低碳氮比污水處理MAAO工藝
傳統(tǒng)的脫氮除磷技術(shù)由于工藝形式的限制，在處理低碳氮比污水時(shí)脫氮和除磷往往無(wú)法兼得。分段進(jìn)水突破了傳統(tǒng)AAO工藝的單點(diǎn)進(jìn)水，具有有機(jī)物去除率高、污泥濃度較高等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者從工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行影響因素、模型模擬、性能優(yōu)化等角度對(duì)分段進(jìn)水進(jìn)行了大量的研究。在此基礎(chǔ)上，劉勝軍等人提出了MAAO(multilevel anaerobic/anoxic/oxic process)工藝。該工藝有著優(yōu)化利用碳源、減少曝氣能耗，降低污泥產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在西安市某污水處理廠投入使用。不過(guò)由于該工藝調(diào)節(jié)參數(shù)復(fù)雜，具體的運(yùn)行機(jī)理尚不十分明確，因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)該工藝的運(yùn)行優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究。本研究以實(shí)驗(yàn)室配水模擬的污水廠進(jìn)水為處理對(duì)象，優(yōu)化改良MAAO工藝的運(yùn)行條件，研究該工藝的脫氮除磷性能和各污染物的去除機(jī)制。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案
MAAO系統(tǒng)由原水箱、反應(yīng)器、終沉池三部分連接組成。原水箱容積75L。MAAO系統(tǒng)由有機(jī)玻璃構(gòu)成，有效容積14L，共分為4級(jí)，每一級(jí)由厭氧、缺氧、好氧3個(gè)區(qū)域組成，厭氧/缺氧/好氧體積比為1∶2∶4，從第一級(jí)到第四級(jí)共分為12個(gè)區(qū)域。二沉池為豎流式，總體積為9L。系統(tǒng)通過(guò)反應(yīng)器好氧區(qū)底部安裝的砂芯曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，通過(guò)調(diào)整玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)調(diào)整曝氣量。各池頂部設(shè)有恒速攪拌裝置。攪拌電機(jī)為24V直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速為200rpm。進(jìn)水和分流通過(guò)小型蠕動(dòng)泵控制，污泥回流由蠕動(dòng)泵控制。
如圖1所示，系統(tǒng)共有4級(jí)進(jìn)水，3級(jí)分流，進(jìn)水比為本級(jí)進(jìn)水量與整個(gè)系統(tǒng)的總進(jìn)水量之比，分流比為去往下一級(jí)厭氧池的污泥量與本級(jí)缺氧池總流出污泥量之比。
1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)用水
用于MAAO反應(yīng)器接種的活性污泥取自西安市某處理廠二期工程(MAAO工藝)的第四級(jí)好氧區(qū)污泥進(jìn)行自然馴化。污水處理廠長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水為城市生活污水，出水水質(zhì)長(zhǎng)期達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。馴化三周后反應(yīng)器二沉池出水懸浮物(SS)小于20mg?L-1，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)使用人工配水模擬生活污水，總體上保持進(jìn)水基質(zhì)濃度為定值，配水使用無(wú)水乙酸鈉和葡萄糖按照提供COD1∶1的比例做為碳源，以氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，具體配水水質(zhì)為見(jiàn)表1。每升配水中添加0。4mL微量元素。
1.3 分析項(xiàng)目與方法
NH4+-N、NO-2-N、NO-3-N、TP按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，COD由快速消解儀(哈希，美國(guó))測(cè)定。DO由便攜式溶氧儀(HQ40d，哈希，美國(guó))測(cè)定，溫度由酒精溫度計(jì)測(cè)定。
1.4 實(shí)驗(yàn)條件與運(yùn)行方案
MAAO系統(tǒng)在室溫(19～22℃)條件下運(yùn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間總進(jìn)水流量為28.8L?d-1，污泥齡控制為10～12d，污泥回流比為100%，混合液回流比為75%。具體運(yùn)行條件見(jiàn)表2。厭氧、缺氧段DO控制在0～0.35mg?L-1，好氧區(qū)DO維持在0.5～1.2mg?L-1。
1.5 系統(tǒng)SND脫氮計(jì)算方法
系統(tǒng)通過(guò)SND途徑去除的氮量和SND率可以通過(guò)公式(1)～(4)計(jì)算。
式中：NSND、Nde、和Nass分別為系統(tǒng)每天通過(guò)同步硝化反硝化、反硝化過(guò)程和同化作用去除的氮量，g?d-1；Nin和Neff為每天進(jìn)入和排出系統(tǒng)的氮量，g?d-1；Ndn1、Ndn2、Ndn3、Ndn4、Nsec分別為各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量，g?d-1；MLSSwaste為剩余污泥濃度，g?L-1；fVSS/SS為揮發(fā)性污泥濃度與MLVSS與MLSS的比值；Vwaste是每天的剩余污泥排放量，L；fN/bio為活性污泥中氮的含量，取12.39%。
2、結(jié)果與討論
2.1 MAAO系統(tǒng)脫氮特性
各種工況條件下進(jìn)出水氮濃度和去除率見(jiàn)圖2。5種工況下的平均出水氨氮濃度分別為4.41mg?L-1、0.45mg?L-1、9.65mg?L-1、8.03mg?L-1、0.74mg?L-1，去除率分別為91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%。其中工況一、工況二和工況五的出水氨氮較低，符合國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而工況二和工況五的氨氮去除率最高，出水氨氮量接近于零，硝化反應(yīng)徹底。對(duì)比表2可以看出，從工況五到工況二，總好氧區(qū)HRT變化為從125～113min，實(shí)際出水氨氮濃度相差不大，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的高效去除，說(shuō)明工況五浪費(fèi)了一定的剩余硝化容量。而工況三和工況四的總好氧區(qū)HRT則下降至101min，由于水力停留時(shí)間的限制，使得好氧區(qū)微生物沒(méi)有足夠的時(shí)間對(duì)進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行完全的氨化作用，導(dǎo)致出水氨氮濃度較高。
圖3為沿程各種存在形式的氮在工藝中的沿程濃度變化，表3為五種工況下的氮元素物料衡算結(jié)果。工況三和工況四的第一級(jí)和最后一級(jí)進(jìn)水量均為25%，從圖3(c)～(d)可以看出，最后一級(jí)的好氧區(qū)無(wú)法氧化較多的氨氮，導(dǎo)致出水氨氮含量較高，而硝氮含量比起其他工況則沒(méi)有很大的變化，所以出水總氮含量偏高是由于系統(tǒng)最后一級(jí)硝化能力不足引起的。同時(shí)工況三的總氮去除率也明顯高于工況四，這說(shuō)明在第一級(jí)的分流比增大時(shí)，對(duì)于MAAO系統(tǒng)的總體脫氮是有負(fù)面影響的。當(dāng)?shù)谝患?jí)進(jìn)水量上升為30%，第四級(jí)進(jìn)水量下降為20%(工況一)時(shí)，分流比相對(duì)于工況三和工況四也提高了，此時(shí)，系統(tǒng)硝化效果和總氮去除性能均得到加強(qiáng)，出水氨氮和總氮分別為4.41mg?L-1和11.87mg?L-1。繼續(xù)提高首段進(jìn)水比例到35%，末端降至15%(工況二)。此時(shí)，好氧HRT和缺氧HRT都有較大提升，硝化能力和反硝化能力繼續(xù)上升，總氮去除率達(dá)到84.2%。然而當(dāng)首段進(jìn)水比例過(guò)高(50%)，即在工況五時(shí)，雖然總好氧HRT極大增加，但是從圖3(e)可以看出，第四級(jí)出水中的氨氮含量接近于零，系統(tǒng)浪費(fèi)了一定的硝化余量，同時(shí)由于第一級(jí)厭氧池和缺氧池并不能完全消耗掉50%進(jìn)水中的COD，進(jìn)水碳源也沒(méi)有被有效利用，所以，雖然從氮的去除角度來(lái)說(shuō)，該工況處于最佳工況，但是會(huì)有大量的COD沒(méi)有被有效利用，對(duì)系統(tǒng)的其他功能有嚴(yán)重影響。對(duì)于多段進(jìn)水工藝來(lái)說(shuō)，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，各段的進(jìn)水量比例和缺氧池分流比例將直接影響系統(tǒng)的脫氮除磷效率。
從圖3中可以看出，MAAO系統(tǒng)中除了傳統(tǒng)的硝化反硝化過(guò)程和微生物的同化作用脫氮以外，在好氧區(qū)存在明顯的總氮損失，好氧區(qū)氨氮的氧化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝氮的產(chǎn)生量，因此MAAO系統(tǒng)存在一定的同步硝化反硝化現(xiàn)象。如表3所示，系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)的硝化反硝化過(guò)程去除的氮量在21%～39%，5種工況條件下的SND作用去除的氮含量占進(jìn)水總氮比例依次為28%、25%、10%、7%、29%。即在各個(gè)工況下，系統(tǒng)均出現(xiàn)明顯的SND現(xiàn)象，而且在SND效率較高時(shí)，系統(tǒng)的總氮去除量也較高，可見(jiàn)SND在一定程度上有利于總氮的去除。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，同化作用在MAAO系統(tǒng)中占比也較大，分別為27%、30%、28%、32%、18%。
目前對(duì)SND理論有宏觀缺氧理論、微觀缺氧理論和生物學(xué)理論。而本研究中出現(xiàn)SND現(xiàn)象的原因可能有以下2點(diǎn)：
(1)由于好氧池物理外形為長(zhǎng)條形，在單點(diǎn)曝氣的情況下，存在曝氣不均勻現(xiàn)象，這會(huì)在一定的程度上使得好氧池存在局部區(qū)域DO較低甚至處于缺氧狀態(tài)，而且還會(huì)導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)部出現(xiàn)DO的梯度變化，由外到內(nèi)DO濃度依次減少，絮體內(nèi)部可能會(huì)處于缺氧環(huán)境。
(2)系統(tǒng)中可能存在好氧反硝化細(xì)菌，這會(huì)導(dǎo)致好氧池同步硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。
2.2 MAAO系統(tǒng)除磷特性
圖4為系統(tǒng)進(jìn)出水TP濃度和TP去除率變化情況。5個(gè)工況下的平均出水TP濃度分別為0.39mg?L-1、0.15mg?L-1、2.49mg?L-1、2.13mg?L-1、1.09mg?L-1，平均去除率分別為91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%。
圖5為不同工況下TP沿程變HRT分別化和各池凈去除量，從中可以看出，第一級(jí)厭氧池的TP釋磷量從工況一到工況五并無(wú)明顯變化，這是因?yàn)榈谝患?jí)厭氧池承接了來(lái)自二沉池的回流污泥導(dǎo)致HRT太小。第一級(jí)厭氧池的厭氧是19.08min，18.52min，20.00min，20.00min，16。67min，而厭氧釋磷量較高的厭氧池，其HRT都在25min以上，所以第一級(jí)厭氧池的釋磷效率低是由回流污泥量過(guò)大，HRT不足引起的。
工況三和工況四的第四級(jí)厭氧池的TP量較高，從圖5(a)可以看出，工況三和工況四的第四級(jí)厭氧池釋磷量沒(méi)有很大提升，所以第四級(jí)厭氧池TP升高是由厭氧池進(jìn)水TP太多引起的，有大量的TP沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理就直接排出，導(dǎo)致工況三和工況四出水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)。而工況五在系統(tǒng)前端進(jìn)入較多原水，第四級(jí)只有7%的進(jìn)水。通過(guò)圖5(b)可以看出，工況五的第四級(jí)厭氧池有很多的釋磷潛力沒(méi)有發(fā)揮，所以它的釋磷效率低于工況一和工況二。對(duì)于活性污泥法除磷工藝來(lái)說(shuō)如果厭氧時(shí)無(wú)法完成大量釋磷，那么在后續(xù)的工藝處理中，即使在非常符合好氧吸磷的環(huán)境下，也是無(wú)法完成聚磷菌好氧大量吸磷的。在圖5(b)中，我們?cè)O(shè)定厭氧池TP上升取正值，缺氧池TP濃度上升取負(fù)值，下降取正值，好氧池TP下降為負(fù)值。大多缺氧池都發(fā)生了TP下降，這說(shuō)明MAAO系統(tǒng)中發(fā)生了反硝化除磷。
3、結(jié)論
(1)當(dāng)MAAO脫氮效率優(yōu)先時(shí)，可以采用前端進(jìn)水，同時(shí)減少分流量的策略，增加好氧和缺氧HRT，整個(gè)系統(tǒng)偏向多段AO工藝，此時(shí)的脫氮效率較高。但是從TP的去除來(lái)說(shuō)，第一級(jí)進(jìn)水量不能太高，進(jìn)水最好分配在第二級(jí)和第三極。所以本工藝在參數(shù)設(shè)定上無(wú)法同時(shí)達(dá)到TN和TP的理論最高去除效率。因此，對(duì)于一個(gè)固定水質(zhì)的系統(tǒng)，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)有所選擇。
(2)交替運(yùn)行的缺氧好氧運(yùn)行方式和進(jìn)水流量的合理分配對(duì)于硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行和總氮的高效去除有著非常重要的作用，MAAO工藝中除了通過(guò)好氧硝化、缺氧反硝化之外，同步硝化反硝化和污泥的同化作用也對(duì)氮元素的去除貢獻(xiàn)了非常大的作用，使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行深度脫氮。
(3)MAAO工藝除了通過(guò)傳統(tǒng)的厭氧釋磷、好氧吸磷來(lái)完成除磷之外，還在各個(gè)缺氧區(qū)通過(guò)反硝化除磷去除了一部分的TP。(來(lái)源：西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司)