生态强化型一体式反应器同步脱氮除磷及特性

宋小康，丁 敏，阴方芳，王昕竹

（1.苏州净研环保科技有限公司，江苏苏州 215011；2.苏州科技大学 江苏省《环境科学与工程》重点实验室，江苏苏州 215011）

响应国家生态文明建设，绿色水处理技术融入是未来实际应用的发展趋势。现阶段，国内外有不少采用生态强化型工艺进行生活污水脱氮除磷处理的研究，与单独生物处理工艺对比，具有更好的美观性和污水净化效果。生态强化型反应器多应用于农村生活污水、区域性生活污水及城镇生活污水的处理，而对河道、航海船只生活污水的应用较为鲜见。针对船只排放的生活污水，具有有机污染物含量高、水质波动性强的特点[1]，同时在现存处理中氮磷去除效率并不理想。

三室的厌氧折流板反应器（ABR）耦合连续搅拌反应装置（CSTR）的组合工艺具有良好的同步脱氮除磷效果，可用于常规生活废水处理，但存在着处理深度不高、不稳定及耗能高效率低的问题。为处理真实河道船只的生活污水，常规生物脱氮除磷反应器难以实现稳定高效处理，为寻求更具环保效益的革新技术，对此工艺改进，采用末端生态强化构成深化处理一体式反应器，通过种植皇冠草、投放草金鱼形成水生生态系统作为末端生态强化单元，用以改善系统的能源渠道。反应器通过生态系统的融入，水体污染物去除效率得到强化。

本文采用末端生态强化型一体式反应器进行污水同步脱氮除磷启动，以深化污水处理与生态效益的互馈作用，促进我国生态融入的水污染处理绿色工艺的进一步发展和实际应用。

1 材料和方法

1.1 实验装置

图1 生态强化型一体式反应器示意图

生态强化型一体式反应器装置图见图1，三室ABR反应器、CSTR反应器和生态强化格室分别命名为A1～A5，体积分别为3L、3L、4L、5L和20L，其中A1，A2为厌氧区，A3为缺氧区，A4好氧曝气区，A5由水生植物、鱼类和基质构成。末端生态强化格室采用皇冠草，种植水深度为40cm。基质采用水草泥，投放鱼类选用草金鱼鱼苗。生态格室在提供景观性的同时通过生态循环发挥自净作用。

1.2 污水水质及接种污泥

实验用污水采用经沉淀过滤后的苏州某河道船只生活污水，水质指标见表1，通过投加碳酸氢钠（NaHCO3）调节进水pH，保证系统稳定运转。

反应器中接种污泥取自苏州某污水厂污泥浓缩池底部，表观颜色深灰，污泥活性良好，通过筛网滤后进行闷曝处理，72h后接种于一体式反应器，A1～A3中污泥占60%的体积，A4中MLSS为6g/L，A5中基质采用天然亚热带酸性肥沃黑土制成的水草泥。

1.3 实验方案

表1 各阶段运行工况

采用逐步缩短水力停留时间（HRT）的策略启动同步脱氮除磷，设计运行方案见表1。其中工况1控制HRT为35h，运行15d；工况2运行12d，HRT为28h；工况3运行10d，HRT是21h；工况4运行8d，HRT为14h。好氧区采用空气泵进行曝气，在实验运行期间控制DO稳定于（2.0±0.3）mg/L。

1.4 检测分析方法

COD、NH3-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、TP等水质常规指标通过标准法进行分析[2]。DO采用便携式测定仪（HACH，美国），pH为便携式酸度计（FiveGo F2），VFAs含量为滴定法。污泥特性通过OlympusCX41三目生物显微镜观察。

2 结果与讨论

2.1 污水COD去除情况

本研究中一体式反应器进水为实际废水，COD浓度波动范围较大为332～474mg/L，采用逐渐缩短系统的水力停留时间来改变工艺受处理污水量的水平，将反应器的总HRT分别调控于36h、28h、21h和16h运行，系统一体式反应器各运行格室COD去除情况见图2，随着HRT逐渐减小，A2出水及A4出水COD浓度均会先短暂上升然后趋于稳定，去除率也均呈现出先下降后上升的趋势，这是由于突然缩短的工艺HRT，A1和A2的厌氧污泥需要一定的时间去适应其突然改变。

图2 系统COD去除情况

在工况1和2中，A3出水COD浓度稳定于80mg/L以下，A4出水COD含量比之减少至21mg/L左右，系统总去除率维持于80%～90%，出水COD浓度仍高于35mg/L。继续缩短系统HRT至21h和16h时，流经A1后COD浓度升高至150mg/L，反应器对有机物去除效率逐渐升高，A4出水COD浓度处于40mg/L上下。由图知，在4个不同HRT下，ABR段对COD去除始终保持较高的去除贡献，效率可达80%以上，这是由于反应器中厌氧区接种的絮状污泥在运行过程中逐渐颗粒化，对于污水中有机物质具有良好的去除功效。在经过A4后COD浓度持续下降，随着在生态强化格室A5中植物根系附着的生物量的日益增长，进一步了强化一体式反应器对COD的去除。在工况3至工况4中，反应装置对于污水中COD的去除率可保持在90%以上。

2.2 系统同步脱氮除磷效能

图3 系统运行下NH4+-N的去除情况

图4 沿程PO43--P浓度情况

对一体式反应器，A4硝化效果影响出水氮素浓度，同时对其氧化产物NO2--N和NO3--N有直接影响。硝化段存在一定的DO浓度梯度，同步硝化反硝化作用进一步降低TN。NH4+-N浓度及去除率情况如图3所示，HRT从35h逐渐缩短至21h的过程中，氨氮含量减少，当HRT减至16h时，NH4+-N去除率呈现先降后升逐渐稳定的趋势，可见在反应器启动运行后，A4硝化菌逐渐适应水力冲击变化，尤其在生态强化后，去除效果趋于稳定，NH4+-N去除率保持于91%以上。同步脱氮除磷通过反硝化聚磷菌在缺氧区利用NOx--N为电子受体氧化污泥体内PHB，进行过量吸磷合成体内聚磷的同时脱氮，实现水体中TP和TN去除。本研究中，A3利用A4回流液中的氮氧化物，PO43--P最高浓度位于A2，由图4可见，在工况1至4中，A3平均吸磷量随HRT缩短先增后减。HRT为35h和28h时，ABR缺氧段吸磷量均较小，此时反硝化除磷未完全启动，除磷效果在A4和A5较为显著，但总体除磷效果不佳。当HRT缩短为21h，A3吸磷量明显增加，A4出水PO43--P平均为0.81mg/L，反硝化除磷量占比80.7%。在已充分释磷情况下，除磷程度取决于缺氧区可被提供的电子受体浓度。HRT进一步减少时，A2释磷量持续增长，浓度由11.23mg/L升至12.01mg/L，而A3缺氧吸磷量未随之增加，其中A4出水磷浓度由1.28mg/L增为1.39mg/L，反硝化除磷量占比降至78.6%，说明此时HRT过短使A2未完全利用完回流的电子受体，同步脱氮除磷效果受限，而A5生态强化效果依旧显著，系统出水磷浓度降至0.89mg/L。

2.3 污泥形态特征变化

图5表明系统运行中A2厌氧污泥和A4硝化污泥的形态特征变化，粒径较小的污泥随着水力停留时间不断缩短而被筛出淘汰，同时水力冲刷使污泥表明逐渐光滑强化颗粒化。其中A2厌氧区因底物浓度更大而在形成颗粒污泥过程中优于硝化污泥。工况4下，通过不同粒径的筛网过滤A2和A4格室污泥，得出两种污泥粒径高于0.58mm的占比分别大于75%及30%，可见硝化污泥的颗粒化进程因有机基质在前端被大量消耗而受限。

图5 显微镜下污泥形态（40X7）

3 结论

1）采用末端生态强化的一体式反应器实现污水同步脱氮除磷，逐步缩短水力停留时间（HRT）从35h至16h，45d内达到COD、NH4+去除率稳定于90%以上，总出水PO43-浓度低于1mg·L-1。生态格室进一步吸附水体中氮磷元素，强化污水净化效果。

2）系统实现ABR有效去碳的最佳HRT为16h。

3）随着系统HRT逐渐缩小，污泥形成颗粒化，其中厌氧区因底物浓度更大而在形成颗粒污泥的过程中优于A4段硝化污泥。