高原环境下AAO工艺水力停留时间对脱氮除磷的影响

尤俊豪，郭明哲，宗永臣,*，郝凯越，黄德才

(1.西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏林芝 860000；2.西藏土木水利电力工程技术研究中心，西藏林芝 860000)

随着西藏自治区城镇化的快速发展，生活污水和工业污水的排放量在不断增加。目前主要的污水处理工艺有AAO、SBBR、氧化沟等[1]。其中AAO工艺因具有同步脱氮除磷、结构简单、不易产生污泥膨胀等优点被污水处理厂广泛应用，据不完全统计，在我国城镇污水处理厂中AAO工艺占据约50%[2-3]，同时也是青藏高原地区主要的污水处理工艺之一[4]。

由于AAO工艺受多方面因素的影响，脱氮除磷的效果并不稳定[5]。水力停留时间(HRT)作为AAO工艺重要的参数，对脱氮除磷的效果有重要的影响。欧阳海等[6]研究表明HRT对CODCr去除率的影响小，对总氮(TN)、总磷(TP)的去除率影响大，并随HRT的增加呈先增后减的趋势,当HRT为8 h处理效果最佳。潘欣语等[7]研究表明HRT对TN、TP、氨氮去除率的影响大，TN、氨氮的去除率随HRT的增加而增加，TP的去除率随HRT的增加呈先增后减趋势，此时最佳HRT为5～8 h。HRT的过长过短都会对脱氮除磷造成影响。HRT过长会影响污泥龄(sludge retention time，SRT)，进而影响释磷作用，同时会增加剩余污泥的排放量，造成经济负担的增加。HRT过短，反应池中各微生物种群没有充分的时间生长，污泥流失过快，硝化反应和反硝化反应都没有得到充分的进行。本试验以高原地区为背景，研究了HRT对AAO工艺脱氮除磷的影响，为高原地区AAO工艺在不同HRT工况下的运行提供相关数据基础。

1 试验与方法

1.1 试验装置

如图1所示，利用传统AAO工艺城市污水处理模拟装置[4]，在厌氧池与缺氧池中都设有搅拌装置，设定搅拌速度为110 r/min，在好氧池底部设有膜片式微孔曝气头为其供氧。试验进水和污泥回流均采用磁力驱动循环泵，并借助浮子流量计及球式阀门进行流量控制，硝化液回流采用蠕动泵控制。用恒温循环器控制试验用水温度，硝化液回流比、污泥回流比分别控制为150%、100%。用好氧池进行35 d的污泥培养，控制温度为(20.0±1.0)℃，溶解氧(DO)质量浓度为2～3 mg/L，pH值为6～8。当测得污泥沉降比(SV30)为28%和活性污泥质量浓度(MLSS)为3 716 mg/L时，正式开展试验。

图1 AAO工艺流程

本试验直接采用西藏农牧学院办公楼区生活污水为试验用水，主要进水水质指标如下。pH值为8.25～8.51，CODCr质量浓度为102.82～464.06 mg/L，TN质量浓度为37.70～121.50 mg/L，TP质量浓度为1.58～31.45 mg/L，氨氮质量浓度为32.93～162.93 mg/L。

1.2 试验操作

研究不同HRT下AAO工艺对各污染物去除的相关性，保持培养阶段控制指标不变，调节进水流量分别为8、12、14、16 L/h，即HRT为26.25、21.00、17.50、15.00 h。各工况条件下运行72 h后开展正式试验，分别取水样和污泥样品进行检测。

1.3 水质指标测定

采用连续性进水模式，各工况下间隔24 h取各反应池中水样，持续9 d。所有水样经静置沉淀后取上清液，进行CODCr、氨氮、TN、TP等污染物指标检测，检测方法参照水和废水检测分析方法[8]进行。

1.4 数据处理与分析方法

试验数据在Excel处理后，使用主成分分析法[9]，利用SPSS对提取的数据进行主成分分析。首先对原始数据进行标准化，以公共因子解释的累计方差不小于85%，提取公共因子，并通过因子得分矩阵和旋转后的公共因子的方差贡献率进行计算，算出每组的综合评价得分，最后使用Origin 2018作图。

2 结果与讨论

2.1 不同HRT对CODCr的影响

不同HRT对CODCr去除率的影响如图2所示。CODCr平均进水质量浓度为130～330 mg/L，波动较大。进水浓度与去除率的趋势大致相同，表明CODCr进水浓度与去除率之间有正相关性。在HRT为15.00、17.50 h时，CODCr的出水平均质量浓度为20～50 mg/L，满足一级A排放标准，波动也较稳定。由图2可知，随HRT的增加，出水CODCr的浓度整体呈上升趋势。CODCr的平均去除率随HRT从15.00 h时的85.50%降为26.25 h时的76.53%，可见CODCr去除率变化不大，不同HRT条件下的CODCr平均去除率整体在70%～90%。

图2 不同HRT条件下CODCr的去除效果

由上述分析可知，不同HRT条件下的CODCr去除率都较高且稳定，这说明HRT在15.00～26.25 h的变化对CODCr的去除率几乎没影响，这与潘欣语等[7]研究结果表明HRT的变化对CODCr的去除率影响小相同。CODCr在HRT为17.0 h时的出水浓度低于HRT为15.0 h时，两者都满足一级A排放标准，同时HRT的增加会导致运行成本增加，当去除效果一定时，HRT越小，单位时间内处理的污水量越多，处理效率越高[10]。因此，综合考虑最佳HRT为15.00 h。

2.2 不同HRT对氨氮的影响

由图3可知，氨氮的进水平均质量浓度为10～38 mg/L，变化幅度大。随HRT的变化，氨氮的出水质量浓度变化较稳定，且小于5.00 mg/L。虽进水浓度波动大，但出水浓度稳定，去除率达到93%。这说明试验装置对氨氮有较好去除效果，具有较强的抗冲击能力。当HRT为17.50、21.00、26.25 h时，进水平均质量浓度从10 mg/L增至38 mg/L，出水平均质量浓度是1.20、2.86、3.36 mg/L，此时平均去除率由89.49%升至91.11%。表明较长的HRT对氨氮的出水浓度与去除率有一定的影响。较长的HRT会导致出水浓度上升，并且对氨氮的去除率有小幅度提高，同时也表明进水浓度与出水浓度和去除率呈正相关。随HRT的上升，氨氮平均去除率由92.94%降至91.11%，下降幅度较小。这说明HRT为15.00 h时，可以使各反应池进行充分反应，此时氨氮的去除率已达到最佳状态。

图3 不同HRT条件下氨氮的去除效果

2.3 不同HRT对TN的影响

氨氮进水质量浓度在10～38 mg/L，TN进水质量浓度在24～40 mg/L，氨氮进水浓度约占TN进水浓度的90%，说明污水中TN的主要组成部分是氨氮[10]。在HRT为15.00～21.00 h时，氨氮与TN的进水浓度变化趋势较相似。

由图4可知，TN的出水质量浓度为5～15 mg/L，满足一级A排放标准。在不同HRT下，TN的平均去除率为58.00%～80.00%，其波动幅度较大。当HRT为15.00、17.50、21.00、26.25 h时，TN平均去除率分别为69.70%、79.20%、76.30%、58.81%，可看出15.00、26.25 h的TN平均去除率均小于17.50、21.00 h。说明HRT过长或过短都不利于TN的去除，HRT过短，水流较快，不利于好氧池中的硝化反应，进而使缺氧池硝态氮浓度过低，无法进行反硝化反应，影响脱氮去除率[10]；HRT过长，系统的有机负荷率降低，会使生物的内源呼吸加剧，影响污泥的活性，最终降低系统对污染物去除效果。4组HRT对TN的去除率整体并未达到预期效果，分析可能是高原地区海拔高、温度低、紫外线强所导致。由于处在高原地区，本次试验温度在(20.0±1.0)℃，王荣昌等[11]研究表明当系统温度在20～30 ℃，TN的去除率在90%左右，同样罗忆涵等[12]在采用AAO模式运行下，表明温度在30 ℃时，TN的平均去除率在90%以上。温度的升高，微生物生长繁殖速率加快，同化作用效率提高，使更多的氮转化为微生物体内的氮化合物，同时温度升高也加快硝化反硝化速率，促进微生物代谢能力，增加脱氮效率[13]。研究表明硝化细菌最适生长温度在25～30 ℃[14]，而低温将会影响硝化反硝化菌的活性，进而影响脱氮性能。而本次试验有模拟高原紫外线照射工况，方德新等[15]在对比高原与非高原污水处理系统研究发现，受紫外线照射，高原污水处理系统微生物多样性显著低于非高原，而较低微生物多样性又是脱氮效果不佳的重要原因。因此，TN的去除率不仅受HRT的影响，还受温度和紫外线的影响。TN的去除率随HRT的增加，整体呈先增后减的趋势。单考虑TN去除效果，当HRT为17.50 h时最佳。

图4 不同HRT条件下TN的去除效果

2.4 不同HRT对TP的影响

由图5可知，TP的进水质量浓度为3～8 mg/L，在HRT为26.25 h最高。在不同HRT条件下，出水TP质量浓度在0～2 mg/L，但4组TP的出水浓度均都未达到一级A排放标准。一方面因为高原地区海拔高、气压低，大气中氧浓度较低，使污水处理系统中的DO含量低[16]，实际在试验中，好氧池DO质量浓度多数在2.4 mg/L左右，低DO会抑制聚磷菌的活性，影响聚磷菌好氧吸磷。另一方面原因是碳源，反硝化菌与聚磷菌存在碳源竞争，在AAO工艺中进水碳源不足时，会造成3个池子形成营养递减区，好氧池聚磷菌因缺少碳源而影响吸磷。

图5 不同HRT条件下TP的去除效果

当HRT为15.00、17.50、21.00、26.25 h时，TP的平均去除率分别是80.92%、77.62%、64.04%、80.67%。随HRT的增加，TP的去除率呈先减后增趋势，并与出水浓度趋势相同，表明TP去除率和出水浓度同时受HRT的影响。其中最佳HRT为15.00 h，说明较长的HRT不利于TP的去除。一方面因为此时HRT较长，硝化细菌与聚磷菌之间存在激烈竞争，而聚磷菌的生存能力低于硝化细菌，会导致聚磷菌的死亡，不利于吸磷的进行，影响TP的去除效果[11]。另一个原因可能是SRT，本次4组HRT对应的SRT是8、12、16、20 d。SRT过长，会造成在消化过程中活性污泥的活性下降，而且会影响聚磷菌对磷的吸收，从而导致活性污泥中糖类物质的累积及非聚磷菌的增长，使除磷效果降低，同时有研究表明最佳SRT处于3.5～7 d[17-18]。

2.5 不同HRT对系统脱氮除磷的影响

在AAO工艺中脱氮主要通过硝化反硝化，除磷主要通过聚磷菌的厌氧释磷和好氧吸磷，都需要一定的HRT。首先是聚磷菌的释磷，如果HRT不能满足，将会影响后续的吸磷；在反硝化脱氮(硝酸盐转化为氮气)时，需要的HRT较短，一般反硝化与硝化的HRT之比为1∶3[19]；而在硝化阶段需要较长的HRT来满足硝化反应(有机氮转化为硝酸盐)和满足聚磷菌有充分的时间吸磷，提高除磷效果。由表1可知，当HRT在15.00～26.25 h，氨氮的平均去除率均高于其他3个指标，CODCr、TP的平均去除率相对高于TN。说明AAO工艺对氨氮的去除具有良好的效果，且处理效果稳定，同时也表明AAO工艺在运行良好时，可以实现脱氮与除磷同时超过60%，但不能同时实现高效率的脱氮与除磷。例如当HRT为26.25 h时，TP的平均去除率达到80.67%，而TN的平均去除率只有58.81%。在综合对比不同HRT下，当HRT为15.00 h时，系统中CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率效果最好，但是此时系统平均MLSS只有493 mg/L，并低于其他3组HRT下的污泥浓度，这与污泥浓度低、微生物数量少，从而影响系统功能发挥[20-21]的理论相反，可能是高原地区特殊的环境所造成，但具体原因有待研究。

表1 不同HRT下各污染物的平均去除率和MLSS

为了更科学、更准确地得出4组HRT在综合CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率条件下的最佳HRT，由图6可知，当HRT为15.00 h时的综合评价得分最高，这也验证了上述分析的最佳HRT是正确的，其次是26.25、17.50、21.00 h。这表明HRT对系统脱氮除磷的发挥有很大的影响。

图6 PCA分析不同HRT条件下的综合评价得分

3 结论与建议

本次试验结果表明HRT对CODCr、氨氮的去除影响小，对TN、TP的影响大。随HRT的增加，TN的去除率先增后减，TP的去除率先减后增。综合考虑各污染物的去除效果，最佳HRT是15.00 h，此时CODCr、氨氮、TN、TP的平均去除率分别为85.50%、92.94%、69.70%、80.92%，其中CODCr、氨氮、TN出水浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准，TP出水浓度满足二级排放标准。

本次试验以高原地区为背景，讨论了海拔高、气压低、温度低、紫外线强等原因对AAO工艺脱氮除磷效果的影响，因此，这些因素可作为提高高原地区AAO工艺脱氮除磷效率的研究方向。同时，本次试验结果显示脱氮效率不高，建议通过调整合适的DO、pH、回流比等工况来提高脱氮效率。