傳統(tǒng)同步脫氮除磷工藝所存在的不同微生物菌種對碳源競爭的矛盾導(dǎo)致了難以實現(xiàn)對氮磷同步去除, 而反硝化除磷工藝則為解決上述問題提供了新的途徑, 并在實現(xiàn)“一碳兩用”的同時能夠降低污泥產(chǎn)量.厭氧段有充足的優(yōu)質(zhì)的碳源且缺氧段無剩余碳源是實現(xiàn)高效反硝化除磷的重要前提, 在缺氧段外碳源和硝酸鹽不在同一時間內(nèi)共存有利于獲得良好的反硝化除磷效果.污水中氮、磷的去除均需消耗碳源, 微生物對碳源的競爭從而影響系統(tǒng)的脫氮除磷性能.在反硝化除磷過程中, 厭氧段充足的揮發(fā)性有機酸(VFA)是反硝化除磷菌(DPB)充分釋磷的關(guān)鍵, 而進(jìn)水有機物濃度的高低決定了厭氧段VFA的多少.進(jìn)水有機物濃度過低, 可供DPB利用的VFA含量則不足, 導(dǎo)致DPB在厭氧段無法充分釋磷; 反之, 若進(jìn)水有機物濃度過高, 則會影響反硝化除磷效果, 厭氧段剩余的有機底物將被優(yōu)先用于常規(guī)的反硝化脫氮, 從而將減少反硝化吸磷的電子受體.

　　現(xiàn)有的C/N對反硝化除磷性能影響的研究主要集中在SBR反應(yīng)器, 而對連續(xù)流反硝化除磷工藝的研究鮮見報道, 在本研究基于硝化液與污泥“雙回流”的ABR-MBR組合連續(xù)流反硝化除磷工藝中, 磷的去除主要通過反硝化除磷來實現(xiàn), 除磷效果受到進(jìn)水有機物的影響.由于兩種工藝原理不同, 使得進(jìn)水C/N比對本工藝反硝化除磷性能的影響機制值得進(jìn)一步研究.本課題組前期已對反硝化除磷條件進(jìn)行了部分優(yōu)化, 本研究通過深入考察進(jìn)水C/N比對ABR-MBR組合工藝反硝化除磷性能的影響機制, 以期為其實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

　　1 材料與方法 1.1 試驗裝置

　　研究裝置采用自行設(shè)計的ABR-MBR一體化反應(yīng)器(圖 1).研究裝置為由5個隔室ABR和好氧MBR組成的一體化系統(tǒng), 其中ABR和MBR的有效容積之比為2:1, 總有效容積為12 L.研究運行過程中, MBR內(nèi)溶解氧(DO)控制為2~3 mg·L-1, 反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在(30±1)℃. MBR間歇抽吸出水的周期為10 min(8 min抽吸出水, 2 min反沖洗).

　　圖 1

圖 1 ABR-MBR反應(yīng)器示意

　　采用可編程邏輯控制器(PLC)對水位恒定、出水泵和反沖洗泵的啟閉自動控制. MBR所用膜組件為PVDF簾式中空纖維膜, 膜孔徑為0.2 μm, 過濾面積為0.2 m2, 采用真空壓力表測跨膜壓差(TMP)來表征膜的污染狀況, 當(dāng)TMP增至30 kPa時對膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗.研究運行過程中, 將MBR硝化液回流至ABR第3隔室, 其回流比(R1)為300%;將ABR第5隔室污泥回流至其第2隔室, 其污泥回流比(R2)為100%.整個運行期間, ABR-MBR組合工藝的總HRT為9 h, 控制泥齡為15 d.

　　1.2 進(jìn)水與污泥

　　為減小水質(zhì)波動對本研究的影響, 試驗進(jìn)水為模擬生活污水(生活污水:人工配水為1:1), 碳源和氮源分別采用淀粉和氯化銨, 污水所含營養(yǎng)鹽及其濃度為：H3BO3 30 mg·L-1、ZnCl2 25 mg·L-1、CaCl2 30 mg·L-1、AlCl3 25 mg·L-1、CuCl2 25 mg·L-1、NiCl2 25 mg·L-1和EDTA 40 mg·L-1; 微量元素: Na2SeO3·5H2O 25 mg·L-1、K2HPO4·3H2O 25 mg·L-1、FeCl2·6H2O 25 mg·L-1、MgSO4·7H2O 30 mg·L-1、CoC12·6H2O 25 mg·L-1、MnSO4·H2O 25 mg·L-1和NaMoO4·2H2O 25 mg·L-1.運行期間通過向進(jìn)水中投加適量淀粉來調(diào)控進(jìn)水COD, 從而調(diào)控進(jìn)水C/N比.試驗進(jìn)水水質(zhì)見表 1. ABR各隔室的初始MLSS濃度約為25 g·L-1, MBR的MLSS約為4.3 g·L-1.

表1

        1.3 分析方法

　　各常規(guī)分析指標(biāo)均按國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定[10].其中COD采用快速消解法; 溶解性PO43--P采用鉬銻抗分光光度法; TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法; NO3--N:紫外分光光度法; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法; NO2--N采用紫外分光光度法; MLSS采用烘干稱重法.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 COD去除分析

　　圖 2所示為ABR的HRT為6 h, 在不同的進(jìn)水有機物濃度下的ABR-MBR組合工藝對COD的去除效果.在5個不同的進(jìn)水C/N比條件下, 進(jìn)水COD濃度由300 mg·L-1逐步增加至600 mg·L-1, 組合工藝的平均出水COD濃度分別為45.56、50.89、51.22、51.43和84.33 mg·L-1, 平均去除率分別為84.85%、85.51%、87.31%、89.74%和86.02%.在前4個階段組合工藝對COD去除率隨著進(jìn)水COD濃度的增加略有提高, 而當(dāng)進(jìn)水COD增加至600 mg·L-1時, 此時C/N比為7.2, 組合工藝對COD的去除略有下降, 平均去除率僅為86.02%.

　　圖 2

圖 2 不同C/N比下COD去除情況分析

　　本研究中ABR第2隔室是優(yōu)質(zhì)碳源被DPB吸收的重要場所, 碳源在厭氧段的有效利用是厭氧充分釋磷的關(guān)鍵.在5個不同進(jìn)水C/N比(見表 1)工況下, 該工藝的平均COD去除率分別維持在85%以上, 且COD主要由ABR去除, 這說明本工藝中有機物在ABR中得到了充分轉(zhuǎn)化和利用. ABR對碳源的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化而利于厭氧釋磷, 同時為DPB提供了足夠的能源儲備, 而足夠的內(nèi)碳源儲備是DPB在缺氧階段完成自身增殖以及過量吸磷的關(guān)鍵.與此同時, 前置ABR對有機物的高效去除也保證了ABR出水的低COD濃度, 從而利于MBR內(nèi)硝化的有效進(jìn)行.

　　2.2 反硝化除磷效能分析 2.2.1 厭氧釋磷

　　充足的優(yōu)質(zhì)碳源是厭氧段充分釋磷的關(guān)鍵.王亞宜等研究表明, 污水中可供DPB利用的優(yōu)質(zhì)碳源量越充足, 越有利于厭氧段的充分釋磷.而也有研究表明, 過高的有機物濃度會抑制厭氧釋磷.與此同時, 缺氧段及好氧段吸磷情況也影響著厭氧釋磷.基于前期對其它運行條件進(jìn)行優(yōu)化, 本研究對不同進(jìn)水C/N比條件下ABR-MBR組合工藝的厭氧釋磷情況進(jìn)行了分析, 圖 3所示為組合工藝對磷去除情況.

　　圖 3

圖 3 不同C/N比下磷的去除情況

　　溶解性PO43--P濃度在ABR第2隔室出現(xiàn)了明顯的升高, 由此可見, 厭氧釋磷主要發(fā)生在ABR第2隔室.在C/N比從3.6增加至6.0時4個不同C/N比時, ABR第2隔室的PO43--P濃度依次為8.37、9.65、11.41和13.44 mg·L-1, 其釋磷量隨著C/N的增大而增大.這是由于隨著進(jìn)水COD濃度的不斷升高, ABR對有機底物的產(chǎn)酸過程所產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)碳源(VFA等)為厭氧釋磷提供了良好保障.此外, 隨著C/N比的提高, 厭氧出水硝酸鹽的濃度隨之下降, 從而減輕了回流污泥中硝酸鹽對釋磷的影響.與此同時, 缺氧段良好的吸磷效果有效保證了DPB在厭氧/缺氧交替循壞下發(fā)揮其正常的代謝性能.但當(dāng)C/N比增大至7.2時, ABR第2隔室的釋磷量反而出現(xiàn)了下降, 說明較高的有機物濃度不利于正常釋磷.

　　2.2.2 缺氧吸磷

　　連續(xù)流反硝化除磷工藝中, 缺氧段是DPB利用硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行反硝化吸磷的重要場所.在電子受體供給充足的條件下, 若缺氧段存在有機物, 反硝化菌會優(yōu)先利用硝酸鹽氮進(jìn)行常規(guī)反硝化.因此, 反硝化除磷工藝中厭氧段與缺氧段對有機物存在與否的矛盾, 使得尋求一個不影響厭氧釋磷且缺氧段無較多剩余碳源的進(jìn)水有機物濃度顯得至關(guān)重要.

　　圖 4所示為不同C/N比條件下各運行單元的溶解性PO43--P濃度的變化情況.從中可見, 溶解性PO43--P濃度在ABR后段出現(xiàn)了明顯的下降, 這是由于DPB在ABR第3隔室及后續(xù)隔室發(fā)生了以硝酸鹽為電子受體的缺氧吸磷, 其中ABR第3隔室是缺氧吸磷的主要場所.當(dāng)C/N比由3.6增加至6.0時, 缺氧吸磷量分別為8.1、9.26、10.63和11.79 mg·L-1, 反硝化除磷占總除磷量的比重依次為96%、95%、93%和87%, 磷主要通過反硝化除磷去除.這一過程中, 厭氧釋磷量隨著C/N比的增大而增加, 缺氧吸磷量也隨之增加, 這是由于MBR提供了充足的電子供反硝化除磷所需, 電子受體未成為反硝化除磷效果的限制因素.在C/N比為6.0時, ABR出水的溶解性PO43--P濃度為1.65 mg·L-1, 經(jīng)好氧MBR后最終出水僅為0.42 mg·L-1, MBR進(jìn)一步強化了工藝對磷的去除.當(dāng)繼續(xù)提高C/N比至7.2時, ABR出水的溶解性PO43--P濃度達(dá)5.41 mg·L-1, 這時的缺氧吸磷量僅為4.02 mg·L-1, 反硝化除磷效果嚴(yán)重惡化.一方面是厭氧釋磷量的減少導(dǎo)致了吸磷量的不足, 另一方面是由于MBR中硝化效果的惡化而致使回流硝態(tài)氮的不足限制了缺氧段吸磷.張園等在UCT工藝中發(fā)現(xiàn)隨著C/N比的升高反硝化除磷現(xiàn)象逐漸減弱, COD過高亦會抑制厭氧段釋磷, 這與本研究中的結(jié)果相一致.

　　圖 4

圖 4 不同C/N比下各隔室溶解性PO43--P的變化

　　在5個不同進(jìn)水C/N比條件下, ABR-MBR組合工藝對溶解性PO43--P的平均去除率分別為97.01%、95.07%、94.19%、93.64%和62.97%.當(dāng)C/N從3.6提高至6.0時, 工藝最終出水PO43--P平均濃度分別為0.22、0.34、0.39和0.42 mg·L-1, 溶解性PO43--P去除率隨C/N的提高逐漸下降, 表明低C/N條件有利于本工藝對磷的去除, 也更加凸顯了反硝化除磷工藝“一碳兩用”的特性. C/N增至7.2時, 最終出水溶解性PO43--P平均濃度達(dá)2.45 mg·L-1.一方面, 過高的COD濃度抑制了厭氧釋磷, 導(dǎo)致厭氧段釋磷量減少.王曉蓮等研究發(fā)現(xiàn), 過高的COD濃度會促進(jìn)聚糖菌的生長, 而聚糖菌不具備除磷功能.另一方面, 厭氧段出水COD濃度高達(dá)95 mg·L-1, 嚴(yán)重影響了MBR段硝化效果, 從而導(dǎo)致可供DPB缺氧吸磷利用的電子受體不足.與此同時, 若有機物與硝酸鹽在缺氧段同時存在時, 碳源會優(yōu)先進(jìn)行反硝化, 進(jìn)一步搶奪了DPB有限的電子受體.這幾方面的原因?qū)е铝诉@階段除磷效果的惡化.

　　在本研究構(gòu)筑的反硝化除磷工藝中, 碳源被優(yōu)先供反硝化除磷所需, 消除了傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中反硝化菌與聚磷菌之間碳源競爭的矛盾, 磷在ABR段便可得到較好的去除, 后置好氧MBR進(jìn)一步強化了工藝對磷的去除.

　　2.3 脫氮效能分析

　　圖 5所示為不同C/N比條件下氮去除情況.從中可見, 隨C/N的提高, TN的去除率呈現(xiàn)出由高而低的變化趨勢.當(dāng)C/N由3.6提高至6.0時, 最終出水NH4+-N濃度穩(wěn)定在1.0 mg·L-1以下, 良好的硝化效果保證了工藝對TN的去除.在前4個C/N比條件下, 工藝最終出水TN平均濃度分別為27.64、23.49、19.67和12.97 mg·L-1, 平均去除率分別為66%、72%、76%和84%, 進(jìn)水COD濃度增加(C/N的提高)明顯增強了工藝對TN的去除效果.孫洪偉等對SBR的研究發(fā)現(xiàn), 提高C/N比有利于提高脫氮性能并增強反硝化微生物反硝化速率.與此同時, 較低的進(jìn)水COD濃度會影響厭氧段釋磷量, 釋磷量的不足導(dǎo)致可供DPB吸收的PO43--P有限.而相關(guān)研究表明, 缺氧段吸磷量與硝態(tài)氮消耗呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系, 因此在MBR提供充足電子受體的條件下, 釋磷量的不足限制了反硝化除磷對TN的去除.

　　圖 5

圖 5 不同C/N比下氮去除情況

　　但當(dāng)C/N比增大至7.2時, TN去除率則明顯下降, 平均去除率僅為63%, 工藝出水TN平均濃度高達(dá)31.32 mg·L-1. ABR出水過高的COD濃度嚴(yán)重影響了MBR內(nèi)的有效硝化, 導(dǎo)致NH4+-N去除效果不佳, 工藝出水NH4+-N平均濃度達(dá)21.64 mg·L-1, 出水NOx-平均濃度僅為9.61 mg·L-1, 電子受體的不足導(dǎo)致了TN去除效果的不佳.值得一提的是, 此階段反硝化吸磷量出現(xiàn)減少, 這也影響了TN的去除.

　　2.4 同步脫氮除磷效能分析

　　當(dāng)C/N分別為3.6、4.2、4.8和6.0時, 對4個C/N比條件下的平均缺氧段吸磷量與平均TN去除量進(jìn)行了線性回歸.如圖 6所示, ABR缺氧吸磷量與工藝對TN去除量有著良好的線性關(guān)系, 關(guān)系式如下：

　　圖 6

圖 6 TN去除量與缺氧段吸磷量相關(guān)性分析

　　由此可見, 在本研究ABR-MBR組合反硝化除磷工藝中, TN的去除效果依賴于工藝缺氧段對磷的吸收.但當(dāng)C/N繼續(xù)提高到7.2時, 工藝對TN的去除量與缺氧吸磷量反而沒有體現(xiàn)出較強的線性關(guān)系, 這可能是由于過高的進(jìn)水COD濃度嚴(yán)重破壞了工藝的反硝化除磷體系, 故這種良好的線性關(guān)系也是建立在反硝化除磷工藝正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)之上.

　　由此可見, C/N比與氮、磷的去除存在較好的響應(yīng)機制.一方面, 充足的優(yōu)質(zhì)碳源是實現(xiàn)高效反硝化除磷的關(guān)鍵, 在進(jìn)水有機物不影響缺氧吸磷的條件下, 提高進(jìn)水有機物濃度強化了工藝的反硝化除磷, 也有助于工藝氮、磷的去除; 另一方面, 過高的有機物濃度會嚴(yán)重影響缺氧段吸磷以及MBR的有效硝化, 反硝化除磷會受到電子受體不足而導(dǎo)致氮磷的去除效果不佳, 故良好的硝化效果是實現(xiàn)高效反硝化除磷的重要前提.

　　3 結(jié)論

　　(1) 在進(jìn)水C/N比分別為3.6、4.2、4.8、6.0和7.2時, ABR第2隔室的PO43--P濃度依次為8.37、9.65、11.41、13.44和4.02 mg·L-1, 提高進(jìn)水C/N比有利于厭氧釋磷, 但C/N比為7.2時對厭氧段釋磷產(chǎn)生抑制.

　　(2) 不同進(jìn)水C/N比下, ABR-MBR組合工藝最終出水溶解性PO43--P平均濃度分別為0.22、0.34、0.39、0.42和2.45 mg·L-1, 低C/N條件有利于本工藝對磷的去除.

　　(3) 進(jìn)水C/N比大于6.0時, 反硝化除磷會因MBR內(nèi)NH4+-N去除效果的嚴(yán)重惡化而崩潰, 其去除率由93.64%降低到62.97%, 良好的硝化效果是反硝化除磷的前提.具體參見污水寶商城資料或http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　(4) 在進(jìn)水C/N比分別為3.6、4.2、4.8和6.0時, ABR缺氧吸磷量與工藝對TN去除量有著良好的線性關(guān)系, 提高進(jìn)水C/N比有助于系統(tǒng)對氮磷的去除.