厌氧缺氧好氧生物接触氧化处理低碳氮比污水的物料平衡

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厌氧、缺氧、好氧生物接触氧化处理低

碳氮比污水的物料平衡

摘 要：为了提高低碳氮比污水的治理效果，提出了厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化脱氮除磷工艺（anaerobic anoxicoxic- biological contact oxidation，A2/O-BCO），研究了该工艺处理生活污水的脱氮除磷性能，建立了该系统处理过程的碳（以化学需氧量计，chemical oxygen demand，COD）、氮、磷的物料衡算公式，同时分析评价了不同硝化液回流比（100%，200%，300%，400%）下各指标的物 料平衡情况。结果表明，该工艺在充分利用原水碳源、深度脱氮除磷方面具有较强的优势，系统COD 主要在A2/O 中厌氧段被利用，通过反硝化聚磷菌反硝化除磷脱氮；系统COD 的物料衡算公式平衡百分比分别为96.4%、99.6%、98.7%和98.3%，氮的物料衡算公式平衡百分比分别为99.7%、98.2%、99.2% 和96.5%，磷的物料衡算公式平衡百分比分别为92.0%、98.1%、93.3%和90.4%；荧光原位杂交表明生物膜中有厌氧氨氧化菌存在，且其数 量占全菌比例的

0.6%~2.7%，生物接触氧化的氮损失可能是由于发生了厌氧氨氧化反应；在硝化液回流比为300%时，系统氮、磷去除效果好，出水达到 国家城镇污水处理厂污染物排放标准一级A 标准。该研究有助于更好地理解和分析工艺系统有机物、氮和磷的分布及变化情况，并且为评价试验数据的可靠性以及数学模型的建立提供了理论依据和指导，能更 好地推广到分散型、量小且日变化系数较大的农村生活污水的治理事业中。 0 引 言

对 于中国目前面临的分散型、处理量小且日变化系数较大的农村生活污水的治理难题，最好的解决办法是实行分散处理[1-4]，从而控制农村生活污水中营养物质 氮和磷的含量，缓解水体富营养化，减轻对水体的污染[5-7]。传统厌氧/缺氧/好氧（anaerobic anoxic oxic，A2/O）工艺在中国有广泛的应用，这是一个顺次为厌氧、缺氧和好氧的单污泥悬浮生长系统，但这种工艺已经达不到日益严格的污水排放标准。本研 究将A2/O 工艺与生物接触氧化（biological contact oxidation, BCO）工艺组合，成为新型的双污泥系统，不仅能获得深度脱氮除磷效果，而且能够有针对性的解决传统A2/O 工艺[8]上存在的问题，实现了硝化 菌 与聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，PAOs）长短泥龄的分离，避免了传统工艺回流污泥中携带的NO3--N 对PAOs 在厌氧区释磷[9]的影响，充分利用原水中的碳源，获得高效的同步脱氮除磷效率[10]。在该系统中，A2/O 反应器主要作用是利用反硝化除磷技术来实现同步脱氮除磷，BCO 系统用于完成硝化作用。BCO 反应器中产生的NO3--N 回流至A2/O 反应器的缺氧段，为PAOs 释磷提供一个相对严格的厌氧环境[11-12]。另外，进水的低C/N

也 会促进反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorusaccumulating organisms，DPAOs）的生长，DPAOs可以利用NO3--N 作为电子受体同时去除污水中的氮和磷[13]，大量的化学需氧量（chemical oxygendemand，COD）在A2/O 反应器的厌

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氧段被去除，降低了进入BCO 反应器上清液中的C/N，这为在生物膜上生长的硝化菌提供了有利条件，进而可以提升硝化效果[14]。 本 研究应用的A2/O-BCO 组合工艺，充分利用了原水中的碳源，且占地面积小，运行费用低，管理方便，尤其适用于分散、处理量小、日变化系数较大的农村生活污水处理，是农村生活污水 实现生物脱氮除磷的理想选择[11-13]，在污水处理领域有重要意义。但是，该系统的碳、氮、磷的物料平衡情况尚不明确，进行物料衡算有助于更好地理解 和分析系统有机物、氮和磷的分布及变化情况[15]，本文在Barker 等[16]对活性污泥系统进行的碳、氮物料平衡的研究基础上，首次建立了A2/O-BCO 组合工艺的碳、氮、磷的物料衡算公式，并且以不同硝化液回流比稳态运行条件下的试验数据为基础，分析了A2/O-BCO 组合工艺碳、氮和磷的物料平衡情况，以期为评价试验数据的可靠性以及数学模型的建立提供理论依据和指导。 1 材料与方法 1.1 试验装置

A2/O-BCO 工艺系统流程见图1。A2/O 反应池内为活性污泥法，厌氧段完成有机物的吸附转化同时释磷，缺氧段以BCO 反应池回流过来的硝化液为电子受体进行反硝化除磷反应，好氧段进一步吸磷并吹脱氮气；BCO 反应池内为生物膜法，主要完成氨氮的氧化。主体反应器材质均为有机玻璃，其中A2/O 反应池有效容积为40 L，厌氧区、缺氧区和好氧区容积比为1∶3∶1。BCO 反应池有效容积为24 L，均分为3 格室（分别记为N1 段、N2 段和N3 段），每个格室均填充聚丙烯材质环形悬浮填料，填充率为45%，填料尺寸为D25 mm×10 mm，中心有网格结构，密度为0.96 g/cm3，孔隙率为95%，有效比表面积为500 m2/m3。

1.2 试验水质

采 用北京工业大学教工住宅区化粪池生活污水为试验水源，属于典型的低C/N 实际生活污水，水质特点具体如下：COD 质量浓度为97.62～318.20 mg/L；总

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氮（total nitrogen，TN）以氨氮为主，质量浓度为53.21～74.64 mg/L；总磷（totalphosphorus，TP）质量浓度为3.74～7.38 mg/L，NO3--N 质量浓度为0～0.54 mg/L；NO2--N 质量浓度为0～0.23 mg/L。 1.3 试验运行条件

试 验连续运行5 个月，考察了硝化液回流比对A2/O-BCO 系统同步脱氮除磷效果的影响。A2/O 进水流量为5 L/h，A2/O 反应池内水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）为8 h，污泥龄（sludge retention time，SRT）控制在12 d，污泥回流比为100%，待系统性能稳定后，依次将硝化液回流比分别控制在100%、200%、300%和400%进行试验比较，分别记为Run1、 Run2、Run3 和Run4，基本每个工况都运行1 个月左右，污泥浓度（mixedliquor suspended solids，MLSS）维持在3 500 mg/L左右，好氧段溶解氧（dissolve oxygen，DO）控制在1.0～2.0 mg/L；BCO 的HRT 为1.9 h，DO 均控制在3.0～4.5 mg/L。 1.4 分析方法

每 天用50 mL 取样器从A2/O-BCO 工艺系统每格室中采集50 mL 水样，水样采用0.45 μm 中速滤纸过滤，MLSS、挥发性污泥浓度（mixed liquorvolatile suspended solids，MLVSS）、COD 等指标采用标准方法测定[17]，PO43--P，NH4 +- N，NO2--N，NO3--N 由Lachat Quikchem8500 型流动注射仪（lachat

instrument，milwaukee，wiscosin）测定；采用WTW，Multi 340i pH/DO 仪测定pH 值和DO。分子荧光原位杂交（ fluorescence in situhybridization，FISH）技术，固定、杂交的操作步骤见文献[18-19]。采用的寡核苷酸探针为EUB mix（Eub338，碱基序列为GCTGCCTCCCGTAGGAGT；Eub338Ⅱ，碱基序列为

GCAGCCACCCGTAGGTGT；Eub338Ⅲ，碱基序列为GCTGCCACCCGTAGGTGT）、Amx368（碱基序列为 CCTTTCGGGCATTGCGAA）。通过OLYMPUS BX-61 荧光显微镜和Image-proplus 6.0 软件对污泥种群进行拍摄和定量分析。 3.1 A2/O-BCO 工艺运行性能

系 统连续稳定运行5 个月的进出水水质见表1。A2/O-BCO 工艺的脱氮除磷效果随着硝化液回流比的增加呈现增加趋势，但当增加到400%时，TN 却出现了降低趋势。在本试验运行条件下，当硝化液回流比为400%时，一方面回流污泥中携带的硝酸盐破坏了A2/O 中的厌氧环境，严重影响ANA 段的释磷情况和系统碳源的利用情况，继而影响缺氧段反硝化除磷反应；另一方面回流过来的大量硝酸盐，使得缺氧条件下硝酸盐负荷过高，并携带了大量溶解氧， 导致缺氧段有效反应时间严重缩短，A2/O 出水中硝态氮开始积累，导致TN 去除效果变

差。当运行条件为Run3 时，系统平均出水TN 和TP 浓度分别为14.96 和0.49 mg/L，达国家城镇污水处理厂污染物排放标准一级A 标准。选用系统Run1～Run4 这5 个月稳定运行数据作为下文物料衡算的依据。

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3.2 COD 的去除特性和物料平衡

进 入系统的COD 主要在A2/O 反应器中厌氧段被聚磷菌利用来合成体内贮能物质，用于后续缺氧段的反硝化除磷反应，后续COD 降幅较小，此时COD 主要用于维持好氧异养菌的新陈代谢[22]，COD 在BCO 中也得到部分去除，可能原因是其中除了自养型的硝化菌之外，还存在好氧异养菌；另外一部分通过出水流出系统，还有一部分通过剩余污泥排出系统。根据公式 （1）－式（7）计算4 个 运行条件下COD 的物料平衡如表2。可见4 个运行条件下，COD 平衡百分比均在95.0%以上，系统在A2/O 反应器中厌氧段用于释磷而被利用的COD 值占总去除量的百分比分别为78.5%、71.8%、57.9%和71.1%。Run 3 下的57.9%是由于当时正值夏季，进水COD 值较低，出水COD 值均小于50.0 mg/L。

3.3 磷的去除特性和物料平衡

进 入系统的P 通过厌氧段释磷、缺氧段反硝化吸磷和好氧吸磷，一部分通过出水流出系统，一部分通过剩余污泥排出系统。本工艺有很好的P 去除效果，缺氧段反硝化吸磷和好氧吸磷占磷总去除量的百分比见图4，在Run1 时，反硝化除磷反应受到电子受体的限制，主要发生好氧吸磷反应，随着硝化液回流比增大，在电子受体充足的情况下，缺氧段反硝化除磷反应越彻底。根据公式 （8）－式（11）计算4 个运行条件下P 的物料平衡如表3。可以看出4 个运行条件下通过排放剩余污泥去除的P 分别占总量的78.0%、88.4%、84.3%和85.4%。P 的平