不同运行条件下改进型A2 /O 工艺脱氮除磷性能研究

杨嗣靖, 许传音, 张先舟

(沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司, 辽宁 沈阳 110021)

自然界水体中的氮元素大都以有机氮和氨氮形式存在,仅有少部分以硝态氮的形式存在[1-2]。 城市生活污水中的氮、磷易超标[3],通过对生物脱氮除磷机理进行不断研究,学者们提出了多种同步脱氮除磷工艺[4],目前,国内常用的生物脱氮除磷工艺有氧化沟工艺、SBR 工艺、A2/O 工艺等[5-7],A2/O工艺因其工艺流程简单、不易产生污泥膨胀、运行费用低、剩余污泥可回收利用等特点而广泛应用[8]。

国内学者研究了倒置A2/O 工艺的混合液回流比,当混合液回流比为200%时效果最好[9]。 郝凯越等[10]研究发现,传统A2/O 工艺的最佳运行条件为温度10℃、溶解氧4.5 mg/L、水力停留时间26.25 h。 赵珂瑶等[11]对倒置A2O-MBR 系统的进水进行研究,发现当进水分配比为6 ∶4 时,系统的处理效果最佳。 以上研究数据多基于传统A2/O 工艺,或者着重从单因素角度出发探究外部环境对工艺的影响效果。 为提高传统A2/O 工艺的去除效果及稳定性,笔者对传统A2/O 工艺进行改进,并调整反应器的多种运行条件,探究改进工艺的最佳处理工况及效果。

2 试验部分

2.1 试验用水与接种污泥

自制试验用水,NH4Cl、淀粉、KH2PO4浓度不固定,CaCl2·2H2O 浓度为200 mg/L,MgSO4·7H2O浓度为30 mg/L。 试验用污泥为沈阳市某污水处理厂二次沉淀池的剩余污泥,污泥结构松散,呈深褐色,MLSS 为0.325 g/L,含水率大于99%,SVI 值为110 mL/g,比重为1.004。 经过15 d 的污泥培养驯化,将其均匀分配至3 个反应器内进行试验。 试验用水水质见表1。

表1 试验用水水质Tab.1 Water quality of test water

2.2 试验装置

试验所采用的装置为A2/O 与MBR 组合,试验装置示意图见图1,在组合工艺基础上将缺氧反应器前置,同时将进水按一定比例同时注入缺氧反应器与厌氧反应器。 改进装置主体为有机玻璃,整体尺寸为长×宽×高=790 mm×230 mm×500 mm。 实验装置包含缺氧反应器、厌氧反应器、好氧反应器,3个反应器的体积比为1 ∶1 ∶2,有效容积分别为10、10、20 L。 缺氧反应器通过底部连通孔与厌氧反应器联通,厌氧反应器末端设置溢流孔,保证出水顺利流入好氧反应器内。 缺氧反应器与厌氧反应器内设置机械搅拌器,保证活性污泥与原水充分混合,好氧反应器底部设置曝气孔口,通过空气压缩机和气体流量计进行曝气,提供试验所需的溶解氧浓度,同时可保证好氧反应器内活性污泥与原水充分混合。 通过蠕动泵实现进水、混合液回流、污泥回流,出水通过好氧池内的膜组件并辅以蠕动泵实现。

图1 改进型A2/O-MBR 装置示意Fig.1 Schematic diagram of improved A2/O-MBR device

2.3 试验方法

采用动态装置进行单因素试验。 保证试验装置的其他运行参数在同一条件下,逐一将消化液回流比、进水分配比、好氧反应器内的DO 控制在不同的工况条件下,每天对进出水水质进行检测分析。

2.4 分析方法

3 结果与分析

3.1 消化液回流比对改进型A2/O 工艺脱氮除磷效果的影响

保持反应器进水流量为3.0 L/h,原水进水分配比为6 ∶4,HRT 为12 h,进水pH 为7.3 ～8.1,污泥回流比为50%,DO 浓度为2 mg/L 左右,温度为20 ～30℃。 分别将消化液回流比控制在150%、200%和250%。 每天定时对反应器进出水进行检测,不同工况条件下的脱氮除磷效果见图2。

图2 硝化液回流比对脱氮除磷效果的影响Fig.2 Effect of nitrification liquid reflux ratio on nitrogen and phosphorus removal

由图2 可知,不同的消化液回流比,脱氮除磷效果出现大幅度的波动。 当消化液回流比分别为150%、200%和250%时,出水TN 平均质量浓度分别为15.36、9.48 和10.85 mg/L,出水TP 平均质量浓度分别为0.68、0.42 和0.54 mg/L。 对比脱氮除磷效果发现,消化液回流比为200%时的处理效果最好。 消化液回流比为150%时,由于硝化液回流比较低,好氧反应器内的-N 并未充分回流至缺氧反应器,使得反硝化不充分,造成出水TN 偏高,同时由于消化液回流比较低,使得好氧反应器内仍有较多的-N,剩余的-N 随着污泥回流进入到厌氧池后,与聚磷菌争夺有机物,影响聚磷菌厌氧释磷,间接影响好氧反应器内好氧吸磷的进行。LEE 等[12]通过研究发现,若回流污泥中存在大量的硝酸盐,进入厌氧环境后会使反硝化细菌以更快的速度摄取环境中的有机物,间接影响聚磷菌对有机物的摄取。 当提升消化液回流比至200%时,由于回流中的-N 含量增多,使得-N 得到有效去除,减轻了-N 对聚磷菌的抑制,从而使除磷效果也得到了明显提升。 当进一步提高回流比至250%时,由于消化液回流携带了较高的溶解氧,使缺氧环境和厌氧环境遭到冲击,反硝化脱氮和厌氧释磷进行的不充分,进而使反应器脱氮除磷的效果变差。 综合脱氮除磷效果,认为改进型A2/O 工艺将硝化液回流比控制在200%较为合理。

3.2 进水分配比对改进型A2/O 工艺脱氮除磷效果的影响

保持反应器进水流量为3.0 L/h,混合液回流比为200%,HRT 为12 h、进水pH 为7.3～8.1、污泥回流比为50%,DO 质量浓度为2 mg/L 左右,温度控为20～30℃。 缺氧反应器和厌氧反应器的进水流量比分别以6 ∶4、5 ∶5 和4 ∶6。 每天定时对反应器进出水进行检测,不同工况条件下的脱氮除磷效果见图3。 由图3 可知,不同的进水分配比条件下,反应器出水水质有着明显的差异性。 当进水分配比分别为6 ∶4、5 ∶5 和4 ∶6 时,出水TN 平均质量浓度分别为8.92、10.30 和13.18 mg/L,出水TP 平均质量浓度分别为0.43、0.40 和0.63 mg/L。 对比3种工况下的脱氮除磷效果可以看出,当进水分配比为6 ∶4 时的脱氮除磷效果较为理想。 进水分配比5 ∶5 与6 ∶4 相比,在除磷效果方面略有提升,而脱氮效果降低更明显,这是因为随着厌氧池进水比例的增加,厌氧反应器可利用的有机物变多,有利于聚磷菌进行厌氧释磷,但这也一定程度上减少了缺氧反应器中有机物的含量,削弱了反硝化反应的进行。 随着缺氧反应器与厌氧反应器进水分配比例的进一步降低达到4 ∶6,脱氮效果进一步下降,未进行反硝化反应的-N 进入厌氧反应器内,影响厌氧释磷的进行,此工况下脱氮除磷的效果均出现变差的趋势。 综合脱氮除磷效果,当进水分配比控制为6 ∶4 时,改进型A2/O 工艺运行效果较为理想。

图3 进水分配比对脱氮除磷效果的影响Fig.3 Effect of influent water distribution ratio on nitrogen and phosphorus removal

3.3 DO 对改进型A2/O 工艺脱氮除磷效果的影响

保持反应器进水流量为3.0 L/h,混合液回流比为200%,HRT 为12 h、进水pH 为7.3～8.1、进水分配比为6 ∶4,污泥回流比为50%,温度为20 ～30℃。 通过调节气体流量计,分别将好氧反应器内的DO 控制在1.4～1.6、1.9～2.0 和2.4～2.5 mg/L。每天定时对反应器进出水进行检测,不同工况条件下的脱氮除磷效果见图4。

图4 DO 对脱氮除磷效果的影响Fig.4 Effect of DO on nitrogen and phosphorus removal

由图4 可知,好氧反应器控制不同的DO 浓度时,反应器出水水质波动较大。 DO 浓度分别为1.4～1.6、1.9～2.0 和2.4 ～2.5 mg/L 时, TN 平均质量浓度分别为13.25、8.43 和9.89 mg/L,出水TP 平均质量浓度分别为0.68、0.48 和0.61 mg/L。 对比三种工况下的脱氮除磷效果可以看出,DO 浓度为1.9～2.0 mg/L 时,反应器TN 和TP 的出水平均质量浓度才能够同时达到一级A 的排放标准。 DO 浓度为1.4 ～1.6 mg/L 时,反应器的脱氮除磷效果最差,这是由于好氧池内溶解氧不足,处于低溶解氧状态,这使得硝化细菌的硝化反应和聚磷菌的好氧反应进行的不够充分,从而影响了处理效果。 当好氧反应器的DO 提升至1.9～2.0 mg/L 后,好氧反应器内的硝化反应及好氧吸磷进行的较为充分,使得出水水质得到明显提升。 将好氧反应器的DO 进一步提升至2.4 ～2.5 mg/L 后,脱氮除磷的效果反而出现下降,这是由于消化液回流中携带了一定量的溶解氧,其破坏了缺氧反应器的缺氧环境,抑制了反硝化的进行。 未经处理的-N 再次流入厌氧反应器内,进一步削弱了聚磷菌的吸磷效果。 综合脱氮除磷效果,将DO 控制在1.9 ～2.0 mg/L 时,改进型A2/O 工艺运行效果较为理想。

4 结论

① 硝化液回流比对改进型A2/O 工艺的脱氮效果有直接影响,间接影响着除磷效果。 最佳消化液回流比为200%,此工况下TN 和TP 出水平均质量浓度分别9.48 和0.42 mg/L,去除率分别为76.50%和89.31%。

② 进水分配比直接影响着改进型A2/O 工艺的脱氮除磷效果。 缺氧反应器与厌氧反应器的最佳进水分配比为6 ∶4,此工况下TN 和TP 出水平均质量浓度分别8.92 和0.43 mg/L,去除率分别为79.65%和90.06%。

③ DO 直接影响着改进型A2/O 工艺硝化反应以及好氧吸磷的进行。 好氧反应器的最佳DO 为1.9～2.0 mg/L。 此工况下TN 和TP 出水平均质量浓度分别8.43 和0.48 mg/L, 去除率分别为79.88%和87.93%。