌氧释磷的碳源将越来越少,厌氧释磷量将低于R=400%时,整个系统反硝化除磷反应条件遭到恶化,系统TN去除率将严重下降,且R增大必然增加能耗,基于此,本试验条件下R在400%以上的研究没有必要.图6中系统最终出水TP浓度略比A2/O中O段高是因为在中间沉淀池发生了轻微二次释磷,这就要求控制R在合适的范围内,既保障缺氧区有足够的电子受体来完成反硝化除磷反应,同时又保证在中间沉淀池不会发生二次释磷.

图5 不同硝化液回流比工况下磷的去除特性Fig.5 Removal characteristics of P under different nitrate recycling ratios

由表3知,在不同R下,缺氧吸磷量分别为1.304,3.595,3.590,1.509g TP/(g MLSS⋅d),均高于陈永志[7]研究中的1.00,1.15,1.23,1.28g TP/(g MLSS⋅d);增大R,反硝化除磷量提高,当R为400%时,反硝化除磷量高达98%,也比Chen等[15]对硝化液回流比研究中的93.7%高.在R为400%的条件下,通过进行缺氧吸磷批次试验,结果表明,DPAOs所占比例为44.46%,远小于陈永志硝化液回流比为400%时的73%[7].

本研究中的A2/O-BCO系统与陈永志[7]研究的A2/O - BAF系统在除磷过程中呈现的厌氧释磷情况和DPAOs占PAOs的比例均有不同.究其原因,其共同点是实现了PAOs和硝化菌的分离,低C/N的水质促进了DPAOs的生长,且后面BCO/BAF单元为前面提供稳定的电子受体硝态氮,使得反硝化除磷得以在A2/O反应器中实现;主要不同是缺氧段的HRT不同,A2/O-BAF中较长的缺氧HRT为DPAOs提供了更适宜的生存条件[15],结果富集了73%的DPAOs,明显高于本系统中的44.46%,且最终出水TP浓度低至0.1mg/L[7].但本系统缺氧吸磷量和反硝化除磷比例均高于A2/O-BAF系统,说明本系统中微生物活性较高,通过调整运行工况,会有更好的处理效果,缺氧段最佳HRT及其对系统微生物种群的影响是值得进一步研究的问题.

图6 不同硝化液回流比工况下磷的沿程变化规律Fig.6 Evolution of P in A2/O - BCO system under different nitrate recycling ratios

2.2 不同R对氮、磷同步去除的影响

经分析知,本试验条件下系统同步脱氮除磷效果在R=100%、200%时明显小于R=300%、400%时.A2/O中缺氧段的HRT为4.8h,在R=100%、200%和300%时,均能满足有机物的进一步去除和反硝化除磷反应的充分进行,但当R=400%时,一方面回流污泥中携带的硝酸盐破坏了A2/O中的厌氧环境,严重影响ANA段的释磷情况和系统碳源的利用情况,影响缺氧段反硝化除磷反应,这在图6中也可以看出;另一方面回流过来的大量硝酸盐,使得缺氧条件下硝酸盐负荷过高,并携带了大量溶解氧,导致缺氧段有效反应时间严重缩短,A2/O出水中硝态氮开始积累,TN去除率并没有提高.若将缺氧段HRT适当延长,可能DPAOs的富集程度会比目前的44.46%高,且TN和TP去除率能得到同步提高.在缺氧段HRT适当延长的情况下,R进一步提高到500%以及以上数值回流比对氮、磷的同步去除效果还有待进一步研究.

表3 不同硝化液回流比工况下系统的比反硝化除磷速率和反硝化除磷量所占百分比Table 3 Specific denitrifying phosphorus removal rate and percentage of total phosphorus removal under different nitrate recycling ratios

3 结论

3.1 A2/O-BCO系统在不同R下都有很好的COD去除效果,出水均在50mg/L以下,NH4+-N和TP去除率随着R的增大均呈增大趋势.

3.2 BCO具有很好的硝化性能,对氨氮的氧化作用均达90%以上.

3.3 R从100%增大到400%,平均出水TN浓度分别为33.78,21.57,14.96,23.61mg/L,去除率分别为48.8%、66.5%、75.6%和62.5%.

3.4 系统实现了低C/N条件下的反硝化除磷,且反硝化除磷量随着R的增大略有增大,但好氧段仍承担部分除磷功能.当R=400%时,反硝化除磷量高达磷去除总量的98%.

3.5 系统在R=300%时,平均出水TN和TP浓度分别为14.96mg/L和0.49mg/L,具有很好的同步氮磷的去除效果.

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Effect of nitrate recycling ratio on denitrifying phosphorus removal characteristics in A2O-BCO process.

WANG Cong1, WANG Shu-ying1*, ZHANG Miao1, WANG Chuan-xin1, XUE Xiao-fei2, PANG Hong-tao2, PENG Yong-zhen1(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China；2.Beijing Enterprises Water Group (China) Investment Limited, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2844～2850

The characteristics of biological nitrogen (N) and phosphorus (P) removal under different nitrate recycling ratios were investigated in a Anaerobic/Anoxic/Oxic (A2O)-Biological Contact Oxidation (BCO) system when treating low C/N in municipal wastewater. The results indicated that the removal of N and P was achieved simultaneously, and denitrifying phosphorus removal (DPR) process was realized with the total hydraulic retention time (HRT) of A2O at 8h, sludge reflux ratio of 100%, and nitrate recycling ratios set as 100%, 200%, 300% and 400% respectively. The effluent concentration of COD was less than 50mg/L. The removal efficiencies of total nitrogen (TN) were 48.8%, 66.5%, 75.6% and 62.5%, and the removal efficiencies of total phosphorus (TP) were 86.0%, 90.3%, 91.0% and 95.0% under various nitrate recycling ratios. When the nitrate recycling ratio was set at 300%, average concentration of TN and TP in effluent were 14.96mg/L and 0.49mg/L. The amount of denitrifying phosphorus removed was increased slightly as the nitrate recycling ratio improved. When the nitrate recycling ratio was set at 400%, the amount of P removed by DPR accounted for 98% of the total phosphorus removed.

A2/O-biological contact oxidation (BCO) combined process；deeply biological nitrogen and phosphorus removal；denitrifying phosphorus removal；nitrate recycling ratio

X703.1

A

1000-6923(2014)11-2844-07

王 聪(1989-),女,河北省抚宁人,北京工业大学硕士,研究生,主要从事污水生物处理理论与应用研究.

2014-02-28

国家“863”项目(2012AA063406);北京市科技计划项目(D12110900010000)

＊ 责任作者, 教授, wsy@bjut.edu.cn