強(qiáng)化污水脫氮除磷的方法

　　在傳統(tǒng)污水生物脫氮除磷工藝中，反硝化菌和聚磷菌均為異養(yǎng)茵，其生長需要足夠的碳源[1]. 我國典型城市污水屬于低碳源污水(COD<200 mg ·L-1、 COD/TN<5、 COD/TP<25)，對保證城市污水處理廠氮、 磷達(dá)標(biāo)排放是一大瓶頸[2]，因此應(yīng)投加外部碳源以滿足脫氮除磷的需要[3,4,5]. 污水處理廠常利用乙酸、 葡萄糖、 甲醇和乙醇作為外加碳源[6]、 投加化學(xué)藥劑和采用分段進(jìn)水方式提高脫氮除磷效果[7,8]，但是上述方法將導(dǎo)致污水廠運(yùn)行成本升高[9].

　　城市剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)可用作提高污水營養(yǎng)物去除效果的替代碳源[10]. 到目前為止人們已經(jīng)研究了利用含VFA的污泥水解液或污泥發(fā)酵液作為外加碳源強(qiáng)化污水脫氮除磷的效果[6,11,12,13]. 鄒勝男等[14]利用剩余污泥水解酸化液為外加碳源處理低碳氮比污水，在曝氣生物濾池(BAF)中NH+4-N和TN的去除率分別超過98%和75%. Gao等[6]搭建了一個(gè)包含兩步污泥堿性發(fā)酵和A2/O反應(yīng)器的連續(xù)系統(tǒng)，最終使TN和TP的去除率分別高達(dá)80.1%和90.0%.

　　雖然以上研究均獲得了較好的結(jié)果，然而，這些研究大多是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，而一旦運(yùn)用到實(shí)際工程之中，其實(shí)際效果可能會(huì)大打折扣. 為了全面評估污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液對實(shí)際污水的脫氮除磷強(qiáng)化效果，本研究建造了一個(gè)污水處理量為10 m3 ·d-1，總體積為4660 L的A2/O反應(yīng)器系統(tǒng)，采用污水處理廠的實(shí)際污水，通過添加剩余污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液，探討污泥發(fā)酵液作為外加碳源促進(jìn)污水脫氮除磷的效果和可行性，以期為污水處理廠的節(jié)能降耗、 穩(wěn)定運(yùn)行和升級(jí)改造提供技術(shù)支持. 1 材料與方法 1.1 A2/O反應(yīng)器系統(tǒng)

　　中試裝置位于無錫市高新水務(wù)公司的新城污水處理廠內(nèi),工藝流程如圖 1所示.

　　1.發(fā)酵液貯存罐; 2.緩沖水箱; 3. 發(fā)酵液計(jì)量泵; 4.進(jìn)水計(jì)量泵; 5.攪拌器; 6.污泥回流泵; 7.空壓機(jī); 8.硝化液回流泵; 9.沉淀池; 10.厭氧/缺氧/好氧反應(yīng)器 圖 1 A2/O反應(yīng)器系統(tǒng)工藝流程示意

　　A2/O反應(yīng)器系統(tǒng)各池的分布順序?yàn)閰捬醭亍?缺氧池和好氧池，各反應(yīng)池有效體積分別為900、 900和2800 L，反應(yīng)器的總體積為4660 L. 由時(shí)控 開關(guān)、 蠕動(dòng)泵、 電磁閥及附屬電子線路控制運(yùn)行周期和進(jìn)水、 攪拌、 曝氣、 沉淀及排水等各個(gè)操作環(huán)節(jié). 進(jìn)水、 污泥回流、 硝化液回流和營養(yǎng)液投加均使用計(jì)量泵，以使實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制更加精確. 采用空氣壓縮機(jī)供氣和攪拌，空壓機(jī)連接微孔黏砂塊曝氣頭曝氣. 好氧階段溶解氧為1.5-3 mg ·L-1左右. 隔天從沉淀池排放剩余污泥，使污泥停留時(shí)間為20 d左右. 1.2 污水進(jìn)水、 乙酸碳源和發(fā)酵液的性質(zhì)

　　污水全部來自新城污水處理廠細(xì)格柵出水，發(fā)酵液來自中試污泥發(fā)酵罐，經(jīng)過了固液分離處理. 發(fā)酵污泥取自無錫市太湖新城污水處理廠脫水污泥. A2/O工藝的種泥來自新城污水處理廠缺氧池污泥馴化而成. 乙酸碳源為工業(yè)級(jí)液態(tài)乙酸，濃度為98%. 進(jìn)水和污泥發(fā)酵液的性質(zhì)如表 1所示.

　　表 1 進(jìn)水和發(fā)酵液性質(zhì)

　　1.3 A2/O反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)

　　中試處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為10 m3 ·d-1，測試了不同進(jìn)水流量和污泥發(fā)酵液投加量條件下的處理效果. 乙酸和污泥發(fā)酵液均添加到A2/O系統(tǒng)的缺氧池. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期分5個(gè)階段，階段Ⅰ為未添加碳源的正常運(yùn)行階段，作為系統(tǒng)運(yùn)行的對照階段，階段Ⅱ-Ⅳ為添加乙酸作碳源的運(yùn)行階段，階段Ⅴ為添加實(shí)際污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液的運(yùn)行階段，其中各階段的碳源增量(以COD計(jì))均基于進(jìn)水COD濃度，每個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)如表 2所示.

　　表 2 A2/O中試處理系統(tǒng)5個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)

　　1.4 測試方法

　　MLSS: 重量法[15]，氨氮: 納氏試劑分光光度法[15]，TN: 過硫酸鉀消解法[15]，TP: 鉬銻抗分光光度法[15]，VFA: 氣相色譜法[15]，COD/SCOD: 快速消解分光光度法，DO: 在線溶氧儀，pH: pH測定儀(Mettler Toledo). 2 結(jié)果與討論 2.1 各階段氨氮和總氮的去除

　　圖 2為中試反應(yīng)器對氨氮和總氮的去除情況.

　　圖 2 A2/O中試系統(tǒng)各階段沿程氨氮和總氮濃度變化

　　由圖 2可知，在階段Ⅰ的對照階段，除了第6 d出水氨氮為5.78 mg ·L-1外，其余均能達(dá)到污水一級(jí)A的5 mg ·L-1的排放標(biāo)準(zhǔn)，但是出水總氮高于15 mg ·L-1的排放標(biāo)準(zhǔn). 說明系統(tǒng)硝化效果正常，但反硝化效果較差. 考慮到總氮去除效果不佳及進(jìn)入冬季氣溫下降，在階段Ⅱ，污水流量從10000 L ·d-1調(diào)整為5000 L ·d-1，同時(shí)添加乙酸作外加碳源，使進(jìn)水COD提高25 mg ·L-1. 從氨氮進(jìn)水濃度來看，由于進(jìn)水波動(dòng)，氨氮濃度大幅升高，但是出水氨氮仍然維持較低水平，低于排放標(biāo)準(zhǔn)，說明系統(tǒng)硝化效果較好. 出水總氮雖有所改善，但是仍然稍高于排放標(biāo)準(zhǔn). 在階段Ⅲ，進(jìn)一步增加乙酸添加量，COD提升 50 mg ·L-1，流量維持不變. 從出水氨氮和總氮情況看，二者均低于國家排放標(biāo)準(zhǔn). 這說明由于乙酸碳源量的增加，促進(jìn)了系統(tǒng)的反硝化效果，使出水總氮達(dá)標(biāo). 由于系統(tǒng)脫氮效果較好，在階段Ⅳ，將進(jìn)水流量從5000 L ·d-1提升至7500 L ·d-1，乙酸添加量維持不變. 出水監(jiān)測結(jié)果表明，由于負(fù)荷的增加，第46 d氨氮和總氮出水濃度均有所增加，但是在第47 d很快恢復(fù)正常. 總體上出水氨氮和總氮分別在5 mg ·L-1和15 mg ·L-1以下，說明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.

　　在階段Ⅴ，外加碳源由乙酸轉(zhuǎn)換為污泥發(fā)酵液，因發(fā)酵液中含有較高的氨氮(965.5 mg ·L-1)和總磷(161.0 mg ·L-1)，使其負(fù)荷也隨之增加. 由于發(fā)酵液直接進(jìn)入缺氧池，因此缺氧池氨氮和總氮濃度明顯上升，氨氮從2.67 mg ·L-1上升到14.39 mg ·L-1，總氮從7.99 mg ·L-1上升到17.30 mg ·L-1. 在53-55 d，系統(tǒng)處于適應(yīng)期，出水氨氮較之前大幅增加，分別為6.77、 4.81和7.72 mg ·L-1，總氮也略有升高，分別為11.69、 15.23和11.02 mg ·L-1. 然而經(jīng)過短暫的適應(yīng)期，系統(tǒng)出水氨氮和總氮迅速恢復(fù)正常. 這一結(jié)果表明，污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液作為外加碳源能夠很好的促進(jìn)A2/O系統(tǒng)的反硝化效果，提高出水水質(zhì). 這是因?yàn)槲勰喟l(fā)酵液中的碳源以VFA為主，非常容易被微生物利用[16]. 另外，雖然發(fā)酵液的添加會(huì)帶來部分氨氮進(jìn)入系統(tǒng)，但是并不會(huì)對污水脫氮效果造成影響. 2.2 各階段總磷的去除

　　A2/O系統(tǒng)各運(yùn)行階段總磷去除情況如圖 3所示.

　　圖 3 A2/O中試系統(tǒng)各階段沿程總磷變化

　　如圖 3所示，在階段Ⅰ，進(jìn)水總磷在2.5-5.0 mg ·L-1之間，而前期出水總磷平均濃度只達(dá)到0.6 mg ·L-1，到第22 d時(shí)，出水濃度降為0.34 mg ·L-1，能夠達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)TP <0.5 mg ·L-1. 這是因?yàn)殡A段Ⅰ的前期，處于污泥的培養(yǎng)階段，主要負(fù)責(zé)在厭氧條件下逆濃度梯度過量吸磷而在好氧條件下過量吸磷的聚磷菌(PAOs)尚未完全適應(yīng)此代謝環(huán)境[17]，因此總磷去除率有一個(gè)逐漸改善的過程. 進(jìn)入階段Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ后，出水總磷效果較為理想，總磷平均出水濃度分別為0.06、 0.16和0.08 mg ·L-1，相對應(yīng)的平均去除率分別為98.13%、 93.67%和96.13%. 由此可知，降低進(jìn)水流量和投加碳源能明顯提高TP的去除效果，這與Zheng等[18]的研究結(jié)果相似.

　　在階段Ⅴ開始向缺氧池中投加發(fā)酵液，因發(fā)酵液中本身含有大量磷，致使缺氧池中總磷濃度明顯升高，從階段Ⅳ的0.29 mg ·L-1上升到0.45 mg ·L-1. 但是，出水總磷濃度仍然較好，平均濃度和去除率分別為0.19 mg ·L-1和88.61%，表現(xiàn)略差于階段Ⅳ的0.08 mg ·L-1和96.13%. Tong等[19]向SBR反應(yīng)器中投加經(jīng)鳥糞石沉淀法回收氮磷后的污泥堿性發(fā)酵液，實(shí)現(xiàn)了92.9%的磷去除效率，雖然其效果好于本研究，但本研究并沒有在投加前將發(fā)酵液中的氮磷去除.

　　從生物除磷的機(jī)制分析可以發(fā)現(xiàn)，第58 d時(shí)，因?yàn)楦缓琕FA的發(fā)酵液的加入，聚磷菌會(huì)優(yōu)先使用VFA用于釋磷過程[20]，在厭氧區(qū)觀察到了明顯的磷釋放，而缺氧池中TP濃度不降反升，這是因?yàn)榘l(fā)酵液本身所含有的磷酸鹽和無氧條件下的磷的釋放所導(dǎo)致的. 由缺氧池到好氧池階段出水TP濃度由2.56 mg ·L-1減少到0.46 mg ·L-1,在好氧段污水中的磷酸鹽得到較徹底的吸收. 2.3 各階段COD的去除

　　圖 4是反應(yīng)器正式運(yùn)行后五個(gè)階段沿程COD的變化.

　　圖 4 A2/O中試系統(tǒng)各階段沿程COD變化

　　在階段Ⅰ的初始階段，反應(yīng)器處于適應(yīng)期，COD的去除效果不甚理想，未能達(dá)到的出水一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)(COD≤50 mg ·L-1)，在此之后，COD值均小于50 mg ·L-1. 在階段Ⅱ，雖然進(jìn)水流量由10000 L ·d-1降低到5000 L ·d-1，但因進(jìn)水COD高于前一階段，最高時(shí)達(dá)到411.28 mg ·L-1. 另外，從缺氧池COD濃度可以看出，由于外加碳源的輸入(25 mg ·L-1)，COD有所升高. 由于本階段水溫較低，微生物活性降低，所以COD出水值一直在達(dá)標(biāo)線附近徘徊，效果不是很理想. 進(jìn)入階段Ⅲ，進(jìn)水COD略有下降，基本穩(wěn)定在250 mg ·L-1附近，同時(shí)可能由于氣溫升高的原因，盡管添加乙酸導(dǎo)致外加碳源輸入，但出水COD值保持在20-30 mg ·L-1之間. 階段Ⅳ將進(jìn)水流量從5000 L ·d-1上升到7500 L ·d-1，在進(jìn)水COD濃度和階段Ⅲ接近的條件下，出水COD值也全部達(dá)標(biāo)，和階段Ⅲ相似，說明系統(tǒng)適應(yīng)后有一定的抗負(fù)荷能力.

　　階段V將外加碳源改為污泥發(fā)酵液，系統(tǒng)COD負(fù)荷增加50 mg ·L-1，雖然缺氧池和厭氧池COD值有所升高，但是系統(tǒng)出水COD值在25.38-55.85 mg ·L-1之間，除個(gè)別點(diǎn)外，全部達(dá)標(biāo). 說明在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的負(fù)荷條件下，發(fā)酵液外加碳源的輸入不會(huì)對系統(tǒng)COD去除效果產(chǎn)生重大影響，出水滿足排放要求. 2.4 乙酸和污泥發(fā)酵液作為碳源強(qiáng)化污水脫氮除磷的比較

　　為了比較乙酸作碳源和污泥發(fā)酵液作碳源強(qiáng)化污水脫氮除磷的差異，表 3統(tǒng)計(jì)了階段Ⅳ和Ⅴ兩種相同負(fù)荷條件下的污水處理效果.

　　表 3 乙酸和污泥發(fā)酵液作碳源脫氮除磷效果的比較

　　由表 3可知，當(dāng)進(jìn)水流量為7500 L ·d-1時(shí)，投加 50 mg ·L-1的乙酸和污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液均能使污水各 項(xiàng)指標(biāo)，COD、 氨氮、 總氮、 總磷等均達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn). 在運(yùn)行期間，投加乙酸和發(fā)酵液的出水總氮平均濃度分別為11.01 mg ·L-1和11.92 mg ·L-1，相對應(yīng)的去除率分別為77.6%和64.86%; 出水氨氮平均濃度分別為2.62 mg ·L-1和2.77 mg ·L-1，相對應(yīng)的去除率分別為93.19%和88.92%; 出水總磷平均濃度分別為0.08 mg ·L-1和0.19 mg ·L-1，相對應(yīng)的去除率分別為95.98%和87.61%. 和乙酸相比，雖然投加發(fā)酵液對A2/O系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的去除率略有差距，然而，系統(tǒng)出水的各項(xiàng)指標(biāo)能滿足排放要求.

　　相較于前幾階段，發(fā)酵液投加階段進(jìn)水COD保持穩(wěn)定，而進(jìn)水氨氮和TN有輕微波動(dòng)，進(jìn)水TP有較大幅度的下降. 如果在正常進(jìn)水氮、 磷濃度情況下，采用階段V的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，氨氮、 TN和TP也是能夠達(dá)標(biāo)的. 因?yàn)檫M(jìn)水氮濃度波動(dòng)范圍很小，不會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，而進(jìn)水磷濃度本身基數(shù)并不大，根據(jù)此前各階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，預(yù)期出水TP能滿足排放要求.

　　綜上所述，投加污泥厭氧發(fā)酵液作為城市污水強(qiáng)化脫氮除磷A2/O工藝的補(bǔ)充碳源是可行的. 2.5 碳源投加量的理論分析

　　表 4顯示了污泥發(fā)酵液作為碳源強(qiáng)化污水脫氮除磷的理論分析表.

　　表 4 碳源投加量理論分析表

　　污泥發(fā)酵液的主要成分是VFA，本實(shí)驗(yàn)所使用的發(fā)酵液中乙酸和丙酸濃度分別為2915.5 mg ·L-1和739.4 mg ·L-1，二者共占VFA總量的72.9%，這兩種酸有利于營養(yǎng)物質(zhì)的去除[21,22,23]. 有研究表明，異養(yǎng)反硝化菌將1 g NO3--N和NO-2-N轉(zhuǎn)化成氮?dú)夥謩e需要4.1 g COD和2.7 g COD[23]，聚磷菌去除1 g TP需要6-9 g COD[25]. 由表 4可知，投加乙酸和發(fā)酵液后的COD負(fù)荷/TN負(fù)荷分別為6.025和7.015，大于理論值4.1 g ·g-1(以COD/NO3--N計(jì))，因此，在實(shí)際的污水處理中，碳源的投加量應(yīng)大于理論值，這是因?yàn)橛邢喈?dāng)一部分的COD被聚磷菌和其他異養(yǎng)型微生物所利用，同時(shí)有部分碳源用于去除污泥發(fā)酵液本身所含氮、 磷. 然而，這些隨著發(fā)酵液進(jìn)入反應(yīng)器的氮、 磷含量很少，與進(jìn)水濃度相比，氨氮、 總氮和總磷增量分別為3.6、 4.1和0.6 mg ·L-1,這意味著50 mg ·L-1的SCOD增量有約8.6-16.8 mg ·L-1用于發(fā)酵液中氮的去除，有約3.6-5.4 mg ·L-1用于發(fā)酵液中磷的去除，剩余27.8-37.8 mg ·L-1用于強(qiáng)化污水脫氮除磷，碳源的有效利用率約為55.6%-75.6%. 另外，值得指出的是，由于發(fā)酵液投加階段的進(jìn)水平均TN和COD濃度較乙酸投加階段小，導(dǎo)致在進(jìn)水流量相同的情況下前者的TN和COD負(fù)荷也比后者略小. 具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)以實(shí)際生活污水為處理對象，在A2/O中試系統(tǒng)的缺氧池中投加污泥發(fā)酵液，將COD提升50 mg ·L-1，出水COD、 氮、 磷等各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，其強(qiáng)化脫氮除磷效果和投加乙酸相同.

　　(2)污泥厭氧發(fā)酵液作為城市污水強(qiáng)化脫氮除磷的替代碳源是可行的，發(fā)酵液本身的高氨氮和總磷含量并不會(huì)對出水效果產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響.(來源及作者：江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院 羅哲、周光杰、劉宏波 無錫市高新水務(wù)公司 聶新宇、陳宇、翟麗琴 江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院 劉和)