一种改良A2/O-MBR脱氮除磷性能的试验研究

伍健伯，冯 宁

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

A2/O作为最简单的同步脱氮除磷工艺，有着HRT段，污泥不易膨胀，运行费用低的特点[1]。但受限于反硝化菌和聚磷菌存在碳源竞争，其脱氮除磷效果很难进一步提高[2]，使得出水品质难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准。A2/O-MBR组合工艺的出现为A2/O工艺的发展提供了新的方向，用膜组件替代传统工艺的二沉池实现固液分离[3]，可以将游离细菌和有机大分子物质截留在生物反应器内，提高悬浮污染物的去除率。但膜污染问题导致组合工艺无法普及[4]。试验针对以上问题，笔者通过前人研究，对A2/O-MBR组合工艺进行改造，分析新系统对模拟污水的脱氮除磷性能，为工艺的发展提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验装置

反应器与传统A2/O工艺不同，首先将缺氧池与厌氧池互置，组成倒置A2/O。同时污泥回流系统改成缺氧池与厌氧池分别回流，进水方式也变成缺氧池、厌氧池同时进水。反应器材质为有机玻璃，有效容积20L。装置的进水、出水和回流都采用蠕动泵进行控制。改造的A2/O与膜生物反应器采用一体化设置，通过膜片抽吸出水，膜装置运行8min，停歇2min，好氧池底部污泥回流到缺氧池，完成污泥循环；好氧池内上清液回流到缺氧池，完成硝化液循环；定期对好氧池内的污泥进行排泥操作，达到磷的去除。试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意图

1.2 试验材料

试验中用到的接种污泥取自沈阳满堂河污水处理厂二沉池的回流污泥。反应器进水采用人工模拟配水，以葡萄糖为唯一碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，使进水COD维持在400 mg/L左右，进水氨氮浓度在45 mg/L左右，进水总磷浓度在4.2 mg/L左右。并按照0.3 mL/L的比例添加微量元素，为菌种生存、增殖提供必要的营养物质和微量元素，营养液组成见表1。

表1 倒置A2/O-MBR组合反应器微量元素营养液组成

1.3 分析方法

COD采用快速密闭催化消解法测定；NH+-N采用纳氏试剂分光光度法测定；4-N采用紫外分光光度法测定；-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；TP采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；pH值由便携式pH仪测定。

1.4 试验方法

控制污水进水流量为1.5 L/h，pH值为7.2～8.0，水力停留时间为12h，好氧池溶解氧浓度为2mg/L左右，污泥回流比为50%，硝化液回流比为200%，污泥龄控制在15d，温度控制在20～30℃条件下，对改进倒置A2/O-MBR反应器的启动及对生活污水的去除效果分析，每天测定进出水的COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP浓度，当出水中各项指标基本保持不变并且达到较高去除率时，说明反应器内各种微生物基本培养完成。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果及分析

试验装置内污泥驯化周期为25d，污泥驯化结束之后装置又连续运行10d，整个装置对有机物的去除效果如图2所示。

图2 COD的去除效果

从图2可以看出，在污泥驯化周期内，出水中COD浓度逐渐下降并趋于稳定，在稳定运行周期内，改进组合系统对COD一直保持一个较好的去除效果。具体分析来看，在35d的运行天数内，进水COD浓度在400 mg·L-1范围内小幅浮动，最高进水COD浓度为418 mg·L-1，最低进水COD浓度为378 mg·L-1，出水COD浓度在第16天以后一直维持在50 mg·L-1以下，去除率基本维持在90%以上。在反应进行的前16d，出水COD浓度一直在下降，去除率也逐渐升高，这是由于在反应初期，反应器内各种微生物逐渐生成，对有机物的消耗较少，导致最初出水COD浓度较高；在第16天以后，虽然进水COD浓度有所波动，在400 mg·L-1左右，但是出水COD浓度基本稳定，并维持在50 mg·L-1以下，反应器内微生物对有机物的利用逐渐增加，反应器内微生物逐渐成熟并达到一定的数量，同时体现反应器具有一定的抗冲击负荷能力[5]。

另外在图2中发现，出水COD浓度在后10d稳定运行天数内波动范围不是很大基本保持稳定，由此可以看出该工艺对有机物的去除效果较好，出水COD浓度低于传统的污水处理工艺，这是由于膜生物反应器内可以使HRT与污泥龄分开控制成为可能，而且在抗有机物负荷冲击方面膜生物反应器与传统活性污泥法相比也具有根本性的优势。反应器内的大颗粒物质被膜截流在反应器内之后，相比于传统活性污泥法膜生物反应器可以获得更多的与微生物接触的时间，增加了污染物被吸收的机率，提高了有机物的去除率[6]。

2.2 脱氮效果及分析

亚硝酸菌和硝酸菌是化能自养菌，革兰氏染色阴性，无芽孢短杆状细菌，为严格好氧的专性化能自养菌。二者的不同之处在于亚硝酸菌能利用氨作为能源，而硝酸菌只能利用亚硝酸盐作为能源[7]。硝化细菌世代时间长，生长速度远低于异养菌，因此硝化反应的启动驯化时间长，需要足够的泥龄。在试验中，由于膜的截流作用使得世代时间较长的硝化细菌得以大量繁殖，保证了硝化反应的顺利进行。试验对氨氮的去除效果见图3所示。

图3 . 反应器脱氮效果图

从图3可以看出，在前25d的污泥驯化周期内，试验装置的运行效果虽然在开始的时候波动幅度有点大，但是随着试验的进行效果逐渐变好并趋于稳定。进水氨氮浓度在运行天数内变化幅度不是很大，基本保持在45 mg·L-1左右，最高进水氨氮浓度46.05 mg·L-1，最低进水氨氮浓度43.10 mg·L-1；氨氮出水浓度在污泥驯化初期波动较大，随着反应的进行，出水中氨氮浓度降低并趋于稳定，在前6天的运行时间内，最高氨氮出水浓度在17.48～30.14 mg·L-1范围内变化，平均出水浓度为24.05 mg·L-1，氨氮平均去除率仅为46.53%；在第6d以后出水中氨氮浓度迅速降低并趋于稳定，氨氮出水浓度在0.90～5.17 mg·L-1内变化，氨氮平均出水浓度2.03 mg·L-1，氨氮平均去除率为95.43%。在后10d的稳定运行天数内，改进组合系统一直保持对氨氮的较好处理效果，氨氮出水平均浓度为1.35 mg·L-1，平均去除率为97.00%。

进水中不含有硝态氮，出水中的硝态氮是经过亚硝态氮转化而来的，硝态氮在出水中含量变化曲线与氨氮变化曲线走势不一样，硝态氮变化曲线先上升再下降。在污泥驯化初期，系统内微生物属于一个生长的过程，硝化反应不完全，前7天，出水硝态氮浓度逐渐增加，在第7天硝态氮浓度骤升，达到25.69 mg·L-1，说明系统内硝化细菌已经成熟，对氨氮有一个较高的转化；在第12天以后出水中硝态氮含量开始下降，说明系统内反硝化细菌逐渐成熟，将硝态氮转化成氮气。在后10d稳定运行天数内，出水硝态氮平均浓度8.35mg·L-1。

在驯化周期内出水中TN浓度逐渐降低并趋于稳定，整体上TN浓度是下降的状态，TN去除率也是逐渐上升并趋于稳定，TN出水浓度在9.93～36.37 mg·L-1范围内变化，TN平均出水浓度为19.21mg·L-1，TN最高去除率为77.87%，TN最低去除率为20.09%。在后10d稳定运行天数内TN平均出水浓度为9.70 mg·L-1，平均去除率为78.38%。

从以上的数据分析可以看出尽管进水氨氮浓度在反应天数内有所波动，但是在稳定运行期间改进倒置A2/O-MBR系统对氨氮和总氮的去除效果仍然较好，稳定运行期间氨氮和总氮最低出水浓度分别为1.08mg·L-1和9.15mg·L-1，氨氮和总氮平均出水浓度分别为1.35 mg·L-1和9.70 mg·L-1，氨氮和总氮最高去除率分别为97.58%和80.36%，氨氮和总氮平均去除率分别为97.00%和78.38%。反应初期，反应装置的整体处理效果很差，这是由于装置内细菌的未适应环境，氮的转化过程受阻，出水效果不好[8]。随着反应的进行，菌群结构逐渐完整，菌群数量增加，对氮的去除效果也是逐渐上升并趋于稳定，这说明装置内细菌培养完成并且装置运行稳定，而且反应器氨氮和总氮的出水浓度都达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准的要求。

2.3 除磷效果及分析

采用改进倒置A2/O-MBR组合系统进行脱氮除磷，污水首先进入缺氧区，在厌氧区进行磷的释放，释放磷之后的聚磷菌直接进入好氧区进行磷的吸收，最后随剩余污泥排出。该工艺的特点是倒置A2/O这种缺氧池-厌氧池-好氧池的这种布置，不仅可以降低回流硝化液对聚磷菌释磷的影响，还可以使聚磷菌经过缺氧段直接进入好氧段，提高生化反应效率[9]，聚磷菌在厌氧环境下释磷得到的动力可以更充分的发挥，进一步提高系统除磷能力。但是聚磷菌回流需要经过缺氧池，对聚磷菌活性具有一定的抑制作用，影响整体装置对磷的处理效果，所以试验中增设污泥回流，提高聚磷菌活性，提高除鳞效果。下面就反应器运行培养驯化阶段对磷的去除效果进行分析，如图4所示。

图4 反应器除磷效果图

由图4可以看出，改进倒置A2/O-MBR组合系统对磷的处理效果在污泥驯化培养后期还是比较好的，出水中磷的浓度在0.5 mg·L-1左右，磷的去除率在85%左右，可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级B标准，部分运行时间内可以达到一级A标准。从图4可以看出，进水总磷浓度在运行天数内波动频繁，最高进水总磷浓度在4.56mg·L-1，最低进水总磷浓度在3.78mg·L-1，平均进水总磷浓度为4.24mg·L-1；在污泥驯化培养初期，聚磷菌数量较少，对磷的去除效果很差，出水总磷最高浓度在1.88～2.78mg·L-1范围内变化，出水总磷平均浓度为2.20mg·L-1，出水总磷平均去除率为47.22%；随着反应的进行，聚磷菌逐渐生成，数量增加，对磷的去除效果逐渐变好，出水总磷平均浓度为0.66mg·L-1，出水总磷平均去除率为84.47%；在后10d稳定运行天数内，反应器出水总磷浓度升高，出水总磷最高浓度为1.12mg·L-1，出水总磷最低浓度为0.86mg·L-1，出水总磷平均浓度为0.94mg·L-1，出水总磷最高去除率为80.51%，出水总磷最低去除率为74.83%，出水总磷平均去除率为78.02%。

从以上数据分析可以看出，在污泥驯化后期，反应器对磷的去除效果还是比较好的，最低出水浓度达到0.43mg·L-1，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准，但是随着反应的进行，系统在整个运行周期内并没有进行排泥措施，导致反应器内磷的积累，因为生物法除磷主要还是靠聚磷菌对磷的吸收，通过排泥达到对磷的去除，不排泥就会造成磷的积累，在后10d运行期间，出水中总磷含量上升也是不排泥的原因造成的，采取排泥措施后，出水中总磷含量恢复正常水平，基本达到出水一级A的标准。

3 结论

（1）以A2O反应池回流污泥作为接种污泥，历经15d成功启动反应器。改进倒置A2/O-MBR稳定运行期间对各种污染物的出水浓度情况如下：COD、NH4+-N、TN和TP平均出水浓度分别为21.01 mg·L-1、1.35 mg·L-1、9.70 mg·L-1和 0.66 mg·L-1；平均去除率分别为94.76%、97.00%、78.38%和78.02%。

（2）膜组件放置于好氧池内形成一体式膜生物反应器，对整个反应器的运行起到较好的处理效果，膜组件自身也能够对污水中的各类污染物达到一定的去除效果，同时膜组件的孔径不允许大分子有机物质通过，将污泥截留在好氧池内，提高好氧池的污泥浓度，为世代时间较长的微生物生长提供空间。

（3）从试验启动到装置稳定运行，期间经过初期反应的波动之后，试验出水各项指标趋于稳定，并满足于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准的要求。