不同運行條件下改進型A2 /O 工藝脫氮除磷性能研究

楊嗣靖, 許傳音, 張先舟

(沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110021)

自然界水體中的氮元素大都以有機氮和氨氮形式存在,僅有少部分以硝態氮的形式存在[1-2]。 城市生活污水中的氮、磷易超標[3],通過對生物脫氮除磷機理進行不斷研究,學者們提出了多種同步脫氮除磷工藝[4],目前,國內常用的生物脫氮除磷工藝有氧化溝工藝、SBR 工藝、A2/O 工藝等[5-7],A2/O工藝因其工藝流程簡單、不易產生污泥膨脹、運行費用低、剩余污泥可回收利用等特點而廣泛應用[8]。

國內學者研究了倒置A2/O 工藝的混合液回流比,當混合液回流比為200%時效果最好[9]。 郝凱越等[10]研究發現,傳統A2/O 工藝的最佳運行條件為溫度10℃、溶解氧4.5 mg/L、水力停留時間26.25 h。 趙珂瑤等[11]對倒置A2O-MBR 系統的進水進行研究,發現當進水分配比為6 ∶4 時,系統的處理效果最佳。 以上研究數據多基于傳統A2/O 工藝,或者著重從單因素角度出發探究外部環境對工藝的影響效果。 為提高傳統A2/O 工藝的去除效果及穩定性,筆者對傳統A2/O 工藝進行改進,并調整反應器的多種運行條件,探究改進工藝的最佳處理工況及效果。

2 試驗部分

2.1 試驗用水與接種污泥

自制試驗用水,NH4Cl、淀粉、KH2PO4濃度不固定,CaCl2·2H2O 濃度為200 mg/L,MgSO4·7H2O濃度為30 mg/L。 試驗用污泥為沈陽市某污水處理廠二次沉淀池的剩余污泥,污泥結構松散,呈深褐色,MLSS 為0.325 g/L,含水率大于99%,SVI 值為110 mL/g,比重為1.004。 經過15 d 的污泥培養馴化,將其均勻分配至3 個反應器內進行試驗。 試驗用水水質見表1。

表1 試驗用水水質Tab.1 Water quality of test water

2.2 試驗裝置

試驗所采用的裝置為A2/O 與MBR 組合,試驗裝置示意圖見圖1,在組合工藝基礎上將缺氧反應器前置,同時將進水按一定比例同時注入缺氧反應器與厭氧反應器。 改進裝置主體為有機玻璃,整體尺寸為長×寬×高=790 mm×230 mm×500 mm。 實驗裝置包含缺氧反應器、厭氧反應器、好氧反應器,3個反應器的體積比為1 ∶1 ∶2,有效容積分別為10、10、20 L。 缺氧反應器通過底部連通孔與厭氧反應器聯通,厭氧反應器末端設置溢流孔,保證出水順利流入好氧反應器內。 缺氧反應器與厭氧反應器內設置機械攪拌器,保證活性污泥與原水充分混合,好氧反應器底部設置曝氣孔口,通過空氣壓縮機和氣體流量計進行曝氣,提供試驗所需的溶解氧濃度,同時可保證好氧反應器內活性污泥與原水充分混合。 通過蠕動泵實現進水、混合液回流、污泥回流,出水通過好氧池內的膜組件并輔以蠕動泵實現。

圖1 改進型A2/O-MBR 裝置示意Fig.1 Schematic diagram of improved A2/O-MBR device

2.3 試驗方法

采用動態裝置進行單因素試驗。 保證試驗裝置的其他運行參數在同一條件下,逐一將消化液回流比、進水分配比、好氧反應器內的DO 控制在不同的工況條件下,每天對進出水水質進行檢測分析。

2.4 分析方法

3 結果與分析

3.1 消化液回流比對改進型A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響

保持反應器進水流量為3.0 L/h,原水進水分配比為6 ∶4,HRT 為12 h,進水pH 為7.3 ～8.1,污泥回流比為50%,DO 濃度為2 mg/L 左右,溫度為20 ～30℃。 分別將消化液回流比控制在150%、200%和250%。 每天定時對反應器進出水進行檢測,不同工況條件下的脫氮除磷效果見圖2。

圖2 硝化液回流比對脫氮除磷效果的影響Fig.2 Effect of nitrification liquid reflux ratio on nitrogen and phosphorus removal

由圖2 可知,不同的消化液回流比,脫氮除磷效果出現大幅度的波動。 當消化液回流比分別為150%、200%和250%時,出水TN 平均質量濃度分別為15.36、9.48 和10.85 mg/L,出水TP 平均質量濃度分別為0.68、0.42 和0.54 mg/L。 對比脫氮除磷效果發現,消化液回流比為200%時的處理效果最好。 消化液回流比為150%時,由于硝化液回流比較低,好氧反應器內的-N 并未充分回流至缺氧反應器,使得反硝化不充分,造成出水TN 偏高,同時由于消化液回流比較低,使得好氧反應器內仍有較多的-N,剩余的-N 隨著污泥回流進入到厭氧池后,與聚磷菌爭奪有機物,影響聚磷菌厭氧釋磷,間接影響好氧反應器內好氧吸磷的進行。LEE 等[12]通過研究發現,若回流污泥中存在大量的硝酸鹽,進入厭氧環境后會使反硝化細菌以更快的速度攝取環境中的有機物,間接影響聚磷菌對有機物的攝取。 當提升消化液回流比至200%時,由于回流中的-N 含量增多,使得-N 得到有效去除,減輕了-N 對聚磷菌的抑制,從而使除磷效果也得到了明顯提升。 當進一步提高回流比至250%時,由于消化液回流攜帶了較高的溶解氧,使缺氧環境和厭氧環境遭到沖擊,反硝化脫氮和厭氧釋磷進行的不充分,進而使反應器脫氮除磷的效果變差。 綜合脫氮除磷效果,認為改進型A2/O 工藝將硝化液回流比控制在200%較為合理。

3.2 進水分配比對改進型A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響

保持反應器進水流量為3.0 L/h,混合液回流比為200%,HRT 為12 h、進水pH 為7.3～8.1、污泥回流比為50%,DO 質量濃度為2 mg/L 左右,溫度控為20～30℃。 缺氧反應器和厭氧反應器的進水流量比分別以6 ∶4、5 ∶5 和4 ∶6。 每天定時對反應器進出水進行檢測,不同工況條件下的脫氮除磷效果見圖3。 由圖3 可知,不同的進水分配比條件下,反應器出水水質有著明顯的差異性。 當進水分配比分別為6 ∶4、5 ∶5 和4 ∶6 時,出水TN 平均質量濃度分別為8.92、10.30 和13.18 mg/L,出水TP 平均質量濃度分別為0.43、0.40 和0.63 mg/L。 對比3種工況下的脫氮除磷效果可以看出,當進水分配比為6 ∶4 時的脫氮除磷效果較為理想。 進水分配比5 ∶5 與6 ∶4 相比,在除磷效果方面略有提升,而脫氮效果降低更明顯,這是因為隨著厭氧池進水比例的增加,厭氧反應器可利用的有機物變多,有利于聚磷菌進行厭氧釋磷,但這也一定程度上減少了缺氧反應器中有機物的含量,削弱了反硝化反應的進行。 隨著缺氧反應器與厭氧反應器進水分配比例的進一步降低達到4 ∶6,脫氮效果進一步下降,未進行反硝化反應的-N 進入厭氧反應器內,影響厭氧釋磷的進行,此工況下脫氮除磷的效果均出現變差的趨勢。 綜合脫氮除磷效果,當進水分配比控制為6 ∶4 時,改進型A2/O 工藝運行效果較為理想。

圖3 進水分配比對脫氮除磷效果的影響Fig.3 Effect of influent water distribution ratio on nitrogen and phosphorus removal

3.3 DO 對改進型A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響

保持反應器進水流量為3.0 L/h,混合液回流比為200%,HRT 為12 h、進水pH 為7.3～8.1、進水分配比為6 ∶4,污泥回流比為50%,溫度為20 ～30℃。 通過調節氣體流量計,分別將好氧反應器內的DO 控制在1.4～1.6、1.9～2.0 和2.4～2.5 mg/L。每天定時對反應器進出水進行檢測,不同工況條件下的脫氮除磷效果見圖4。

圖4 DO 對脫氮除磷效果的影響Fig.4 Effect of DO on nitrogen and phosphorus removal

由圖4 可知,好氧反應器控制不同的DO 濃度時,反應器出水水質波動較大。 DO 濃度分別為1.4～1.6、1.9～2.0 和2.4 ～2.5 mg/L 時, TN 平均質量濃度分別為13.25、8.43 和9.89 mg/L,出水TP 平均質量濃度分別為0.68、0.48 和0.61 mg/L。 對比三種工況下的脫氮除磷效果可以看出,DO 濃度為1.9～2.0 mg/L 時,反應器TN 和TP 的出水平均質量濃度才能夠同時達到一級A 的排放標準。 DO 濃度為1.4 ～1.6 mg/L 時,反應器的脫氮除磷效果最差,這是由于好氧池內溶解氧不足,處于低溶解氧狀態,這使得硝化細菌的硝化反應和聚磷菌的好氧反應進行的不夠充分,從而影響了處理效果。 當好氧反應器的DO 提升至1.9～2.0 mg/L 后,好氧反應器內的硝化反應及好氧吸磷進行的較為充分,使得出水水質得到明顯提升。 將好氧反應器的DO 進一步提升至2.4 ～2.5 mg/L 后,脫氮除磷的效果反而出現下降,這是由于消化液回流中攜帶了一定量的溶解氧,其破壞了缺氧反應器的缺氧環境,抑制了反硝化的進行。 未經處理的-N 再次流入厭氧反應器內,進一步削弱了聚磷菌的吸磷效果。 綜合脫氮除磷效果,將DO 控制在1.9 ～2.0 mg/L 時,改進型A2/O 工藝運行效果較為理想。

4 結論

① 硝化液回流比對改進型A2/O 工藝的脫氮效果有直接影響,間接影響著除磷效果。 最佳消化液回流比為200%,此工況下TN 和TP 出水平均質量濃度分別9.48 和0.42 mg/L,去除率分別為76.50%和89.31%。

② 進水分配比直接影響著改進型A2/O 工藝的脫氮除磷效果。 缺氧反應器與厭氧反應器的最佳進水分配比為6 ∶4,此工況下TN 和TP 出水平均質量濃度分別8.92 和0.43 mg/L,去除率分別為79.65%和90.06%。

③ DO 直接影響著改進型A2/O 工藝硝化反應以及好氧吸磷的進行。 好氧反應器的最佳DO 為1.9～2.0 mg/L。 此工況下TN 和TP 出水平均質量濃度分別8.43 和0.48 mg/L, 去除率分別為79.88%和87.93%。