倒置A2/O 工艺参数及沿程污染物解析

宋永莲SONG Yong-lian

（安徽中环环保科技股份有限公司，合肥230000）

0 引言

在国家环境保护总局颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》中对污水的排放要求控制更加严格，将一级A标准中的TN 和TP 达标排放分别提标至15mg/L 和0.5mg/L，对于城市低C/N 污水，脱氮除磷难度将进一步加大，合理选择脱氮除磷工艺，提高脱氮除磷效率是当前研究热点。A2/O 工艺是一种应用较广泛的传统同步脱氮除磷工艺[1]，在实际工程实践中会出现一些比较矛盾问题[2，3]，如二沉池回流污泥中的硝酸盐对厌氧池磷的释放有不利影响，反硝化菌与聚磷菌之间的碳源竞争，低C/N 污水难以达到同时高效脱氮除磷的目标。1999 年张波[4，5]等人以上海市某污水处理厂沉砂池出水作为处理对象，对比研究A2/O 工艺和倒置A2/O 工艺的氮磷脱除效率，结果表明倒置A2/O 工艺的氮磷脱除效率均优于A2/O 工艺。本研究采用倒置A2/O 工艺装置，以高氨氮、低C/N 污水为进水开展试验研究，优化运行参数，分析各单元沿程物质流情况，为低C/N 进水的污水处理厂日常参数调控和优化提供实验室依据。

1 材料与方法

1.1 接种污泥和进水水质

污泥取自合肥经开区污水厂好氧池，初始MLSS 为3100mg/L。试验前期采用高氨氮、低C/N 人工配水，配水以乙酸钠作为碳源、氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，辅以微量元素，控制进水pH。配水水质：COD 为200mg/L，氨氮为 70mg/L，磷酸盐浓度为 3.0mg/L，pH 值 7.5～8.0。人工配水COD/氨氮为2.86，属于低C/N 水[6]。反应器启动后的目标性试验取自合肥经开区污水厂旋流沉砂池出水。

1.2 实验装置与运行

由有机玻璃定制而成的倒置A2/O 装置见图1，主体结构由缺氧池、厌氧池、好氧池和二沉池组成，缺、厌、好氧池的容积比为1∶1∶3。缺氧池和厌氧池采用搅拌器进行搅拌，好氧池底部设有纳米管曝气装置，装置中所有流体流动均采用蠕动泵控制。从反应器中取出的定时水样经离心机离心后取上清液进行检测分析。

图1 实验装置示意图

1.3 水质检测和主要仪器设备

指标检测均按国家标准方法进行[7]。

除倒置A2/O 小试装置外，主要仪器及设备：紫外-可见分光光度计、电热恒温鼓风干燥箱、精密天平、离心机、便携式溶解氧仪、便携式pH 计等。

1.4 工艺参数优化

应用正交试验进行工艺参数优化[8]，以COD、TP、TN、氨氮的平均去除率作为考察指标，选取HRT、回流比、SRT为主要运行参数设计正交试验，每个因素选取3 个水平，试验设计见表1。

表1 正交试验因素水平

1.5 统计学分析

本研究运用 Origin 8.0 进行数据的非线性拟合、SPSS Version 22.0 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 倒置A2/O 反应器启动

将取回的接种污泥适当稀释至1200～1500mg/L 后引入好氧池内，闷曝、静置沉淀、倾去上清液，再用配水稀释持续曝气，反复循环，待污泥浓度达到6000mg/L 左右后将污泥按池容均匀分配至倒置A2/O 各个池内，采用连续换水方式进行污泥培养驯化。在培养驯化期间，每日取样检测，考察污染物的去除情况及污泥性质变化情况，见图2。

在污泥培养初期（1d～19d）控制室内温度为 22±1℃，此时反应器内营养物质充足，微生物处于生长对数期，污泥浓度持续增涨，由1200～1500mg/L 增至6000mg/L 左右；之后将污泥按池容均匀分配至倒置A2/O 各个池内，同时加人工配水至有效容积10L/10L/30L，此时好氧池内污泥浓度为3100～3300mg/L，进入驯化阶段需适时排放死泥维持污泥浓度。MLVSS/MLSS 值在培养初期（1d～7d）较低，之后逐渐升高并稳定，平均值为0.7，说明培养驯化阶段污泥性能良好。图2（a）表明培养驯化阶段反应器内的演变情况，随着培养驯化进程，反应器内污泥的SV30数值也随之增加，从12～14%增至44～48%，好氧污泥按池容均匀分配后，SV30有所回落，驯化阶段后期维持在34%～36%范围。污泥指数SVI 为74～109，属于正常合理范围。

图2（b），污泥在培养驯化阶段的进水COD 为350～450mg/L，出水的 COD 为 18.0～130.0mg/L，去除率为 64.2%～97.0%。在培养初期（1d～5d），MLSS 较低，COD 去除率也较低，去除率72.5～97.0%，最低只有63.2%；随着培养驯化时间的增加，COD 去除率逐渐提高，达到89～97.0%，平均为92.3%，污泥生物学性能逐渐增强且趋于稳定，其中的水处理微生物已经适应反应器环境。进入驯化阶段，调整人工配水的进水COD 浓度，从444.6mg/L 逐渐降低到227.6mg/L，这样可避免对污泥的冲击，去除率也随之下降，最低70.9%；之后COD 去除率回升直至92.6%，稳定达到90%。

图2 培养驯化阶段各个指标的变化

图2（c），培养阶段氨氮进水浓度 14.55～27.56mg/L，出水0.15～1.61mg/L，反应器内氨氮转化率（也可泛义理解为去除率）91.2～99.2%，平均值96.4%。图中可以看出，培养阶段氨氮转化率很高，主要原因：①接种污泥取自污水厂好氧池，硝化菌延续原生环境的高活性；②培养阶段持续曝气、营养充分，为硝化菌提供了良好的后续生长繁殖条件。驯化阶段，逐渐增加氨氮浓度，1～8d 内进水氨氮浓度从32.12mg/L 增加到69.13mg/L；污泥性能受到增加的氨氮冲击，氨氮转化率先有所下降，最低降至84.9%，之后污泥性能回升，转化率稳定达到94%以上。

图2（d）可以看出，在培养和驯化阶段，进水TP 的浓度均为 2.41～4.12mg/L，出水 TP 为 0.19～1.42mg/L，去除率为54.9～95.5%，驯化阶段后期稳定在62%左右。由图中可知，TP 的去除率波动很大，以培养阶段的初期和驯化阶段为甚。培养阶段初期（1d～4d），去除率在 70.3～84.9%，第 5d迅速下降到61.4%，其原因可能与间歇式培养使微生物由于养分（主要是碳源）不足处于内源性呼吸状态有关；驯化阶段TP 去除率迅速下降，由81.5%下降至41.1%，进水高氨氮、低C/N 的物质环境使反应器内聚磷菌处于劣势。

综上所述，倒置A2/O 反应器经过1 个多月的污泥培养驯化，污泥性能良好，COD 去除率达到90%以上，氨氮转化率96.4%，TP 驯化后期也稳定在62%左右，故可认为污泥培养驯化结束，反应器启动成功，继续进行后续的目标性试验。

2.2 运行参数优化

为考察倒置A2/O 工艺参数对高氨氮、低C/N 污水脱氮除磷效率的影响，设计如表2 所示的正交试验方案。

由表2 可知，COD、TP、TN、氨氮去除率的影响因素，可根据极差（R）判断其重要性，排序分别为：A3 >B2> C2（水力停留时间12h，回流比200%，污泥龄14d）、C1 >A2>B2（污泥龄 10d，水力停留时间 10h，回流比 200%）、B2>A2>C3（回流比200%，水力停留时间10h，污泥龄 18d）、A2>B2>C2（水力停留时间10h，回流比200%，污泥龄14d）。综合单因素试验结果、实际运行成本等因素，优化的工艺参数为：水力停留时间10h，回流比200%，污泥龄14d。

表2 正交试验结果

2.3 沿程污染物物质流

为了追踪污染物在污水处理反应器内部的迁移、转化途径及量化其强度，对COD、TP、TN、氨氮四个指标进行水相的沿程物质转化分析，以期掌握倒置A2/O 工艺各单元对污染物去除的贡献情况。

倒置A2/O 工艺中C、N、P 等污染物质通过微生物降解等作用，以CO2、N2和磷酸盐在污泥中沉积等形式，通过N2和剩余污泥排放等形式从水体中分离出去，达到去除目的。进出反应器各单元水相中污染物量的差值为各单元的污染物去除量（转化量），而反应器总去除量（转化量）为各单元去除量（转化量）之和，即△总=△缺+△厌+△好

反应器中所有流体流动均采用蠕动泵控制，其流量认定为是恒定不变的，可以运用单元水相中各污染物质平均浓度、流量计算并表述沿程物质流，进一步解析各单元对污染物质的去除或转化情况。

图3（a）表明了各单元的COD 去除情况，缺氧池和厌氧池是COD 去除的主体单元，去除量分别为8.85g/d、6.69g/d，总去除量为15.54g/d，总贡献率65.0%。倒置A2/O 系统中缺氧池和厌氧池内COD 浓度快速降低，原因是微生物脱氮释磷过程中消耗了大量有机物。好氧池、沉淀池COD 去除量分别为2.99g/d、3.79g/d，贡献率分别为12.5%、15.9%；还有6.6%左右的COD 进入深度处理工艺。

图3（b）表明，工艺中有较强的厌氧释磷现象，即培养驯化出了活性较强的聚磷菌。倒置A2/O 系统中TP 的去除总量为0.29g/d，其中缺氧池和厌氧池对TP 的去除贡献为负值，这是由于在这两池中聚磷菌进行释磷反应，导致水中TP 的浓度升高。好氧池对TP 的去除量为0.23g/d，贡献率79.3%；还有14.4%左右的TP 进入深度处理工艺。此结果与郭玉梅等[9]的研究结果有所不同。郭玉梅等研究结果：数据显示TP 浓度沿程均有降低，TP 在厌氧池内几乎没有释磷现象，在好氧池内TP 浓度也基本没有变化，认为可能是由于平均SRT 较长（27.6d）没有驯化出聚磷菌的缘故。

图3 沿程污染物物质流

图3（c）表明，TN 的去除总量为 5.66g/d，总贡献率75.3%：其中缺氧池为0.93g/d，占12.4%；厌氧池为0.60g/d，占7.0%；好氧池为0.6g/d，占8.0%。缺氧池TN 去除情况与郭玉梅等[9]的“表3 倒置A2/O 沿程数据”相似，其缺氧池TN去除率为16.9%。

图3（d）表明，氨氮物质流呈沿程降低趋势，系统各单元对氨氮的转化均有贡献，其中缺氧池和好氧池是氨氮转化的主要单元。缺氧池氨氮转化量为4.03g/d，占54.7%；好氧池为2.26g/d，占20.7%。厌氧池、沉淀池氨氮转化量分别为0.91g/d、0.13g/d，贡献率分别为12.3%、1.8%；只有0.5%的氨氮进入深度处理工艺。

3 结论

①接种污泥经过36d 的先间歇后连续的培养驯化，微生物逐渐适应后生环境，污泥性能达到后续实验要求。

②倒置A2/O 小试反应器最优工况为：水力停留时间10h、回流比200%、污泥龄14d。

③基于反应器各单元沿程物质流检测，定量分析污染物质浓度分布变化。缺氧池和厌氧池是COD 去除的主体单元，对COD 的去除量为15.54g/d，贡献率65.0%；好氧池对TP 的去除量为0.23g/d，贡献率79.3%；缺氧池对TN 的去除量为0.93g/d，贡献率12.4%；各单元对氨氮的转化均有贡献，其中缺氧池和好氧池是主要单元，转化量为6.29g/d，贡献率75.4%。