温度阶段性下降对A2/O污水处理系统效能的影响

金 羽，李建政，任南琪，赫俊国

(1. 哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090；2. 东北农业大学 资源与环境学院，哈尔滨 150030)

社会经济及城镇化建设的发展，污水集中排放量日益增加，给环境带来了越来越大的压力.如何更好地解决污水处理问题，成为和谐社会与生态文明建设的重要内容.以活性污泥法为主体的各种污水生物处理技术得到广泛研究和应用，但仍有一些问题未能得到很好解决.温度是影响微生物活性的重要因素，低温会显著降低活性污泥的活性，污水生物处理系统的效能和运行稳定性也会因此受到很大影响[1-2].我国北方地区进入寒冷季节时，水温迅速下降，污水生物处理系统中的活性污泥性能变差，处理效果显著下降，尤其是造成水体富营养化的植物性营养元素N和P难以达标排放，成为污水处理领域亟待解决的问题[3-4].

厌氧-缺氧-好氧(A2/O)工艺具有碳、氮、磷同步去除的功能，在城镇污水处理中得到了越来越多的应用.然而，在我国北方地区寒冷季节，其效能同样受到温度降低的威胁[5].目前，关于温度对污水生物处理系统运行效果影响的研究，多集中在特定温度下系统运行效能或高温与低温运行效果对比研究方面，对温度阶段性变化与运行效果的相应关系缺乏足够认识[6-7].本文以A2/O工艺运行为基础，根据我国北方地区城市污水处理系统一年四季水温变化规律设计温度梯度，考查水温从23 ℃分阶段下降到11 ℃的过程中系统对生化需氧量(COD)、氨氮(NH3—N)、总氮(TN)和总磷(TP)的去除效果，以期为北方地区污水处理厂在低温季节的调控运行提供指导.

1 材料与方法

1.1 试验装置

A2/O污水处理反应器由有机玻璃制成，包括厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池，其流程如图1所示.反应器有效容积为40 L，分为8个格室，前2个格室为厌氧池，中间2个格室为缺氧池，后4个格室为好氧池，厌氧池、缺氧池、好氧池的体积比为1∶1∶3，沉淀池有效容积为14 L.厌氧池和缺氧池设有搅拌装置，好氧池通过底端曝气头供氧，试验进水、回流污泥和硝化液回流均采用蠕动泵控制.A2/O反应器安置于恒温水浴箱中，水浴箱的水通过恒温循环器(DTY-15B，四川中浪)制冷或加热并将温度控制在设定温度，温度误差为(±1) ℃.

1.2 试验用水

试验污水取自哈尔滨市某生活小区，其水质主要指标为：COD 160～330 mg/L，NH3—N 37～50 mg/L，NO3-—N 0.24～1.0 mg/L，TN 38～65 mg/L，TP 4～6 mg/L.

1.3 接种污泥

用于启动A2/O反应器的种泥取自哈尔滨市某污水处理厂的二沉池.该污泥沉降性良好，絮体密实，SV30为80 %，MLSS为7.29 g/L. 污泥经淘洗后投入到反应器中，接种量MLSS约为3.0 g/L.

1.4 反应器的启动与运行控制

在A2/O反应器正式启动前，进行了为期3 d的间歇运行以培养活性污泥，其操作为：污泥接种完成以后，向A2/O反应器泵入生活污水至有效水深，在23 ℃下曝气1 d后静沉2 h，排出2/3上清液，再进水至有效水深，如此循环操作.在间歇运行3 d后，好氧池和厌氧池分别表现出了显著的硝化作用和释磷现象，系统转入连续流运行模式，正式启动.在启动运行阶段，A2/O系统的运行控制参数如下：进水流量4.0 L/h，水力停留时间(HRT)10 h，污泥量MLSS 2.8～3.0 g/L，缺氧池溶解氧(DO)控制在0.5 mg/L以下，好氧池DO控制为2～3 mg/L，污泥回流比50 %～75 %，硝化液回流比200 %～250 %.

当A2/O反应器在23 ℃条件下达到运行稳定后，将温度分阶段降低为18 ℃、14 ℃和11 ℃，各温度条件下的运行均达到相对稳定并维系7 d后再转入下一温度条件下运行.在改变温度时，控制每天的降温幅度不超过2 ℃，直到下一个设定值.除启动期外，A2/O反应器在各温度条件下对COD、NH3—N、TN及TP的去除效率，均按稳定运行7 d的平均值计算.

1.5 分析方法

在A2/O系统运行过程中，每天定时从进水口和厌氧池末端、缺氧池末端及沉淀池出水管采集水样.水样采用高速离心机离心后进行水质分析，主要分析指标包括COD、NH3—N、NO3-—N、 TN、TP和MLSS，其中TN采用岛津TN分析仪(日本)检测，其他指标的分析均依照《水和废水监测分析方法》进行[8].

图1 反应器实验装置图

2 结果与分析

2.1 系统的启动运行

以间歇运行方式培养污泥3 d后，A2/O反应系统在23℃条件下正式启动.系统在进入连续流运行之后，其NH3—N及TP的去除率随着运行时间的延续而持续上升.这一现象在前14 d表现的尤为明显(图2)，系统的NH3—N和TP去除率分别从启动之初的13.9%、23.4%提高到了第14 d的85.2%和83.2%.然而，系统对COD的去除却在运行的前10 d表现出一个显著的停滞期，保持在73.2%上下，此后呈现迅速增加趋势，至14 d达到85.4%后趋缓.在第14 天之后的运行中，系统对COD、NH3—N和TP的去除率仍呈缓慢上升趋势，但在最后5 d表现出了相对稳定状态，其出水质量浓度分别保持在26.7、1.27、0.22 mg/L左右，平均去除率分别达到91.4%、96.4%和95.6%.

经过32 d的运行，A2/O反应系统在23℃条件下达到了运行稳定，对COD、NH3—N和TP的去除率均维持在90%以上，说明污泥驯化已经完成，系统启动成功.

2.2 温度阶段性下降对系统COD去除效能的影响

为了考察季节性温度变化对A2/O反应系统去除效能的影响，系统在23 ℃条件下达到稳定状态并维持运行7 d后，分阶段将温度下降为18、、14、11 ℃条件下运行.运行结果显示，温度每下降一次，系统再一次达到稳定运行状态(COD、NH3—N及TP的去除率保持相对稳定)所需要的运行时间会更长.从23℃分阶段降低为18、14、11 ℃后，系统重新达到稳定运行状态分别需要15、25、32 d(历时曲线略).在每个温度条件下的稳定状态，维持运行7 d，以COD、NH3—N及TP的平均去除效果为标准，就温度阶段性下降对A2/O工艺处理生活污水的效能进行了对比分析，结果如表1～4所示.

研究表明[9]，在一定范围内，温度每下降10 ℃，微生物的代谢活性就会降低1.5倍左右.对A2/O反应系统在不同温度条件下稳定运行时期的检测数据分析(表1)表明，尽管进水COD均维持在271 mg/L左右，但在23、18、14、11 ℃条件下的出水COD随温度下降而升高，分别为28、33、37、40 mg/L，COD去除率依次降低为90.2%，88.3%，86.1%、85.2%.虽然温度下降对A2/O系统的COD去除能力产生了较为显著的影响，但系统的出水COD(最高为40 mg/L)依然能够满足“城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)”要求的Ⅰ级A排放标准(≤ 50 mg/L)，可以保障出水COD的达标率.

表1温度阶段性下降对A2/O系统COD去除率的影响

温度/℃运行时间/d进水/(mg·L-1)厌氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%总去除率 /%23±17283±2.12131±0.5853.851±0.5261.228±0.2845.290.218±122280±1.67135±1.1251.655±0.1059.533±0.0740.688.314±132265±1.33141±0.6246.763±1.4355.737±0.2241.286.111±139273±1.55150±1.1545.371±0.5552.840±0.0642.885.2

对各处理单元COD去除率的计算与比较发现，尽管温度下降从整体上降低了A2/O系统对COD的去除率，但COD质量浓度在系统内各单元的变化规律却并未因温度的下降而改变.由于硝化液稀释和污泥吸附作用，以及可能存在的反硝化作用，使厌氧反应单元和缺氧反应单元在各温度下均表现出了较高的COD去除率，分别维持在45.3%～53.8%和52.8%～61.2%，而好氧工艺段的COD去除率并不算高，仅为40.6%～45.2%.分析认为，厌氧和缺氧反应单元对COD的大量去除，严重限制了好氧工艺段的营养水平，迫使活性污泥微生物更多地依靠内源呼吸供给能量.微生物处于内源呼吸期虽然在一定程度上限制了好氧工艺段的COD去除率，但可促使活性污泥更多地进行吸磷和氨氮氧化代谢，有助于系统对NH3—N和TP去除率的提高[10].

2.3 温度阶段性下降对系统NH3—N去除效能的影响

如表2所示，当温度由23 ℃下降为18 ℃时，A2/O系统对NH3—N去除率未出现明显变化，其出水质量浓度和去除率分别为0.8、0.9 mg/L和98.0%、98.2%.当温度下降为14 ℃时，经过一定时间的运行，系统对NH3—N的去除率仍能稳定在90.9%左右，出水NH3—N质量浓度维持在4.6 mg/L，可达到Ⅰ级A排放标准(≤ 5 mg/L).然而，当温度继续下降到11 ℃后，系统对NH3—N的去除率大幅下降为84.1%，出水NH3—N质量浓度达到7.6 mg/L，已不能满足Ⅰ级A标准.

表2温度阶段性下降对A2/O系统NH3—N去除率的影响

温度/℃运行时间/d进水/(mg·L-1)厌氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%总去除率 /%23±1739.2±1.2230.3±0.0722.810.7±0.3664.70.8±0.0092.598.018±12246.5±0.8530.1±0.4235.310.2±0.5566.00.9±0.0391.698.214±13250.3±0.4730.5±0.6339.314.3±1.2453.34.6±0.0267.890.911±13947.7±0.7434.9±0.7326.816.2±0.0453.57.6±0.0853.384.1

分析认为，在好氧工艺段，NH3—N的去除主要是通过氨氧化作用，即硝化作用实现的.而在厌氧工艺段和缺氧工艺段，氨氮的去除更多地依赖于厌氧氨氧化途径.研究表明，硝化反应的最适温度为22～37 ℃，当水温低于15 ℃时，硝化反应会受到显著抑制，导致出水NH3—N质量浓度明显上升[11-12].而厌氧氨氧化可以在6～43℃的温度范围内发生[13]，适宜厌氧氨氧化的温度范围为30～40 ℃，低于15 ℃，厌氧氨氧化速率较低[14].可见，温度的下降，不仅降低了好氧工艺段的硝化反应效率，同时也显著削弱了厌氧工艺段和缺氧工艺段的厌氧氨氧化效率，导致了A2/O系统NH3—N去除率的总体下降.

2.4 温度阶段性下降对TN去除效能的影响

由表3所示运行效果可见，温度下降对A2/O污水处理系统的TN去除效能具有较为显著的影响.在水温由23℃下降到18 ℃时，系统对TN的去除率由76.9%变为75.5%，只有少许下降.而当水温继续下降到15 ℃以下时，系统的TN去除效能受到显著影响，在14 ℃和11 ℃时大幅下降为70.6%和66.5%.在水温23℃和18℃条件下，A2/O系统出水TN质量浓度分别维持在11.5、11.9 mg/L，完全可以满足Ⅰ级A排放标准(≤15 mg/L)的要求.水温在14 ℃左右时，系统出水TN质量浓度平均为15.1 mg/L，达标排放保证率显著降低.在更低温度11 ℃条件下，系统出水TN只能维持在16.6 mg/L上下，明显高于Ⅰ级A排放标准的要求.可见，在水温低于14 ℃时，A2/O污水处理系统出水TN的达标排放难以保障.

表3温度阶段性下降对A2/O系统TN去除率的影响

温度/℃运行时间/d进水/(mg·L-1)厌氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%总去除率 /%23±1749.7±1.3344.3±1.1110.913.5±0.8369.611.5±0.2714.976.918±12248.6±0.9644.5±0.228.513.6±0.1269.511. 9±0.0812.475.514±13251.4±0.3243.3±0.2115.717.0±1.1160.815.1±0.5910.970.611±13949.5±0.7547.1±0.864.819.3±1.2559.016.6±0.4714.266.5

研究表明[15]，A2/O系统可通过如下机制使污水中TN得以去除：1)活性污泥微生物吸收氮素用于细胞物质合成；2)发生在厌氧工艺段和缺氧工艺段的反硝化、厌氧氨氧化和短程反硝化作用.在水质水量和其他控制条件相对稳定条件下，后者是A2/O系统主要脱氮途径.缺氧工艺段具有反硝化、厌氧氨氧化和短程反硝化的反应条件[16]，使其成为A2/O系统对TN去除的主要处理单元.如表3所示，在23～14 ℃范围内，厌氧工艺段和好氧工艺段的TN去除率最大分别只有15.7%和14.9%，而缺氧工艺段的TN去除率最低也达到了59%.温度对缺氧段TN去除的影响似乎具有跳跃性.A2/O系统在23 ℃和18 ℃达到稳定状态后，其缺氧工艺段的TN去除率分别为69.6%和69.5%(表3)，二者相差无几.而当温度由18 ℃下降为14 ℃后，缺氧段的TN去除率大幅降低到了60.8%，而在11 ℃条件下仍然维持了59.0%的去除率.

2.5 温度阶段性下降对TP去除效能的影响

A2/O污水处理系统表现出很好的除磷性能(表4).在进水TP为4～6 mg/L条件下，即便在水温11℃，A2/O系统对TP的去除率也能高达95.0%，出水TP质量浓度仅为0.3 mg/L左右，达到Ⅰ级A排放标准(≤ 0.5 mg/L).

表4温度阶段性下降对A2/O系统TP去除率的影响

温度/℃运行时间/d进水/(mg·L-1)厌氧缺氧好氧+沉淀池出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%出水/(mg·L-1)去除率/%总去除率 /%23±175.1±0.1224.2±0.6619.1±0.115.1±0.0579.00.2±0.0096.596.518±1225.2±0.0830.2±0.3325.0±0.277.1±0.2276.50.2±0.0097.296.114±1325.2±0.0629.5±0.4524.3±0.158.5±0.0571.20.3±0.0097.195.211±1395.6±0.2224.9±0.5819.3±0.29.6±0.1361.60.3±0.0097.195.0

沉淀池污泥回流至厌氧池中(图1)，发生释磷反应.而厌氧池的释磷效率几乎没有受到温度下降的显著影响，在18 ℃表现出最大释磷量25.0 mg/L左右，而在低温11 ℃时也能维持在19.3 mg/L上下(表4).在缺氧池和好氧工艺段，活性污泥大量吸磷.温度对缺氧池的吸磷效率有较大影响.随着温度的下降，缺氧池的TP去除率从79.0%逐渐下降为61.6%左右.然而，在温度为23、18、14、11 ℃条件下，好氧工艺段对TP的去除率变化并不大，始终维持在97.0%左右.有研究认为[17]，在生物除磷脱氮系统中，聚磷菌中小部分是嗜温菌，大部分是嗜冷菌，在20 ℃或稍低的温度下占有优势，所以在低温的条件下，系统仍能获得良好的生物除磷效果.分析认为，好氧池是A2/O系统活性污泥增殖的主要区段，而细胞增殖除了受碳源限制外，还需要一定比例的氮源和磷源.对于好氧活性污泥工艺，污泥生长对氮磷的需求应该维持在5∶1[18].而计算发现，好氧池进水的TN和TP之比仅为1.9～2.6，磷源严重不足，成为好氧池污泥生长的限制性因素.尽管温度下降会降低微生物增殖速度，但磷源的缺乏仍使其表现出了较高的TP去除率，这可能是好氧工艺段对TP去除率不受温度下降影响的主要原因.

3 结 论

1)用于处理生活污水的A2/O系统，在水温23 ℃、进水流量4.0 L/h、HRT 10 h、MLSS 2.8～3.0 g/L、缺氧池DO<0.5 mg/L、好氧池DO 2～3 mg/L、污泥回流比50%～75 %、硝化液回流比200%～250%等条件下，可在32 d内启动成功并达到运行稳定，COD、NH3—N和TP的去除率均维持在90%以上.

2)温度从23 ℃分阶段下降为11 ℃时，A2/O系统对COD的处理效能显著降低，但出水COD质量浓度始终小于50 mg/L，出水TP质量浓度最高也只有0.3 mg/L左右，二者均能达到GB18918-2002要求的Ⅰ级A排放标准.

3) 温度阶段性下降对NH3—N和TN的达标排放威胁最大.温度由23 ℃下降为18 ℃时，A2/O系统出水NH3—N和TN可以满足GB18918-2002要求的Ⅰ级A排放标准.在14 ℃时，系统出水NH3—N仍能达标排放，但TN达标排放率显著降低.当温度下降为11 ℃时，系统出水NH3—N和TN都不能达到GB18918-2002要求的Ⅰ级A排放标准.

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