A_2N连续流双泥系统反硝化除磷脱氮试验研究

第 36 卷　第 8 期 2 0 0 4 年 8 月 　 哈 　尔 　滨 　工 　业 　大 　学 　学 　报 JOURNAL OF HARB IN INSTITU TE OF TECHNOLO GY 　 Vol136 No18Aug , 2004 　　　　　　 A2N 连续流双泥系统反硝化除磷脱氮试验研究 王亚宜1 , 彭永臻1 ,2 , 李探微3 , 王淑莹2 , 李勇智1 (1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150090 , E2mail :yayiwang @163. com ; 2. 北京工业大学 环境与能源学院 , 北京 100022 ; 3. 同济大学 环境科学与工程学院 , 上海 200092) 摘 　要 : 研究了基于缺氧吸磷理论开发出的 A2N 反硝化除磷脱氮新工艺对生活污水氮、磷的去除 ,重点考察 了不同 COD/ TN、投碳方式及碳源对 DNPAOS 反硝化吸磷和脱氮的影响. 试验结果明 :当进水 COD/ TN 在 3194～7 变化时 ,反硝化除磷较好 ,除磷率稳定在 87103 %～ 92195 % ,脱氮率从 80199 %提高到了 92170 % ;而当 COD/ TN 达到 916 以后 ,系统脱氮效果稳定在 92 %以上 ,除磷率却降至 74 %以下 , TP 去除量 中反硝化吸磷比率下降 ,好氧吸磷比率升高 ;将外碳源投加在缺氧段 ,只能优先支持反硝化脱氮反应 ,而对缺 氧吸磷有抑制作用. 因此 ,理想的反硝化除磷环境为外碳源 (电子供体)和 NO3 - (电子受体) 不能同时存在于 一个体系中. A2N 双泥系统的建立有利于除磷、脱氮的稳定和高效. 关键词 : 反硝化聚磷菌 ;反硝化除磷脱氮 ;A2N 双泥系统 ;COD/ TN 中图分类号 : X703 文献标识码 : A 文章编号 : 0367 - 6234 (2004) 08 - 1046 - 04 Denitrifying dephosphorus removal in A2 N t wo2sludge process WAN G Ya2yi1 , PEN G Yong2zhen1 ,2 , L I Tan2wei3 ,WAN G Shu2ying2 , L I Yong2zhi1 (1. School of Municipal and Environmental Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090 , China , E2mail :yayi2 wang @163. com ; 2. School of Environment and Energy Engineering ,Beijing Polytechnic University , Beijing 100022 , China ;3 School of Environmental Engineering , Tongji University ,Shanghai 200092 , China) Abstract : Investigating the nitrogen and phosphorus removal situation of domestic sewage using the A2N process which was based on the theory of denitrifying phosphorus removal. The experiment put great emphasis on the effect of different carbon loadings , carbon sources and filing carbon modes on the denitrifying dephosphorus efficiency. The experiment result showed : when COD/ TN fluctuated from 3194 to 7 , the denitrifying dephosphorus removal was effective. The total phosphorus removal efficiency changed between 87103 and 92195 % ,simultaneously nitrogen re2 moval efficiency improved from 80199 %to 92170 %. However , when COD/ TN was higher than 916 ,the nitrogen removal efficiency was higher than 92 % ,but the total phosphorus removal efficiency declined(74 %) ,anoxic dephos2 phorus ratio was reduced and the aeration dephosphorus ratio rose of overall TP removal quantity. Putting the carbon source in the anoxic reactor was in favor of denitrifying but did harm to anoxic dephosphorus. Simultaneous presence of carbon and nitrate would be detrimental to phosphorus removal. The two - sludge system was benefitial to im2 proveing the system’s efficiency and stability. Key words : denit rifying phosphate - accumulating organisms ; denit rifying dephosphorus removal ; A2N two - sludge system ; COD/ TN 收稿日期 : 2003 - 05 - 09. 基金项目 : 国家高技术研究发展资助项目 (2003AA601010) ; 国家自然科学基金重点资助项目 (50138010) . 作者简介 : 王亚宜 (1977 - ) ,女 ,博士 ; 彭永臻 (1949 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师. 　　目前我国几乎所有污水处理厂脱氮和除磷效 果不能同时达到最佳状态 ,其原因主要为 : ①污 水 COD/ TN 比值较低 ,碳源缺乏成为反硝化和除 磷的限制性因素 ; ②硝化菌、反硝化菌和聚磷菌 微生物生理习性及要求的环境条件各不相同 ,污 水厂采用的多为单污泥系统 ,微生物呈悬浮混合 生长 ,无法保证它们能同时在各自最佳的环境中 生长. 最终导致了氮和磷的去除成为对立矛盾. 反 硝化吸磷理论为解决这一问题提供了新思路. 20 世纪 90 年代初 ,国外就有反硝化除磷的相关报 导[1～3 ] .本试验研究的 A2N (厌氧/ 缺氧和硝化) 双泥系统是基于反硝化除磷技术开发出的连续流 除磷脱氮新工艺 ,它冲破了原有聚磷菌只能以氧 作为电子受体的束缚 ,又建立了“双泥系统”的运 行模式 ,有效解决了除磷和脱氮的矛盾 ,保证了出 水较低的氮磷质量浓度 ,抑制富营养现象的发生. 1 　A2N 工艺 试验采用生物膜法和活性污泥法相结合的双 泥系统 ,原水先进入厌氧池 ,反硝化聚磷菌在此吸 收大量的有机底物并以 PHB 的形式贮存在胞内 , 同时释放出大量的磷. 随后泥水混合液经中沉池 快速分离后 ,富含氨氮和磷的上清液流向好氧生 物膜硝化池 ,进行硝化反应 ,同时也将剩余有机物 好氧降解完全. 而沉淀下来的聚磷污泥超越了生 物膜法硝化池直接进入缺氧池 , 污泥中的 DNPAOs 以体内的 PHB 为电子供体 ,以硝化池提 供的 NO3 - 作为电子受体 ,完成反硝化脱氮和过 量吸磷作用. 后置快速曝气池的设计主要是用于 吸收剩余的磷 :缺氧池中 ,聚磷菌以硝态氮作为第 一电子受体对磷的吸收如果不完全 ,在后置快速 曝气池中它们就以氧作为第二电子受体将余磷吸 收尽. 此外 ,在快速后曝气池中聚磷菌体内的 PHB 能够被氧化完全 ,从而可实现自身的再生恢 复作用. 随着污泥在厌氧、缺氧池的交替循环运 行 ,DNPAOs 微生物可形成稳定的优势菌属. 2 　试验材料与方法 211 　试验装置 A2N 系统试验装置用有机玻璃制成 ,由分建 式厌氧 —生物膜好氧 —缺氧 —快置曝气反应器和 两个竖流式沉淀池组成 ,厌氧、生物膜好氧、缺氧 池及后置曝气池的容积分别为 6 L 、13 L 、10 L 和 2 L ;中沉池和终沉池总容积分别为 712 L 和 419 L (包括泥斗) . 生物膜硝化池采用的是新型进口 填料 ———碳纤维. 厌氧和缺氧池内安装搅拌器 ,进 水、超越污泥和污泥回流流量分别用 3 台蠕动泵 控制. 系统中聚磷污泥的 SRT 为 12～14 d (不考 虑硝化池生物膜的 SRT) . 生物膜硝化池的 DO 质 量浓度设定值为 3～4 mg/ L ,后曝气池的 DO 质 量浓度设定在 2 mg/ L 左右. 212 　污水水质和试验 试验采用某高校生活区排放的污水 ,根据要 求加适量的自来水稀释或者其他碳源来达到不同 的 COD 值或要求的 COD/ TN ;同时投加 NaHCO3 来控制进水 p H 在 618～8 ,水质情况见表 1. 接种污泥为北京高碑店污水厂除磷工艺中的 活性污泥 ,自 2002 年 8 月上旬起以生活污水进行 连续培养. 进水流量为 4312～48 L/ d ,超越污泥 和回流污泥流量为 1219～1414 L/ d ,11 月初系统 反硝化除磷效果稳态 ,说明系统中 NDPAOs 微生 物驯化成熟 ,开始跟踪测定. 试验方案见表 2. 表 1 　进水水质特性 项目 ρ (CODcr) / (mg·L - 1) ρ(BOD5) / (mg·L - 1) ρ (NH +4 - N) / (mg·L - 1) ρ (NO3 - - N) / (mg·L - 1) ρ ( TN) / (mg·L - 1) ρ ( TP) / (mg·L - 1) p H 碱度 最小/ 最大值 201～537 200～430 4215～62. 0 0156～2136 44～71 3178～9123 6184～7145 340～400 平均值 349 230 5112 1108 56 6107 7121 360 表 2 　A2N 工艺运行方案及相关参数 (平均值) 运行周期 投加有机物 ρ进水(COD) / (mg·L - 1) 有机负荷 / (kg·m - 3·d - 1) COD/ TN TN/ TP Ⅰ阶段 (60～88 d) 原生活污水 (不投碳) 237 01479 3194 10154 Ⅱ阶段 (89～140 d) 进水投加葡萄糖 371 01704 6149 9194 Ⅲ阶段 (141～156 d) 缺氧池投加葡萄糖 251 01506 4158 9154 Ⅳ阶段 (157～186 d) 进水投加乙酸钠 385 01777 7102 8107 Ⅴ阶段 (197～206 d) 增大进水葡萄糖投加量 504 11018 9164 8128 213 　检测方法 CODcr 重铬酸钾法 ;氨氮 :钠氏试剂分光光 度法 ;硝态氮 :麝香草酚分光光度法 ; TN :过硫酸 钾氧化 - 紫外分光光度法 ; TP :氯化亚锡还原光 度法 ; 溶解性磷酸盐 : 氯化亚锡还原光度法 ; ML SS :滤纸称重法 ;DO、温度 : WTW DO 测定仪 及探头 ;p H 和 ORP 都为 WTW level 2 型. 3 　结果与讨论 在系统运行过程中 , 厌氧池和缺氧池的 ML SS 维持在 4 000～4 700 mg/ L , TN 和 TP 的 平均负荷分别为 01115 kg/ ( m3·d) 和 01012 kg/ ·7401·第 8 期 王亚宜 , 等 :A2N 连续流双泥系统反硝化除磷脱氮试验研究 (m3·d) ,COD 负荷在各阶段的变化见表 2. 311 　COD 的去除 图 1 给出了 I～V 阶段各反应器中 COD 的质 量浓度变化. 从图中可以看出 ,虽然进水 COD 波 动幅度较大 ,有机负荷从初期 01479 kg/ ( m3·d) 增大到了后期的 11018 kg/ ( m3·d) ,但是系统对COD 的去除一直很稳定. 出水 COD 质量浓度为715～3716 mg/ L ,平均为 26 mg/ L ; COD 去除率为 8517 %～9717 % ,平均已达到 94 %以上. 图 1 　A2N 系统对 COD 的去除 312 　氮磷的去除 图 2、3 分别为 I～V 阶段系统氮、磷的去除 及在各反应池的变化情况. 31211 　COD/ TN 对反硝化吸磷脱氮的影响 反硝化吸磷需要以硝态氮作为电子受体 ,以 有机物作用电子供体 ,所以 ,COD/ TN 对 A2N 工 艺的脱氮除磷效果有重要影响. I 阶段 ( COD/ TN = 3194) :从图 3 中可以看 出 , Ⅰ阶段的除磷效果较好 , 平均去除率为 92187 % ,出水 TP 平均值为 0141 mg/ L ,已达到 国家一级综合排放标准. 在常规工艺 (A2/ O 、A/ O 和 UCT)中 ,当 COD/ TN 低于 7～9 时 ,会因碳源 缺乏使生物除磷法无法发挥除磷作用[5 ] . 但 A2N 工艺因以缺氧吸磷理论为基础 ,系统内反硝化聚 磷菌以 NO3 - 作为吸磷和降解 PHB 过程中的电 子受体 ,避免了常规工艺中反硝化菌和聚磷菌对 有机碳源的竞争 ,因此 ,出水 NO3 - 质量浓度较常 规工艺低 ;同时 ,A2N 回流比通常比传统工艺小 得多 ,本实验中回流比仅为 34 % ,大大减小了回 流污泥中 NO3 - 进入厌氧池的含量. 这些因素有 助于降低 NO3 - 对聚磷菌放磷的不利影响 ,增强 系统对反硝化聚磷菌的选择能力 , 故当进水 COD/ TN 比值仅为 3194 时 ,也可保证除磷系统 的高效. 低 COD/ TN 对系统脱氮率影响较大 , I 阶段 TN 去除率为 80199 % ,出水总氮平均值为 11147mg/L ,且 80 %是以 NO3 - - N 形式存在 , N H3 - - N 含量较低. I 阶段脱氮不完全是 C/ N 过低引起的 : I 阶段进水 COD 较低 ,厌氧段合成 的 PHB 量相对较少 ,而硝化池提供的 NO3 - - N 质量浓度高达 36 mg/ L ,电子供体 ( PHB) 相对于 电子受体 (NO3 - - N) 缺乏 ,导致缺氧段 NO3 - - N 有剩余. I 阶段出水 NO3 - - N 含量较其余阶段 高 ,主要原因是该阶段进水有机物较少 ,尤其到了 后曝气段有机物含量更低 ,加之系统聚磷菌的 SRT 较长 ,较利于提高悬浮污泥系统硝化菌比 例 ,故后曝气池的硝化能力较好 ,基本上能将超越 污泥带入缺氧池的 N H3 - - N 完全硝化. 　　Ⅱ阶段 ( COD/ TN = 6149) : Ⅰ阶段的脱氮效 果不是很理想 ,所以 , Ⅱ阶段在进水中投加碳源葡 萄糖 ,将 COD 值提高到 371 mg/ L 左右 , COD/ TN 提高到 6149. 由于首段厌氧段的有机负荷提 高 ,聚磷菌合成的 PHB 量充足 ,释放出的磷较 I 阶段有所增加 (33183 mg/ L ) ,同时 ,后续缺氧段 的吸磷率也随之增大 ,缺氧段 TP 质量浓度降至 2153 mg/ L ,NO3 - - N 质量浓度降为 0112 mg/ L ,最后出水 TP 质量浓度为 0112 mg/ L , TN 质量 浓度为 4118 mg/ L ,且大部分是以 N H3 - - N 形 式存在. 可见提高了 COD/ TN ,系统对氮、磷的去 除效果随之提高 ,已分别达到 9217 %和 97195 %. Ⅴ阶段 (COD/ TN = 9164) :继续增大葡萄糖 投加量 ,使进水 COD 增大到 500 mg/ L 以上 ,有 机负荷提高到 11018 kg/ ( m3·d) 左右 , COD/ TN 提高到 9164 ,此时除氮率为 92199 % ,出水的硝态 氮很低 (仅为 0113 mg/ L) . 进水 COD 的升高反而 造成了缺氧吸磷效果的变差 ,缺氧池 TP 质量浓 度明显高于其他阶段 (平均值为 13124 mg/ L) ,出 水 TP 为 1169 mg/ L , TP 去除率平均值为 80122 % ,较其他各阶段低 ,出现这种结果的原因 ·8401· 哈 　尔 　滨 　工 　业 　大 　学 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　第 36 卷 　 有两个 : ①系统提供的电子受体量有限 ,无法满 足完全反硝化吸磷的需用 ; ②进水 COD 质量浓 度高 ,被污泥表面吸附的有机物质多 ,当污泥进入 缺氧段后 ,表面吸附的外碳源抢先利用硝态氮实 现反硝化作用 ,限制了硝态氮用于吸磷的量 ,故该 阶段的缺氧吸磷不完全. ,V 阶段相当一部分磷是 通过后曝气池好氧吸收去除的 ,因此 ,处理高 COD/ TN 比污水 ,设置后快速曝气池是很必要 的 ,它可避免氮源不足引起的吸磷不完全. 从另一 个角度 ,类似于 V 阶段高 COD/ TN 比的除 磷运行模式 ,将可能导致聚磷污泥中反硝化聚磷 菌比例的减少 ,而好氧吸磷聚磷菌比例增高. 31212 　不同投碳方式对反硝化除磷脱氮的影响 在完成上述 Ⅱ阶段进水中投加碳源来提高脱 氮效果的研究外 ,又尝试改变投加碳源方式 ,通过 在缺氧池投加有机物的方法来提高系统的脱氮除 磷效果. III 阶段用蠕动泵控制流量在缺氧池加入 相当于 100 mg/ L COD 的葡萄糖溶液. 出水 NO3 - - N 质量浓度较 I 和 II 阶段有所下降 ,但 是缺氧池反硝化除磷效果较 I 阶段反而变差 (缺 氧池 TP 质量浓度为 7198 mg/ L) ,这说明将碳源 投加在缺氧段可能对反硝化除磷产生了负面作 用. 这是因为在缺氧段外加碳源 ,会优先支持反硝 化 ,减少了缺氧吸磷所需的硝酸盐量 ,反硝化除磷 受到了抑制 ,所以 ,系统脱氮效果升高 ,而缺氧吸 磷效果反而下降. 31213 　碳源种类对反硝化除磷脱氮的影响 II和 III 阶段都以葡萄糖作为有机碳源 ,在 IV 阶段用乙酸钠代替葡萄糖投入进水中 ,研究葡 萄糖和乙酸钠两种碳源对系统脱氮除磷的影响. 大量资料表明 ,在厌氧段投加葡萄糖、乙酸钠等简 单有机物都易诱发磷的释放 ,但以乙酸类效果最 佳 ,消耗单位乙酸钠合成的 PHB 量大于单位葡萄 糖合成的 PHB 量 ,试验结果也验证了这一点. 当 在进水中投加乙酸钠将 COD 提高到 384 mg/ L 左右时 ,放磷效果明显好于 II 阶段 ,厌氧池释放 的 TP 质量浓度高达 40181 mg/ L ,但由于诱导出 的 TP 质量浓度过高 ,其体内有机物贮存量超过 了系统提高的 NO3 - 量 ,同时 ,后曝气池反应时间 又较短 ,不能将余磷吸收完全 ,所以 ,出水的 TP 质量浓度为 0159 mg/ L ,较 II 阶段偏高. 不同于 以好氧吸磷为基础的传统除磷工艺 ,只要进水 COD 充分 ,厌氧段放磷量高 ,后续好氧吸磷效果 就可得到保证 ; A2N 工艺以缺氧吸磷技术为基 础 ,在碳源充足的前提下除磷效果还受 NO3 - 电 子受体量的限制 ,即使碳源充足放磷充分 ,但如果 后续缺氧段 NO3 - 量缺乏 ,最终还是会导致除磷 效果的不彻底 , Ⅳ阶段符合这类情况. 313 　NDPAOs 污泥的沉降性 通过镜检观察到 NDPAOs 污泥絮体凝聚较好 且颗粒较大 ,具有良好的沉降性 ,在整个运行过程 中 NDPAOs 污泥的 SVI 值一直稳定在较低范围 内 ,维持在 72～126 mL/ g. 由于在 A2N 系统中 ,各 反应器有机物的梯度分布很明显 ,同时 NDPAOs悬 浮污泥呈厌氧/ 缺氧循环运行 ,这相当于前置有一 个厌氧生物选择器 ,有效抑制了污泥膨胀的发生 , 因此 ,即使在 I 阶段进水 COD 负荷较小时污泥沉 降性保持良好 ,没有出现污泥膨胀. 4 　结　论 1)反硝化聚磷菌 (NDPAOs) 可以 NO3 - 作为 电子受体进行反硝化脱氮和过量吸磷. 它们利用 厌氧段体内贮存的有机颗粒于缺氧环境进行反硝 化和吸磷 ,由于两个反应是同时发生的 ,避免了两 者就底物问题产生的竞争关系 ,使污水中的易降 解有机物最大程度地被用于反硝化和吸磷作用. 2) A2N 反硝化除磷系统适合于处理 COD/ TN 为 4～7 的生活污水 ,该比值较符合我国生活 污水 C/ N 比值. 3) 外碳源对反硝化有利 ,但是对缺氧吸磷无 益 ,要提高系统脱氮除磷效果 ,应将碳源投加在厌 氧段 (进水端)而不应投加在缺氧段 ,否则 ,将导致 系统除磷效果的下降. 4) A2N 反硝化脱氮除磷工艺为双泥系统 ,硝 化菌和聚磷菌在各自最佳的环境中生长 ,硝化反 应已不是工艺运行的限制性因素 ,更有利于除磷、 脱氮系统的稳定性和高效性 ,可控制性也高. 参考文献 : [ 1 ] BORTON E G , MARSIL I L S , TILCHE A , et al . 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