悬浮好氧生物膜A²O工艺处理城市污水的试验研究

王建华，彭永臻，陈永志

(北京工业大学 水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124)

摘要：为了解决A²O工艺生物脱氮除磷不稳定、出水氮磷难以达标的问题，在A²O工艺好氧段添加悬浮式生物填料以保证高质量浓度的硝化细菌及高硝化率。考察不同COD与总氮质量浓度比x、旁流比对工艺脱氮和除磷的影响。此外，在COD与总氮质量浓度比较低条件下对装置进行了改装，即在厌氧段前添加了一段预缺氧段，使其达到深度脱氮除磷的效果。试验结果表明：当进水x=3.6~8.1，COD，TN 和TP去除率根据硝化液回流比的不同而不同，x和硝化液回流比越高，出水硝态氮越低；当x为8.1，硝化液回流比为300%时，脱氮除磷效果最好，其出水硝态氮质量浓度仅为4.23 mg/L。当COD与总氮质量浓度比较低时，TP的去除率较低，当x＞4.5时，磷的去除率几乎为100%。A²O系统中生物膜硝化作用占总硝化作用的81.6%，而活性污泥硝化作用只占18.4%。这说明生物膜具有良好的硝化作用。

关键词：悬浮好氧生物膜A²O工艺；碳氮比；硝化液回流比；脱氮除磷

中图分类号：X703.1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)12-3918-05

Experimental research on suspended aerobic biofilm A²O system for treating domestic wastewater

WANG Jian-hua, PENG Yong-zhen, CHEN Yong-zhi

(Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: In order to solve the instability of removing nitrogen and phosphorus process in A²O, the high effluent nitrogen and phosphorus concentration issues, fluidized immobilization media were added to the aerobic reactor to maintain a high concentration of nitrifying bacteria and nitrification rate. The effect of different carbon loading, carbon sources and filing carbon modes on the process of nitrogen and phosphorus were studied. In addition, on the condition of the low concentration ratio of COD to TN, the device was modified, i.e., adding pre-anoxic period before the anaerobic zone so as to reach the advanced nitrogen and phosphorus removal. The results show that when the influent concentration ratio of COD to TN is in the range of 3.6-8.1, the COD, TN and TP removal rates change with different nitrification liquid reflux ratio i.e., the higher concentration ratio of COD to TN and the nitrification liquid reflux ratio, the lower the effluent nitrate. When the concentration ratio of COD to TN is 8.1 and the nitrification liquid reflux ratio is 300%, the effluent nitrate concentration is only 4.23 mg/L. TP removal rate is low on the condition of the low concentration ratio of COD to TN. When the concentration ratio of COD to TN is higher than 4.5, phosphorus removal is almost 100%. A²O system biofilm nitrification is at the percentage of total 81.6%, while the activated sludge nitrification accounts for only 18.4%, which shows that the biofilm has good nitrification efficiency.

Key words: suspended aerobic biofilm A²O process; carbon and nitrogen ratio; nitrification liquid reflux ratio; nitrogen and phosphorus removal

传统A²O工艺因其具有同步去除有机物、氮和磷元素且总水力停留时间短、不易发生污泥膨胀、运行费用低、操作简单灵活等优点，成为我国污水处理厂最常见的同步脱氮除磷工艺之一。但该工艺也存在弊端，如脱氮除磷过程发生在同一体系中，即硝化菌、反硝化菌和聚磷菌生活在同一个环境里，这必将引起反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争尤其是硝化菌与聚磷菌污泥龄的矛盾问题^[1-5]。针对传统A²O工艺存在的缺陷，本试验将好氧段加入适量的生物填料，使硝化细菌能够附着在填料上，提高硝化效率，因其硝化作用主要发生在生物膜上，这样就可以通过降低A²O工艺中活性污泥的污泥龄从而提高除磷率但又不影响硝化作用，进而解决了硝化菌与聚磷菌污泥龄矛盾的问题^[6-10]。添加生物填料于好氧段可以缩短好氧段的停留时间，用以延长厌氧段和缺氧段的停留时间这有利于厌氧释磷和缺氧反硝化和除磷作用，提高了除磷效率^[11-16]。本文作者在A²O工艺基础上，研究了悬浮好氧生物膜A²O工艺在不同碳氮比以及硝化液回流比系统的脱氮除磷性能，同时考察了改装后工艺处理低碳氮比生活污水时最佳旁流比，为实现已建污水处理厂的改造、优化与升级，以及低碳氮比条件下污水的深度脱氮除磷提供了有效的理论依据。为解决硝化菌与聚磷菌置于同一环境中污泥龄矛盾这一问题提供了新思路。

1  材料与方法

1.1  试验装置和运行工况

悬浮好氧生物膜A²O工艺系统流程见图1，该工艺采用活性污泥法和生物膜法相结合的双污泥系统，试验装置包括进水水箱、A²O反应器、二沉池和出水水箱。主体反应器都是由有机玻璃制成，其中A²O由9个格室构成，总有效容积是30.5 L，第1、第2格室是厌氧区，随后的3个格室是缺氧区，剩余的4个格室是好氧区，即厌氧区、缺氧区和好氧区的容积比是2:3:4。A²O的进水平均温度为21 ℃，进水量为3.8 L/h，相应的水力停留时间为8 h，好氧段溶解率控制在3 mg/L左右。污泥质量浓度约为3.5 g/L左右，污泥龄为15 d，污泥回流为100%，二沉池有效容积为21 L。进水量、硝化液回流量、污泥回流量均由蠕动泵控制。A²O好氧段填充聚乙烯蜂窝式填料，其体积约占好氧段的30%。水箱进水经A²O系统、二沉池由重力作用流入到最终水箱，好氧段硝化液经蠕动泵打入到缺  氧段。

1.2  试验用水和测试方法

试验用水取自北京工业大学家属区所排放的实际生活污水，试验过程中适量添加乙酸钠对原水COD进行调节，其水质情况见表1。

表1 　试验用水水质情况

Table 1  Main characteristics of influent

图1  悬浮好氧生物膜A²O工艺系统流程图

Fig.1  Schematic diagram of aerobic biofilm A²O system

采用COD快速测定仪测定COD；采用纳氏试剂光度法测定NH₄⁺-N的质量浓度；采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO₂^--N的质量浓度；采用麝香草酚分光光度法测定NO₃^--N的质量浓度；采用抗坏血酸-钼蓝分光光度法测定总磷质量浓度(TP)；采用滤纸称重法测定污泥质量浓度；采用WTW inolab level 2在线监测仪测定温度，pH和溶解氧。其中样品取自各主要工艺段的出水口。

2  结果与讨论

2.1  不同COD与总氮质量浓度比条件下出水硝态氮及TN去除率的变化

图2给出了A²O工艺在平均COD与总氮质量浓度比x为3.6的条件下，硝化液回流比分别是100%，200%，300%时缺氧区出水和最终出水硝态氮质量浓度以及总氮去除率的变化情况。由图2可知：3种硝化液回流比条件下虽然缺氧段出水硝态氮质量浓度相差较大，但最终出水硝态氮质量浓度相差不多，其平均值分别为18.59，18.6和19.36 mg/L。而缺氧出水硝态氮质量浓度由于硝化液回流比的增加而增加，这是因为硝化液回流比越高，进入到缺氧区的氧气量增大，就会消耗更多的碳源，使得反硝化不完全。同时也说明：在此条件下，硝化液回流比的增加并不能降低出水硝态氮的质量浓度，这主要是由于进水碳源太低，加之二沉池回流到厌氧区的硝态氮很高，高质量浓度的硝化液使得厌氧释磷不充分，缺氧区碳源缺乏又使得缺氧反硝化不完全。

图2  COD与总氮质量浓度比为3.6时不同硝化液回流比下硝态氮的变化与总氮的去除率

Fig.2  Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratios when concentration ratio of COD to TN is 3.6

图3所示为A²O工艺在平均COD与总氮质量浓度比为4.5，硝化液回流比分别为100%，200%，300%时，缺氧区出水和最终出水硝态氮质量浓度以及总氮去除率的变化情况。如图3可知：硝化液回流比为100%和200%时缺氧出水硝态氮质量浓度为0 mg/L，最终出水硝态氮相差不多其平均值分别为9.24，5.78和14.5 mg/L。这表明当硝化液回流比较低时，从好氧段回流的硝态氮不充分使得出水硝态氮较高；而随着硝化液回流比的增大，回流到缺氧段的气量也增大，使得缺氧反硝化不完全，总氮的去除率也不高。总氮去除率在硝化液回流比为200%时达到最大值91.9%。由此可见：在此COD与总氮质量浓度比条件下，硝化液回流比为200%时总氮去除达到最佳状态。

图3  COD与总氮质量浓度比为4.5时不同硝化液回流比下硝态氮的变化与总氮的去除率

Fig.3  Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratio when concentration ratio of COD to TN is 4.5

图4所示为A²O工艺在平均COD与总氮质量浓度比为8.1，硝化液回流比分别为100%，200%和300%时，最终出水硝态氮质量浓度以及总氮去除率的变化。由图4可知：在3种条件下，最终出水硝态氮分别为6.47，5.89和4.23 mg/L；由于碳源充足出，水硝态氮质量浓度逐渐降低，都低于10 mg/L，总氮去除率都达到90%以上，3种条件下缺氧区出水硝态氮质量浓度都达到0 mg/L。

2.2  不同COD与总氮质量浓度比条件下出水磷质量浓度的变化

图5所示为不同COD与总氮质量浓度比条件下出水磷质量浓度的变化情况。由图5可知：在COD与总氮质量浓度比为3.6时，出水磷的质量浓度在3 mg/L左右，去除效率相对较低，而在后两个工况下出水磷的质量浓度都低于0.5 mg/L，这表明碳源不足会影响厌氧的释磷，释磷不充分缺氧及好氧吸磷也会受到影响。由此可见：此工艺若要使磷的出水质量浓度较低就要保持COD与总氮质量浓度比在4.5以上。

图4  COD与总氮质量浓度比为8.1时不同硝化液回流比下硝态氮的变化与总氮的去除率

Fig.4  Changes of nitrate and total nitrogen removal efficiency with different nitrification liquid reflux ratios and carbon and nitrogen ratio of 8.1

图5  不同COD与总氮质量浓度比条件下磷质量浓度的变化

Fig.5  Change of phosphorus contradiction with different carbon and nitrogen ratios

2.3  低COD与总氮质量浓度比条件下最佳旁流比的确定

在试验的第4阶段主要进行的是低COD与总氮质量浓度比条件下的脱氮除磷的相关研究。根据前段试验可知：该工艺在低COD与总氮质量浓度比条件下出水硝态氮质量浓度含量很高，为了使该工艺处理低COD与总氮质量浓度比生活污水时达到深度脱氮除磷，且二沉池回流污泥中硝态氮质量浓度不影响厌氧段的释磷作用，在厌氧段前加了一段预缺氧段，其目的是利用部分原水将回流污泥中的剩余硝态氮去除。改进后的工艺其预缺氧段、厌氧段、缺氧段和好氧段的容积比为1:2:2:4。试验将原水分为2部分，其中一少部分进入到预缺氧段，绝大部分进入厌氧段。这样进入到厌氧段的大部分原水可以用来进行厌氧释磷，进而充分地利用了原水中的碳源，达到低COD与总氮质量浓度比条件下的深度脱氮除磷。试验分为4个工况，旁流比分别为0，0.1，0.2，0.3时观察出水氮和磷的变化。此过程将硝化液回流比设定为200%。

图6所示为不同的旁流比所对应的预缺氧段、缺氧段和最终出水硝态氮的质量浓度以及磷的去除率的变化情况。由图6可知：当旁流比为0和0.1时，回流污泥中的硝态氮在预缺氧段反硝化不完全，而旁流比为0.2和0.3时，预缺氧区没有硝态氮的剩余。而在旁流比为0.2时缺氧段出水的硝态氮质量浓度达到最低0.4 mg/L，几乎全部去除，最终出水硝态氮也达到最低值，约为11.7 mg/L，而总磷的去除率也是先升高后降低，在旁流比为0.2时，达到最高约为99.3%。在不同旁流比时，厌氧段出水中都没有检测出硝态氮。因此综合看来，在COD与总氮质量浓度比较低条件下，旁流比为0.2时最佳。当旁流比为0或0.1时，旁流的碳源不够充足，有硝态氮流入到厌氧区，这样就会影响厌氧区的释磷作用从而使磷的去除率降低。旁流比为0.3时，进入厌氧段的碳源降低也同样影响厌氧释磷，从而影响缺氧段的反硝化除磷，使得缺氧段出水硝态氮升高。旁流比为0.2既能保证从二沉池回流的污泥中硝态氮不影响厌氧区的释磷反应，同时还能保证出水硝态氮质量浓度较低。

图6  不同旁流比下硝态氮的变化与总氮的去除率

Fig.6  Nitrate and total nitrogen removal efficiency with different by-pass flow ratios

2.4  A²O中好氧段生物膜的试验研究

待系统运行稳定，为了考察好氧段生物膜上硝化细菌的活性，人工将好氧段生物填料取出，在缺氧段出口及好氧段出口分别取样，测其硝态氮质量浓度。试验结果表明：取出生物填料后，单纯依靠活性污泥中硝化细菌来完成硝化作用，好氧段硝化率不高。在A²O系统中生物膜硝化作用所占比例是81.6%，而活性污泥硝化只占18.4%。这说明生物膜具有良好的硝化效果，这可能是由于生物膜的污泥龄较长，很适合硝化细菌的生长，这样就可以大大提高A²O系统的硝化效率并且减少好氧段的停留时间。

3  结论

(1) 进水COD与总氮质量浓度比 x=3.6~8.1范围内，整个实验过程中COD，TN和TP去除率根据硝化液回流比的不同而不同，COD与总氮质量浓度比和硝化液回流比越高出水硝态氮越低，当COD与总氮质量浓度比为8.1，硝化液回流为300%时，效果最好，其出水硝态氮为4.23 mg/L。

(2) COD与总氮质量浓度比较低时，磷的去除率较低，当COD与总氮质量浓度比高于4.5时，磷的去除率几乎为100%。

(3) 改进后工艺在低COD与总氮质量浓度比条件下旁流比为0.2时处理效果最佳。出水硝态氮质量浓度约为11.7 mg/L，总磷平均去除率达到99.3%。

(4) 在A²O系统中生物膜硝化作用所占比例是81.6%，而活性污泥硝化作用只占18.4%，说明生物膜具有良好的硝化效果。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2011-01-06；修回日期：2011-04-17

基金项目：国家“十一五”重大科技专项课题(2008ZX07317-007-105)；北京市属高等学校人才强教计划高层次人才资助项目(PHR20090502)

通信作者：彭永臻(1949-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，从事污水的生物处理理论与应用研究；电话：010-67392627；E-mail：pyz@bjut.edu.cn