A2N工艺中有机物分子量分布及变化

刘 雯刘 祥

(1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

A2N工艺是基于反硝化聚磷菌(DPB)缺氧吸磷的原理而开发的新工艺，与传统工艺相比，它具有“一碳两用”、能耗低、污泥产量低以及各种菌群各自分开培养的优点[1-3]。

由于城市生活污水C/N偏低不利于脱氮除磷，如何高效利用污水自身碳源，提高脱氮除磷效率已成为水处理研究领域内的研究热点。而污水中有机物包含着分子量为几十到几十万的有机物，且一定分子量区间内的各类有机物往往表现出类似的物理化学性质[4]，同时按照分子量对有机物进行分类，可以避免综合性指标表征模糊[5-7]，因此，了解城市生活污水中有机物在不同分子量区间的分布特性对研究工艺对有机物的降解机制及DPB污泥脱氮除磷时对有机物的利用转化特性具有重要的作用。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置在A2N工艺的基础上添加了前置缺氧池和末端微曝气池，属A2N改进工艺，目的主要是高效利用污水自身碳源，提高脱氮除磷效率。前置缺氧池可以优先利用污水碳源进行反硝化且保证厌氧池绝对的厌氧环境，而末端微曝气池主要进一步除磷，保证出水水质达一级A标，且在好氧池投加组合填料，不仅有效增加了好氧段的生物量，而且由于载体的剪切与碰撞作用，大大提高了氧气的传质效率，强化了硝化效果。因此，该工艺实质是悬浮生长的活性污泥与附着生长的生物膜相结合的新工艺。试验装置如图1所示。

图1 改进A2N工艺流程图

装置各反应器均由有机玻璃柱制成，原水进入装置、污泥回流以及污泥超越都采用蠕动泵控制，沿程水流采用重力流。主要运行参数如下：室温(18～25℃)条件下运行，装置进水流量为 2.5L/h，好氧 DO 为3～4mg/L，相应的总平均水力停留时间为13.33h，污泥泥龄为15d，污泥回流比与污泥超越比均为40%，MLSS为3443mg·L-1左右。

1.2 试验原水

试验原水取自某大学学生宿舍区化粪池污水，经稀释2倍用作试验原水。

1.3 试验方法

1.3.1 试验滤膜使用预处理

1)微滤膜使用前的预处理

先用超纯水将膜蒸煮2次(光面朝下)，每次30min；再用超纯水冲洗3次，放入盛有纯水的培养皿(直径15cm)于冰箱内4℃保存待用。

2)超滤膜使用前的预处理

用超纯水加入少量乙醇浸泡漂洗3次(光滑面朝下)，每次1h；然后用超纯水洗净后存放于盛有纯水的培养皿 (直径15cm)于冰箱中4℃保存待用。

1.3.2 试验器材

1)超滤杯

中科院上海原子核研究所膜分离技术中心研发，有效容积300ml，过滤面积4.18x10-3m2，内设磁力搅拌装置以减缓膜堵塞，压力驱动力为高纯氮气，过滤压力为0.1MPa。

2)TOC 测定仪(型号：TOC-VCSN)

3)膜材质与规格

表1 滤膜材质与规格

1.3.3 试验操作方法

将预处理过的0.45μm滤膜夹到超滤杯上，用超纯水过滤至滤液达100mL，然后用过滤水样(从装置反应柱取样口取泥水混合物样品，静沉30min后的上清液)润洗3次后正式过滤，废弃初滤液100mL，测定滤前、滤后的TOC。滤后的TOC为溶解性有机物含量即DOC。然后将经0.45μm微滤膜过滤后的水样作为分子量切割的初始水样，将处理好的 0.08u、10w、5w、1w、5k、3k、1k、500D、300D 滤膜分别放到超滤杯上，每次过滤前先用超纯水清洗滤膜至滤液达100mL，然后加入待测水样润洗3次后取50mL初始水样过滤，弃去初滤液30mL，取中间滤液12mL，测定TOC，进而获得各段有机物分子量分布。

2 颗粒性有机物在工艺中的变化

颗粒性有机物在整个工艺中可作为可利用的潜在碳源，从微观上看，它可被DPB污泥吸附利用而成为污泥的一部分；从宏观上看，它可以是微生物附着生长的载体。

通过表2可以看出，城市生活污水中有机物近70%为颗粒性有机物，且在改进A2N工艺去除效果显著，去除率高达98.58%，沿程除缺氧段总TOC及颗粒性有机物都呈下降趋势，引起这一现象的主要原因是由于污泥回流，目的是补充缺氧碳源不足，让DPB污泥在厌氧段储存的PHB在缺氧段吸磷时释放，供反硝化脱氮利用，实现“一碳两用”。除此之外，发现末端微曝气池对颗粒性有机物的去除效果极为显著。

表2 各工艺单元颗粒性有机物变化情况

3 溶解性有机物在工艺中的变化

3.1 原水有机物分子量分布

图2是本试验原水有机物分子量分布，DOC为17.22 mg/L，在0.45μm～300 区段上呈现 W 型分布， 其中＞10w、1w～5k、＜1k 的有机物浓 度 为 6.33 mg/L、1.44 mg/L、7.78 mg/L， 分 别 占 DOC 的 36.76% 、8.36%、45.18%。可以看出城市生活污水中有近一半是＜1k的小分子有机物，而在5k～3k区段上有机物几乎没有。

图2 试验原水有机物分子量分布

图3 预缺氧出水有机物分子量分布

3.2 预缺氧出水有机物分子量分布

图3是预缺氧段出水有机物分子量分布，DOC为5.29 mg/L，在0.45μm～300 区段上呈现 L 型分布。 在 0.45μm～0.08u 区段有机物浓度为 2.41 mg/L，占 DOC 的 45.56%。经过预缺氧处理，DOC 去除 30.72%，在 0.08u～10w、1w～5k、1k～500、500～300、＜300 区段上有机物出现明显利用，分别去除 81.08%、96.53%、67.24%、95.45%、82.87%。 这一部分去除主要由两个方面引起，一是污水与污泥初期接触混合后，污泥吸附和自身代谢；二是反硝化细菌脱氮时对污水中有机物的利用。通过分子量变化可以看出，有机物在微生物的作用下，不同分子量区间也会发生转化，而且反硝化脱氮主要还是利用污水中的小分子有机物，尤其是分子量＜500的有机物。

3.3 厌氧出水有机物分子量分布

图4是厌氧段出水有机物分子量分布，DOC为 5.03mg/L，在0.45μm～300区段上分布较均匀。由于厌氧环境下，微生物的水解酸化作用使吸附在污泥颗粒表面的大分子有机物逐渐向小分子转化，在0.45μm～0.08u 区段，DOC 去除 75.10%， 有效改善了污水中小分子有机物的浓度，使＜1k的有机物浓度由原来的1.3mg/L增加到2.31mg/L，占 DOC 的 45.92%。

3.4 好氧出水有机物分子量分布

图5是好氧段出水有机物分子量分布，DOC为 3.77mg/L，在 0.45μm～300 上分布主要集中在＞10w的区段上，占DOC的55.17%，在10w～5w、1w～5k、＜300上分布极少。结合厌氧段出水有机物分子量分布分析发现，＞10w的有机物浓度由原来的 1.15 mg/L增加到 2.08 mg/L， 这部分增加可能是由于微生物代谢释放或者是对颗粒性有机物的利用转化，还有可能是细菌死后细胞解体释放出来的物质。而好氧段出水分布中，小分子有机物明显减少，＜1k的有机物由原来的 2.31mg/L 减少到 0.57mg/L，去除率为 75.32%，主要是由于好氧菌对有机物的降解利用引起，其中包括氨化细菌和硝化细菌的利用，这也再次证明了小分子有机物易被微生物优先利用的原理。

图4 厌氧段出水有机物分子量分布

图5 好氧段出水有机物分子量分布

图6 缺氧段出水有机物分子量分布

图7 工艺出水有机物分子量分布

3.5 缺氧出水有机物分子量分布

图6是缺氧段出水有机物分子量分布，DOC为 6.61mg/L，在0.45μm～300上分布差异较大。缺氧段有机物有三部分来源，一是污水自身携带，二是厌氧污泥回流携带，三是DPB污泥释放PHB，导致1k～500区间段上的有机物由原来的0.26 mg/L增加到1.92mg/L，单区间占DOC的29.05%，这也进一步说明了工艺本身的特点即可满足缺氧段反硝化脱氮对碳源的需求。同时缺氧出水有机物分布中，在10w～5w、5w～1w上几乎没有分布，结合好氧出水分布，可以看出，在缺氧段反硝化除磷过程中，DPB污泥不仅仅利用小分子有机物，对较大分子(如分子量在5w～1w的有机物)也有利用。

3.6 工艺出水有机物分子量分布

图7是工艺出水有机物分子量分布，DOC为3.36mg/L，分布仅在1k～500上较为突出，其余区段TOC浓度相近且位于不同分子量区间上的有机物含量均小于1mg/L，对DOC的去除率为80.49%。从有机物分子量分布的角度可以看出，在改进工艺中各个分子量区间的有机物都有明显的利用。

4 结论

(1)城市生活污水中的有机物有近70%为颗粒性有机物，且剩余溶解性有机物(DOC)在0.45μm～300区间段上呈现W型分布，其中＞10w、1w～5k、＜1k 的有机物浓度为 6.33 mg/L、1.44 mg/L、7.78 mg/L，分别占 36.76%、8.36%、45.18%。

(2)改进A2N工艺，由于DPB污泥对污水中有机物的利用和吸附，进出水有机物分子量分布发生明显变化。试验表明：颗粒性有机物去除 98.58%，DOC 去除 80.49%。

(3)反硝化除磷过程中并不只利用DOC，颗粒性有机物也可用于工艺脱氮除磷，除部分颗粒被吸附于污泥表面，仍有一部分在厌氧段被水解酸化为小分子溶解性有机物，说明颗粒性有机物在生物脱氮除磷工艺中是一种重要的潜在碳源，而且厌氧处理是将颗粒性有机物转为DOC较为有效的方法之一，同时颗粒有机物的存在对微生物的附着及活性污泥性能改善具有明显作用。

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