MAAO工艺处理低碳氮比污水时流量的优化控制

李志华，秋 亮，吴晓婷，张玥颖，刘胜军

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安 710055；2.西安创业水务有限公司，陕西 西安 710086；3.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

传统的脱氮除磷技术由于工艺形式的限制，在处理低碳氮比污水时脱氮和除磷往往无法兼得[1].分段进水突破了传统AAO工艺的单点进水，具有有机物去除率高、污泥浓度较高等优点[2-3].国内外有很多学者从工艺设计参数和运行影响因素[4-6]、模型模拟[7]、性能优化[8-11]等角度对分段进水进行了大量的研究.在此基础上，刘胜军[12]等人提出了MAAO( multilevel anaerobic/anoxic/oxic process)工艺.该工艺有着优化利用碳源、减少曝气能耗，降低污泥产率等优点，目前已经在西安市某污水处理厂投入使用.不过由于该工艺调节参数复杂，具体的运行机理尚不十分明确，因此本实验对该工艺的运行优化策略进行深入研究.本研究以实验室配水模拟的污水厂进水为处理对象，优化改良MAAO工艺的运行条件，研究该工艺的脱氮除磷性能和各污染物的去除机制.

1 材料与方法

1.1 实验装置和实验方案

MAAO系统由原水箱、反应器、终沉池三部分连接组成.原水箱容积75 L.MAAO系统由有机玻璃构成，有效容积14 L，共分为4级，每一级由厌氧、缺氧、好氧3个区域组成，厌氧/缺氧/好氧体积比为1∶2∶4，从第一级到第四级共分为12个区域.二沉池为竖流式，总体积为9 L.系统通过反应器好氧区底部安装的砂芯曝气头进行鼓风曝气，通过调整玻璃转子流量计来调整曝气量.各池顶部设有恒速搅拌装置.搅拌电机为24 V直流电机，转速为200 rpm.进水和分流通过小型蠕动泵控制，污泥回流由蠕动泵控制.

如图1所示，系统共有4级进水，3级分流，进水比为本级进水量与整个系统的总进水量之比，分流比为去往下一级厌氧池的污泥量与本级缺氧池总流出污泥量之比.

图.1 MAAO工艺原理(A、A′、O分别为厌氧区、缺氧区、好氧区)Fig.1 Schematic diagram of MAAO step feed process(A、A′、O means anaerobic zone, anoxic zone, aerbic zone)

1.2 接种污泥与实验用水

用于MAAO反应器接种的活性污泥取自西安市某处理厂二期工程(MAAO工艺)的第四级好氧区污泥进行自然驯化.污水处理厂长期运行稳定，进水为城市生活污水，出水水质长期达到一级A标准.驯化三周后反应器二沉池出水悬浮物(SS)小于20 mg·L-1，系统达到稳定.实验使用人工配水模拟生活污水，总体上保持进水基质浓度为定值，配水使用无水乙酸钠和葡萄糖按照提供COD 1∶1的比例做为碳源，以氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，具体配水水质为见表1.每升配水中添加0.4 mL微量元素[13].

1.3 分析项目与方法

1.4 实验条件与运行方案

MAAO系统在室温(19～22 ℃)条件下运行.整个实验期间总进水流量为28.8 L·d-1，污泥龄控制为10 ～12 d，污泥回流比为100%，混合液回流比为75%.具体运行条件见表2.厌氧、缺氧段DO控制在0～0.35 mg·L-1，好氧区DO维持在0.5～1.2 mg·L-1.

表1 原水水质

1.5 系统SND脱氮计算方法

系统通过SND(Simultaneous nitrification and denitrification)途径去除的氮量和SND率可以通过公式(1)～(4)计算.

NSND=Nin-Nde-Nass-Neff

(1)

Nde=Ndn1+Ndn2+Ndn3+Ndn4+Nsec

(2)

Nass=MLSSwaste×fVSS/SS×Vwaste×fN/bio

(3)

(4)

式中：NSND、Nde、和Nass分别为系统每天通过同步硝化反硝化、反硝化过程和同化作用去除的氮量，g·d-1；Nin和Neff为每天进入和排出系统的氮量，g·d-1；Ndn1、Ndn2、Ndn3、Ndn4、Nsec分别为各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量，g·d-1；MLSSwaste为剩余污泥浓度，g·L-1；fVSS/SS为挥发性污泥浓度与MLVSS与MLSS的比值；Vwaste是每天的剩余污泥排放量，L；fN/bio为活性污泥中氮的含量，取12.39%[11].

表2 实验运行工况及运行参数

2 结果与讨论

2.1 MAAO系统脱氮特性

各种工况条件下进出水氮浓度和去除率见图2.5种工况下的平均出水氨氮浓度分别为4.41 mg·L-1、0.45 mg·L-1、9.65 mg·L-1、8.03 mg·L-1、0.74 mg·L-1，去除率分别为91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%.其中工况一、工况二和工况五的出水氨氮较低，符合国家一级A标准，而工况二和工况五的氨氮去除率最高，出水氨氮量接近于零，硝化反应彻底.对比表2可以看出，从工况五到工况二，总好氧区HRT变化为从125 ～113 min，实际出水氨氮浓度相差不大，系统可以实现对氨氮的高效去除，说明工况五浪费了一定的剩余硝化容量.而工况三和工况四的总好氧区HRT则下降至101 min，由于水力停留时间的限制，使得好氧区微生物没有足够的时间对进水中的氨氮进行完全的氨化作用，导致出水氨氮浓度较高.

图3为沿程各种存在形式的氮在工艺中的沿程浓度变化，表3为五种工况下的氮元素物料衡算结果.工况三和工况四的第一级和最后一级进水量均为25%，从图3(c)～(d)可以看出，最后一级的好氧区无法氧化较多的氨氮，导致出水氨氮含量较高，而硝氮含量比起其他工况则没有很大的变化，所以出水总氮含量偏高是由于系统最后一级硝化能力不足引起的.同时工况三的总氮去除率也明显高于工况四，这说明在第一级的分流比增大时，对于MAAO系统的总体脱氮是有负面影响的.当第一级进水量上升为30%，第四级进水量下降为20%(工况一)时，分流比相对于工况三和工况四也提高了，此时，系统硝化效果和总氮去除性能均得到加强，出水氨氮和总氮分别为4.41 mg·L-1和11.87 mg·L-1.继续提高首段进水比例到35%，末端降至15%(工况二).此时，好氧HRT和缺氧HRT都有较大提升，硝化能力和反硝化能力继续上升，总氮去除率达到84.2%.然而当首段进水比例过高(50%)，即在工况五时，虽然总好氧HRT极大增加，但是从图3(e)可以看出，第四级出水中的氨氮含量接近于零，系统浪费了一定的硝化余量，同时由于第一级厌氧池和缺氧池并不能完全消耗掉50%进水中的COD，进水碳源也没有被有效利用，所以，虽然从氮的去除角度来说，该工况处于最佳工况，但是会有大量的COD没有被有效利用，对系统的其他功能有严重影响.对于多段进水工艺来说，在其他运行条件不变的情况下，各段的进水量比例和缺氧池分流比例将直接影响系统的脱氮除磷效率[7,15].

图2 5种工况下的氮元素变化趋势Fig.2 Variation profiles of netrogen element with five conditions

表3 五种工况下的氮元素物料衡算结果

从图3中可以看出，MAAO系统中除了传统的硝化反硝化过程和微生物的同化作用脱氮以外，在好氧区存在明显的总氮损失,好氧区氨氮的氧化量远远大于硝氮的产生量，因此MAAO系统存在一定的同步硝化反硝化现象.如表3所示，系统通过传统的硝化反硝化过程去除的氮量在21%～39%，5种工况条件下的SND作用去除的氮含量占进水总氮比例依次为28%、25%、10%、7%、29%.即在各个工况下，系统均出现明显的SND现象，而且在SND效率较高时，系统的总氮去除量也较高，可见SND在一定程度上有利于总氮的去除.同时本研究发现，同化作用在MAAO系统中占比也较大，分别为27%、30%、28%、32%、18%.

目前对SND理论有宏观缺氧理论、微观缺氧理论和生物学理论.而本研究中出现SND现象的原因可能有以下2点：(1)由于好氧池物理外形为长条形，在单点曝气的情况下，存在曝气不均匀现象，这会在一定的程度上使得好氧池存在局部区域DO较低甚至处于缺氧状态，而且还会导致污泥絮体内部出现DO的梯度变化，由外到内DO浓度依次减少，絮体内部可能会处于缺氧环境；(2)系统中可能存在好氧反硝化细菌，这会导致好氧池同步硝化反硝化现象的发生[16].

图3 各工况下沿程变化规律 concentration in different levelunder different operational conditions

2.2 MAAO系统除磷特性

图4为系统进出水TP浓度和TP去除率变化情况.5个工况下的平均出水TP浓度分别为0.39 mg·L-1、0.15 mg·L-1、2.49 mg·L-1、2.13 mg·L-1、1.09 mg·L-1，平均去除率分别为91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%.

图5为不同工况下TP沿程变化和各池净去除量，从中可以看出，第一级厌氧池的TP释磷量从工况一到工况五并无明显变化，这是因为第一级厌氧池承接了来自二沉池的回流污泥导致HRT太小.第一级厌氧池的厌氧HRT分别是19.08 min，18.52 min，20.00 min，20.00 min，16.67 min，而厌氧释磷量较高的厌氧池，其HRT都在25 min以上，所以第一级厌氧池的释磷效率低是由回流污泥量过大，HRT不足引起的.

图4 5种工况下TP变化趋势Fig.4 Variation profiles of TP with five conditions

图5 5种工况下TP沿程变化和各池净去除量Fig.5 Change along the way of TP and net removal with five conditions

工况三和工况四的第四级厌氧池的TP量较高，从图5(a)可以看出，工况三和工况四的第四级厌氧池释磷量没有很大提升，所以第四级厌氧池TP升高是由厌氧池进水TP太多引起的，有大量的TP没有经过处理就直接排出，导致工况三和工况四出水远远不达标.而工况五在系统前端进入较多原水，第四级只有7%的进水.通过图5(b)可以看出，工况五的第四级厌氧池有很多的释磷潜力没有发挥，所以它的释磷效率低于工况一和工况二.对于活性污泥法除磷工艺来说如果厌氧时无法完成大量释磷，那么在后续的工艺处理中，即使在非常符合好氧吸磷的环境下，也是无法完成聚磷菌好氧大量吸磷的[17].在图5(b)中，我们设定厌氧池TP上升取正值，缺氧池TP浓度上升取负值，下降取正值，好氧池TP下降为负值.大多缺氧池都发生了TP下降，这说明MAAO系统中发生了反硝化除磷.

3 结论

(1)当MAAO脱氮效率优先时，可以采用前端进水，同时减少分流量的策略，增加好氧和缺氧HRT，整个系统偏向多段AO工艺，此时的脱氮效率较高.但是从TP的去除来说，第一级进水量不能太高，进水最好分配在第二级和第三极.所以本工艺在参数设定上无法同时达到TN和TP的理论最高去除效率.因此，对于一个固定水质的系统，需要根据进水水质有所选择.

(2)交替运行的缺氧好氧运行方式和进水流量的合理分配对于硝化反应的顺利进行和总氮的高效去除有着非常重要的作用，MAAO工艺中除了通过好氧硝化、缺氧反硝化之外，同步硝化反硝化和污泥的同化作用也对氮元素的去除贡献了非常大的作用，使得系统能够进行深度脱氮.

(3)MAAO工艺除了通过传统的厌氧释磷、好氧吸磷来完成除磷之外，还在各个缺氧区通过反硝化除磷去除了一部分的TP.