不同碳氮比下分段进水多级A/O耦合MBR工艺的脱氮除磷性能研究

李 权，王少坡，王舜和，李博洋，张鹏达，孙力平

（1.天津城建大学 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2.天津市市政工程设计研究院第一设计研究院，天津 300051）

污水中的氮元素与磷元素是引起水体富营养化的主要因素[1].在各类脱氮除磷方法中，活性污泥法的污水处理工艺以其较简单的组成和操作，并且在较低的成本下，能够达到满意的脱氮除磷效果而被广泛采用[2].但是，随着污水排放标准的提高，现有的传统活性污泥法污水处理工艺很难达到新的出水水质标准；并且，当前污水处理工艺普遍存在能耗高的现象，这无疑成为污水处理厂良好运营的负担[3].因此，对现有的工艺进行改造或者开发新型脱氮除磷技术势在必行[4-6].

随着膜分离技术的发展与应用，连续流过滤技术与设备已经更加完善[7]，为膜生物反应器（MBR）的推广提供了基础条件.MBR具有出色的泥水分离能力，可以使剩余污泥排放量减少至传统活性污泥法的66.7%，有实例表明[8]：在3个月甚至2年的运行期内可以不排泥，减少了污泥处理费用.因此，国内已有MBR耦合现有污水处理工艺的研究与应用[9-11]，如采用A/O、A2/O等工艺耦合MBR；但是，目前国内对分段进水多级A/O工艺耦合MBR的组合工艺研究不多.分段进水多级A/O工艺相对于同体积推流系统，具有较长污泥停留时间（SRT）；无需硝化液回流；缺氧区反硝化产生的碱度可以补充下一段好氧区碱度的消耗，降低了污水处理中的成本[12].有研究表明：分段进水多级A/O工艺的好氧区有利于同步硝化反硝化反应的发生，缺氧区可以允许反硝化除磷菌的生长，可以进一步提高对氮、磷的去除率[13].因此，本试验以分段进水多级A/O耦合MBR工艺为对象，以人工配水为原水，考察不同C/N对该组合工艺脱氮除磷性能的影响，并分析其原因.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

多级A/O耦合MBR工艺装置如图1所示.

采用分段进水四级A/O（缺氧/好氧），后置MBR（膜生物反应池）.装置长165 cm，宽55 cm，深50 cm；有效容积300 L，设计处理量0.5 m3/d.沿水流方向设置四级A/O池，每一级A段（缺氧区）与O段（好氧区）通过隔板下端孔口联通.相邻两级O段与A段通过挡板上端孔口联通，并且这些孔口沿水流方向从首端到膜组件池的相对高程依次下降，使得污水在处理过程中自流进入下一个生物池.原水从每级A段进入生物池，经过四级A/O生物池后，自流入尾端MBR池，经膜过滤后出水.

1.2 试验水质

本试验工艺所接种的污泥取自天津市某污水厂二沉池回流井，该污水处理厂采用分段进水多级A/O的污水处理工艺.试验过程中所用原水采用人工配水，由提升泵抽取原水，经转子流量计泵入各缺氧池.试验配水水质如表1所示，并根据需求补充碱度.

表1 试验原水水质

1.3 水样检测与方法

1.4 试验运行方式

本试验采用四级A/O且四段进水的运行方式，4个缺氧池体积不变，4个好氧池的体积逐级递增；好氧池内污泥浓度（MLSS）2 500～4 500 mg/L，沿水流方向污泥浓度逐级递减；缺氧段、好氧段的溶解氧（DO）分别控制在 0～0.5，0.5～3.0 mg/L；考虑到膜通量，水力停留时间（HRT）为15 h；试验采用零排泥的运行方式；以葡萄糖为碳源，以碳酸氢铵为氮源，通过调整配水，使原水C/N保持在4～7、8～12两个工况，待每个工况稳定后，连续运行30 d.

2 结果与讨论

2.1 进水C/N对氮污染物去除的影响

在C/N=4～7，8～12两个阶段内，该污水处理组合工艺对氮污染物去除效果如图2-3所示.

图2 两种C/N工况下出水TN对比

图3 两种C/N工况下出水NH 对比

由图2可以看出：在C/N为8～12时，该周期内15 d的监测数据中TN去除率高于90%的为11 d；出水中TN浓度全部低于15 mg/L，满足GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[14]中一级A的出水水质；当C/N下调到4～7时，15 d的监测周期内TN去除率大于90%的为2 d，大于80%的为10 d，且此时出水TN浓度小于8 mg/L的保证率为80%.由此可见，此时出水TN浓度仍能优于国家一级A的出水水质要求.

由图3可以看出：相对于C/N对该系统去除TN的影响，其对的去除影响较小，且两种C/N运行工况下的出水浓度小于3 mg/L的保证率分别为73.33%、86.67%.由此表明，C/N在4～12时该系统可以有效地去除氮污染物.

邝斌宇等[15]在AO－MBR的组合工艺研究中得出，与TN的去除率分别为99.1%、75.8%；熊凯波[8]在A2O-MBR的工艺组合试验中得出，与TN 的去除率分别为94.7%、78.5%.本试验中，在C/N=8～12，4～7 的条件下的平均去除率分别为95.51%、97.14%，TN的平均去除率分别为89.26%、84.73%.通过比较可以看出，本试验所采用的组合工艺相对于前两者的组合形式而言，对氨氮的去除效果相似，但是对TN的去除率有很大的提升.原因在于分段进水多级A/O工艺自身强化脱氮的特性所致[16]；并且多级A/O系统内微生物连续交替处于“饱食”和“饥饿”两种状态中，在这种非稳态的环境中，刺激微生物保持较高的活性，从而能更有效地去除污染物[17]；另外，工艺中所耦合的MBR相较于二沉池对污泥具有更优异的截留效果，这为延长污泥龄提供了条件，有助于实现零排泥.因此，随着运行时间的延续，硝化菌与反硝化菌在污泥系统内所占比例逐渐增加，使得该系统对氮污染物的去除能力较强[18].不仅如此，已有试验表明，在多级A/O的好氧区有利于发生同步硝化反硝化反应，而该反应有利于进一步提高脱氮效率[19].

2.2 进水C/N对磷污染物去除的影响

在C/N=4～7，8～12两个阶段内，该污水处理组合工艺对磷污染物去除效果见图4.由图4可以看出：在C/N为8～12时，系统在无化学除磷的帮助下仍能达到较好的除磷效果，出水中TP浓度均在0.5 mg/L以内，满足新标准[14]中一级A的水质要求；而C/N为4～7时，在监测周期内，随着时间的推移，出水中TP的浓度逐渐升至2.47 mg/L，此时TP去除率低至54.82%.

图4 两种C/N工况下出水TP对比

造成这种变化的原因主要在于：在C/N降低情况下，系统脱氮效率下降，使得硝态氮浓度有所提升，在污泥回流的同时硝态氮随混合液回流入缺氧段，破坏了厌氧环境，使得聚磷菌释磷不完全，进而使其无法在好氧区充分吸磷[20]；另外，微生物除磷还可以通过反硝化除磷方式去除，有文献表明[21]：当C/N在10～20范围内时，对反硝化除磷具有明显的促进作用，所以此时较低的C/N是导致磷去除率下降的原因之一；此外，已有对MBR工艺进行升级改造的研究表明[22]，当C/N下降后，需要通过添加碳源与除磷药剂来保证出水TP低于0.3 mg/L.

2.3 进水C/N对有机污染物去除的影响

两种C/N工况下出水COD对比如图5所示.由图5可知：在C/N=8～12时，进水COD平均浓度为462.11 mg/L，出水COD平均浓度为17.94 mg/L，平均去除率96.12%，此时的出水全部满足新标准[14]中一级A出水水质，且86.67%的出水中低于30 mg/L（Ⅳ类水体中的COD水质标准）；而在C/N=4～7时，进水COD平均浓度为260.30 mg/L，出水COD平均浓度为20.64 mg/L，平均去除率91.30%，虽然此时出水COD全部满足文献[14]中一级A的出水水质，但仅有73.33%的出水中COD低于30 mg/L，比C/N为8～12时的出水水质稍有下降.

图5 两种C/N工况下出水COD对比

两种C/N工况下，该系统对COD的去除略有不同的原因为：也有研究表明[23]，当进水COD浓度高于350 mg/L时，混合液内脱氮除磷的功能菌活性较高，因此当C/N下调后，系统内的脱氮除磷菌活性降低，对碳源的利用率下降，导致出水COD浓度略微增大.

3 结论

（1）C/N在4～12时，分段进水多级A/O耦合MBR组合工艺对以及COD污染物的去除效果稳定，均优于GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A出水水质标准.

（2）该组合工艺的污水处理能力具有达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水体水质标准的潜力，通过进一步工况优化，能够满足下一轮污水处理厂提标改造的要求.

（3）当原水 C/N由8～12降至4～7后，工艺对TP的去除效果逐渐恶化，为了保证该组合工艺的除磷效果，可考虑辅以化学除磷的方式，优化出水，以其满足一级A出水水质标准.