厭氧缺氧好氧生物接觸氧化處理低碳氮比污水的物料平衡.docx

環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)保厭氧、缺氧、好氧生物接觸氧化處理低碳氮比污水的物料平衡摘 要：為了提高低碳氮比污水的治理效果，提出了厭氧/缺氧/好氧-生物接觸氧化脫氮除磷工藝（anaerobic anoxicoxic- biological contact oxidation，A2/O-BCO），研究了該工藝處理生活污水的脫氮除磷性能，建立了該系統(tǒng)處理過(guò)程的碳（以化學(xué)需氧量計(jì)，chemical oxygen demand，COD）、氮、磷的物料衡算公式，同時(shí)分析評(píng)價(jià)了不同硝化液回流比（100%，200%，300%，400%）下各指標(biāo)的物 料平衡情況。結(jié)果表明，該工藝在充分利用原水碳源、深度脫氮除磷方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)COD 主要在A2/O 中厭氧段被利用，通過(guò)反硝化聚磷菌反硝化除磷脫氮；系統(tǒng)COD 的物料衡算公式平衡百分比分別為96.4%、99.6%、98.7%和98.3%，氮的物料衡算公式平衡百分比分別為99.7%、98.2%、99.2% 和96.5%，磷的物料衡算公式平衡百分比分別為92.0%、98.1%、93.3%和90.4%；熒光原位雜交表明生物膜中有厭氧氨氧化菌存在，且其數(shù) 量占全菌比例的0.6%2.7%，生物接觸氧化的氮損失可能是由于發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng)；在硝化液回流比為300%時(shí)，系統(tǒng)氮、磷去除效果好，出水達(dá)到 國(guó)家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。該研究有助于更好地理解和分析工藝系統(tǒng)有機(jī)物、氮和磷的分布及變化情況，并且為評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性以及數(shù)學(xué)模型的建立提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，能更 好地推廣到分散型、量小且日變化系數(shù)較大的農(nóng)村生活污水的治理事業(yè)中。0 引 言對(duì) 于中國(guó)目前面臨的分散型、處理量小且日變化系數(shù)較大的農(nóng)村生活污水的治理難題，最好的解決辦法是實(shí)行分散處理1-4，從而控制農(nóng)村生活污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 氮和磷的含量，緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化，減輕對(duì)水體的污染5-7。傳統(tǒng)厭氧/缺氧/好氧（anaerobic anoxic oxic，A2/O）工藝在中國(guó)有廣泛的應(yīng)用，這是一個(gè)順次為厭氧、缺氧和好氧的單污泥懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，但這種工藝已經(jīng)達(dá)不到日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。本研 究將A2/O 工藝與生物接觸氧化（biological contactoxidation, BCO）工藝組合，成為新型的雙污泥系統(tǒng)，不僅能獲得深度脫氮除磷效果，而且能夠有針對(duì)性的解決傳統(tǒng)A2/O 工藝8上存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了硝化菌 與聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，PAOs）長(zhǎng)短泥齡的分離，避免了傳統(tǒng)工藝回流污泥中攜帶的NO3-N 對(duì)PAOs 在厭氧區(qū)釋磷9的影響，充分利用原水中的碳源，獲得高效的同步脫氮除磷效率10。在該系統(tǒng)中，A2/O 反應(yīng)器主要作用是利用反硝化除磷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷，BCO 系統(tǒng)用于完成硝化作用。BCO 反應(yīng)器中產(chǎn)生的NO3-N 回流至A2/O 反應(yīng)器的缺氧段，為PAOs 釋磷提供一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的厭氧環(huán)境11-12。另外，進(jìn)水的低C/N也 會(huì)促進(jìn)反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorusaccumulating organisms，DPAOs）的生長(zhǎng)，DPAOs可以利用NO3-N 作為電子受體同時(shí)去除污水中的氮和磷13，大量的化學(xué)需氧量（chemical oxygendemand，COD）在A2/O 反應(yīng)器的厭氧段被去除，降低了進(jìn)入BCO 反應(yīng)器上清液中的C/N，這為在生物膜上生長(zhǎng)的硝化菌提供了有利條件，進(jìn)而可以提升硝化效果14。本 研究應(yīng)用的A2/O-BCO 組合工藝，充分利用了原水中的碳源，且占地面積小，運(yùn)行費(fèi)用低，管理方便，尤其適用于分散、處理量小、日變化系數(shù)較大的農(nóng)村生活污水處理，是農(nóng)村生活污水 實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷的理想選擇11-13，在污水處理領(lǐng)域有重要意義。但是，該系統(tǒng)的碳、氮、磷的物料平衡情況尚不明確，進(jìn)行物料衡算有助于更好地理解 和分析系統(tǒng)有機(jī)物、氮和磷的分布及變化情況15，本文在Barker 等16對(duì)活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行的碳、氮物料平衡的研究基礎(chǔ)上，首次建立了A2/O-BCO 組合工藝的碳、氮、磷的物料衡算公式，并且以不同硝化液回流比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了A2/O-BCO 組合工藝碳、氮和磷的物料平衡情況，以期為評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性以及數(shù)學(xué)模型的建立提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。1 材料與方法1.1 試驗(yàn)裝置A2/O-BCO 工藝系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。A2/O 反應(yīng)池內(nèi)為活性污泥法，厭氧段完成有機(jī)物的吸附轉(zhuǎn)化同時(shí)釋磷，缺氧段以BCO 反應(yīng)池回流過(guò)來(lái)的硝化液為電子受體進(jìn)行反硝化除磷反應(yīng)，好氧段進(jìn)一步吸磷并吹脫氮?dú)?；BCO 反應(yīng)池內(nèi)為生物膜法，主要完成氨氮的氧化。主體反應(yīng)器材質(zhì)均為有機(jī)玻璃，其中A2/O 反應(yīng)池有效容積為40 L，厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)容積比為131。BCO 反應(yīng)池有效容積為24 L，均分為3 格室（分別記為N1 段、N2 段和N3 段），每個(gè)格室均填充聚丙烯材質(zhì)環(huán)形懸浮填料，填充率為45%，填料尺寸為D25 mm10 mm，中心有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，密度為0.96 g/cm3，孔隙率為95%，有效比表面積為500 m2/m3。1.2 試驗(yàn)水質(zhì)采 用北京工業(yè)大學(xué)教工住宅區(qū)化糞池生活污水為試驗(yàn)水源，屬于典型的低C/N 實(shí)際生活污水，水質(zhì)特點(diǎn)具體如下：COD 質(zhì)量濃度為97.62318.20 mg/L；總氮（total nitrogen，TN）以氨氮為主，質(zhì)量濃度為53.2174.64 mg/L；總磷（totalphosphorus，TP）質(zhì)量濃度為3.747.38 mg/L，NO3-N 質(zhì)量濃度為00.54 mg/L；NO2-N 質(zhì)量濃度為00.23 mg/L。1.3 試驗(yàn)運(yùn)行條件試 驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行5 個(gè)月，考察了硝化液回流比對(duì)A2/O-BCO 系統(tǒng)同步脫氮除磷效果的影響。A2/O 進(jìn)水流量為5 L/h，A2/O 反應(yīng)池內(nèi)水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）為8 h，污泥齡（sludge retention time，SRT）控制在12 d，污泥回流比為100%，待系統(tǒng)性能穩(wěn)定后，依次將硝化液回流比分別控制在100%、200%、300%和400%進(jìn)行試驗(yàn)比較，分別記為Run1、 Run2、Run3 和Run4，基本每個(gè)工況都運(yùn)行1 個(gè)月左右，污泥濃度（mixedliquor suspended solids，MLSS）維持在3 500 mg/L左右，好氧段溶解氧（dissolve oxygen，DO）控制在1.02.0 mg/L；BCO 的HRT 為1.9 h，DO 均控制在3.04.5 mg/L。1.4 分析方法每 天用50 mL 取樣器從A2/O-BCO 工藝系統(tǒng)每格室中采集50 mL 水樣，水樣采用0.45 m 中速濾紙過(guò)濾，MLSS、揮發(fā)性污泥濃度（mixed liquorvolatile suspended solids，MLVSS）、COD 等指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定17，PO43-P，NH4+- N，NO2-N，NO3-N 由Lachat Quikchem8500 型流動(dòng)注射儀（lachat instrument，milwaukee，wiscosin）測(cè)定；采用WTW，Multi 340i pH/DO 儀測(cè)定pH 值和DO。分子熒光原位雜交（ fluorescence in situhybridization，F(xiàn)ISH）技術(shù)，固定、雜交的操作步驟見(jiàn)文獻(xiàn)18-19。采用的寡核苷酸探針為EUB mix（Eub338，堿基序列為GCTGCCTCCCGTAGGAGT；Eub338，堿基序列為 GCAGCCACCCGTAGGTGT；Eub338，堿基序列為GCTGCCACCCGTAGGTGT）、Amx368（堿基序列為 CCTTTCGGGCATTGCGAA）。通過(guò)OLYMPUS BX-61 熒光顯微鏡和Image-proplus 6.0 軟件對(duì)污泥種群進(jìn)行拍攝和定量分析。3.1 A2/O-BCO 工藝運(yùn)行性能系 統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5 個(gè)月的進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。A2/O-BCO 工藝的脫氮除磷效果隨著硝化液回流比的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但當(dāng)增加到400%時(shí)，TN 卻出現(xiàn)了降低趨勢(shì)。在本試驗(yàn)運(yùn)行條件下，當(dāng)硝化液回流比為400%時(shí)，一方面回流污泥中攜帶的硝酸鹽破壞了A2/O 中的厭氧環(huán)境，嚴(yán)重影響ANA 段的釋磷情況和系統(tǒng)碳源的利用情況，繼而影響缺氧段反硝化除磷反應(yīng)；另一方面回流過(guò)來(lái)的大量硝酸鹽，使得缺氧條件下硝酸鹽負(fù)荷過(guò)高，并攜帶了大量溶解氧， 導(dǎo)致缺氧段有效反應(yīng)時(shí)間嚴(yán)重縮短，A2/O 出水中硝態(tài)氮開(kāi)始積累，導(dǎo)致TN 去除效果變差。當(dāng)運(yùn)行條件為Run3 時(shí)，系統(tǒng)平均出水TN 和TP 濃度分別為14.96 和0.49 mg/L，達(dá)國(guó)家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。選用系統(tǒng)Run1Run4 這5 個(gè)月穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)作為下文物料衡算的依據(jù)。3.2 COD 的去除特性和物料平衡進(jìn) 入系統(tǒng)的COD 主要在A2/O 反應(yīng)器中厭氧段被聚磷菌利用來(lái)合成體內(nèi)貯能物質(zhì)，用于后續(xù)缺氧段的反硝化除磷反應(yīng)，后續(xù)COD 降幅較小，此時(shí)COD 主要用于維持好氧異養(yǎng)菌的新陳代謝22，COD 在BCO 中也得到部分去除，可能原因是其中除了自養(yǎng)型的硝化菌之外，還存在好氧異養(yǎng)菌；另外一部分通過(guò)出水流出系統(tǒng)，還有一部分通過(guò)剩余污泥排出系統(tǒng)。根據(jù)公式 （1）式（7）計(jì)算4個(gè) 運(yùn)行條件下COD 的物料平衡如表2?？梢?jiàn)4 個(gè)運(yùn)行條件下，COD 平衡百分比均在95.0%以上，系統(tǒng)在A2/O 反應(yīng)器中厭氧段用于釋磷而被利用的COD 值占總?cè)コ康陌俜直确謩e為78.5%、71.8%、57.9%和71.1%。Run 3 下的57.9%是由于當(dāng)時(shí)正值夏季，進(jìn)水COD 值較低，出水COD 值均小于50.0 mg/L。3.3 磷的去除特性和物料平衡進(jìn) 入系統(tǒng)的P 通過(guò)厭氧段釋磷、缺氧段反硝化吸磷和好氧吸磷，一部分通過(guò)出水流出系統(tǒng)，一部分通過(guò)剩余污泥排出系統(tǒng)。本工藝有很好的P 去除效果，缺氧段反硝化吸磷和好氧吸磷占磷總?cè)コ康陌俜直纫?jiàn)圖4，在Run1 時(shí)，反硝化除磷反應(yīng)受到電子受體的限制，主要發(fā)生好氧吸磷反應(yīng)，隨著硝化液回流比增大，在電子受體充足的情況下，缺氧段反硝化除磷反應(yīng)越徹底。根據(jù)公式 （8）式（11）計(jì)算4 個(gè)運(yùn)行條件下P 的物料平衡如表3?？梢钥闯? 個(gè)運(yùn)行條件下通過(guò)排放剩余污泥去除的P 分別占總量的78.0%、88.4%、84.3%和85.4%。P 的平衡百分比均在90.0%以上，可能是由于污泥磷含量選取經(jīng)驗(yàn)值3%而造成的磷平衡有部分余差存在。3.4 氮的去除特性和物料平衡根 據(jù)公式（12）計(jì)算輸入系統(tǒng)氮的質(zhì)量，4 個(gè)運(yùn)行條件下差別不大，分別是(7 911.6600.0)、(7 716.0546.0)、(7 347.6444.0)和(7 555.2535.2) mg/d。根據(jù)公式（15）計(jì)算輸出系統(tǒng)氮的質(zhì)量，流出系統(tǒng)的氮的含量分布情況見(jiàn)表4，各個(gè)途徑所占百分比見(jiàn)圖5。從表4 和圖5 中可以看出，從Run1Run4，隨出水流走的氮的質(zhì)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，通過(guò)反硝化去除的氮卻呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在Run3 時(shí)隨出水流走的氮達(dá)到最少，通過(guò)反硝化去除的氮達(dá)到最大值；而通過(guò)剩余污泥排出的氮和在BCO 損失的氮的質(zhì)量相差不大。分析原因，硝化液回流比的增大，為反硝化除磷反應(yīng)提供了充足的電子受體，使得反硝化除磷反應(yīng)能夠進(jìn)行的更加充分，但當(dāng)增加到 Run4 時(shí)，硝酸鹽負(fù)荷過(guò)高，導(dǎo)致 反硝化去除的氮減少，隨出水流走的氮增加。反硝化除磷脫氮是本工藝系統(tǒng)中最主要脫氮方式，4個(gè)運(yùn)行條件下反硝化除磷脫氮量占總?cè)コ康陌俜直确謩e為 28.0%、35.7%、48.5%和33.9%，只有將硝化液回流比控制在最合適的條件下才能獲得最高的脫氮效率，本試驗(yàn)中最合適的硝化液回流比是 300%。圖 6 為不同硝化液回流比下系統(tǒng)中NOx- -N 濃度的變化情況，可以更清楚地看出，從Run1Run3，系統(tǒng)出水中NOx-N 含量逐漸降低，說(shuō)明反硝化除磷脫氮情況越來(lái)越好，反硝化除磷反應(yīng)受限于電子受體的濃度；在Run4 時(shí)，缺氧段NOx-N 含量顯著高于其他3 個(gè)運(yùn)行條件，過(guò)高的電子受體濃度并沒(méi)有改善系統(tǒng)脫氮情況，在本試驗(yàn)條件下，Run3 時(shí)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)較好的脫氮效果。排泥中的氮按 照公式（19）計(jì)算，通過(guò)剩余污泥的排放去除的氮均占流出系統(tǒng)氮的12%左右。BCO 損失的氮是通過(guò)計(jì)算BCO 池前后的TN 之差得到的，從Run1Run4，氮損失占流出系統(tǒng)氮的百分比分別為9.0%、17.3%、14.8%和15.3%，這部分氮損失，可能是被微生物用來(lái) 進(jìn)行同化作用，也有可能通過(guò)同步硝化反硝化作用被去除?？紤]到整體運(yùn)行工藝特點(diǎn)，生活污水中可降解COD 基本在A2/O 中被去除，為BCO 反應(yīng)器中自養(yǎng)微生物的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件，加之BCO 反應(yīng)器為生物膜硝化反應(yīng)器，推測(cè)可能在生物膜內(nèi)部有厭氧氨氧化菌的存在，進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，導(dǎo)致了一部分N 損失。針對(duì)此推斷，取運(yùn)行105 d 生物膜進(jìn)行FISH 試驗(yàn)，驗(yàn)證了該推斷的正確性，且厭氧氨氧化菌占全菌比例為0.6%2.7%， 圖7a 和7b 為全菌，7c 和7d 分別為與7a 和7b 對(duì)應(yīng)的目標(biāo)菌。從Run1Run4 每個(gè)運(yùn)行條件下氮平衡百分比以流出系統(tǒng)的氮除以進(jìn)入系統(tǒng)的氮計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯?，氮平衡百分比均在95.0%以上，對(duì)該系統(tǒng)的氮物料平衡分析公式 做了很好的論證。反 硝化作用被去除。考慮到整體運(yùn)行工藝特點(diǎn)，生活污水中可降解COD 基本在A2/O 中被去除，為BCO 反應(yīng)器中自養(yǎng)微生物的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件，加之BCO 反應(yīng)器為生物膜硝化反應(yīng)器，推測(cè)可能在生物膜內(nèi)部有厭氧氨氧化菌的存在，進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，導(dǎo)致了一部分N 損失。針對(duì)此推斷，取運(yùn)行105 d 生物膜進(jìn)行FISH 試驗(yàn)，驗(yàn)證了該推斷的正確性，且厭氧氨氧化菌占全菌比例為0.6%2.7%，圖7a 和7b 為全菌，7c 和7d 分別為與7a 和7b 對(duì)應(yīng)的目標(biāo)菌。從Run1Run4 每個(gè)運(yùn)行條件下氮平衡百分比以流出系統(tǒng)的氮除以進(jìn)入系統(tǒng)的氮計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯?，氮平衡百分比均在95.0%以上，對(duì)該系統(tǒng)的氮物料平衡分析公式做了很好的論證。4 結(jié) 論本 文以厭氧/ 缺氧/ 好氧- 生物接觸氧化（anaerobic anoxic oxic- biological contact oxidation，A2/O-BCO）組合工藝不同硝化液回流比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)A2/O-BCO 組合工藝碳（COD）、氮和磷的物料平衡情況進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：1） 建立了A2/O-BCO 組合工藝的物料衡算公式，且通過(guò)硝化液回流比分別為100%、200%、300%和400%條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，碳（以化學(xué)需氧量計(jì)，chemical oxygen demand，COD）的物料衡算公式平衡百分比分別為96.4%、99.6%、98.7%和98.3%，氮的物料衡算公式平衡百分比分別為99.7%、 98.2%、99.2%和96.5%，磷的物料衡算公式平衡百分比分別為92.0%、98.1%、93.3%和90.4%。2） 本工藝在充分利用原水碳源、深度脫氮除磷方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在硝化液回流比分別為100%、200%、300%和400%條件下，系統(tǒng)COD 在A2/O 中厭氧段去除量占總?cè)コ康陌俜直确謩e為78.5%、71.8%、57.9%和71.1%；通過(guò)反硝化除磷脫氮量占氮去除總量的百分比分別為28.0%、 35.7%、48.5%和33.9%；通過(guò)排放剩余