A2N2双污泥系统反硝化除磷工艺的启动与稳定王梅香

2016年7月CIESCJournal·2987·July2016第67卷第7期化工学报Vol.67No.7DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160107A2N2双污泥系统反硝化除磷工艺的启动与稳定王梅香，赵伟华，王淑莹，张勇，彭永臻，潘聪，黄宇（北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京100124）摘要：采用低C/N比实际生活污水，以A2N2-SBR（厌氧/硝化/缺氧/硝化）双污泥系统为研究对象，重点考察了A2N2系统启动过程中的脱氮除磷特性。试验结果表明：采用在A2/O-SBR和N-SBR单元分别接种种泥，分开培养驯化聚磷菌污泥和硝化菌生物膜，并利用A2/O-SBR单元的出水作为N-SBR单元的进水，25d好氧硝化菌生物膜挂膜成功，氨氮去除率稳定在93%以上；A2/O-SBR单元采用先厌氧/好氧(A/O)后厌氧/缺氧(A/A)的运行方式，43d成功培养富集了反硝化聚磷菌（DPAOs），DPAOs占PAOs的67.81%，反硝化除磷率在77.9%以上；启动成功后原水中约73%和13%的COD分别在A2/O-SBR单元的厌氧段和N-SBR单元曝气过程中被去除，系统出水COD、NH+4-N、PO43−-P、TN浓度分别为40.6、0、0.4、13.5mg·L−1，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A排放标准。关键词：A2N2双污泥系统；反硝化除磷；生活污水；序批式反应器；启动中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）07—2987—11StartupandstabilityofA2N2doublesludgesystemdenitrifyingphosphorusremovalprocessWANGMeixiang,ZHAOWeihua,WANGShuying,ZHANGYong,PENGYongzhen,PANCong,HUANGYu(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:TheA2N2-SBR(anaerobic/nitrification/anoxic/nitrification)doublesludgesystemwasinvestigatedbyusinglowC/Ndomesticsewage.Thisstudyfocusedonthecharacteristicsofnitrifyingbacteriabiofilmmembraneanddenitrifyingphosphorusaccumulatingbacteria(DPAOs)domesticationandcultivation,A2N2doublesludgedenitrifyingphosphorusremovalprocessdenitrificationandphosphorusremovalcharacteristicsofthestartupprocess.TheresultsshowedthatbyconnectingsludgetoA2/O-SBRunitandN-SBRunit,respectivelytoculturedomesticationphosphorusaccumulatingbacteriasludgeandnitrifyingbacteriabiofilmsseparately.ByusingtheA2/O-SBRuniteffluentastheinfluentofN-SBRnitrifyingunits,thenitrificationbiofilmwasgrownupsuccessfullywithin25d.Theammonianitrogenremovalratewasstableabove93%.IntheA2/O-SBRunit,thesludgemixturewasoperatedunderanaerobic/aerobic(A/O)conditionfirstly.Then,theactivatedsludgewasconductedunderanaerobic/anoxic(A/A)condition,whichreinforcedtheeffectoftheinoculatingsludgedenitrifyingphosphorusremovalcommendably.After43d,thedenitrifyingphosphorusaccumulatingbacteria(DPAOs)wassuccessfullyenriched.DPAOsaccountedPAOsfor67.81%.Thedenitrifyingphosphorusremoval2016-01-25收到初稿，2016-03-14收到修改稿。联系人：王淑莹。第一作者：王梅香（1991—），女，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目(51578014)；北京市教委资助项目。Receiveddate:2016-01-25.Correspondingauthor:Prof.WANGShuying,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51578014)andtheFundingProjectsofBeijingMunicipalCommissionofEducation.化工学报第67卷·2988·ratesteadilystayedabove77.9%.Afterstartupsuccessfully,about73%,13%CODofrawwaterwasusedbyphosphorusaccumulatingbacteriaduringtheA2/O-SBRunitanaerobicphaseandwasremovedintheN-SBRunitaerationprocess,respectively.TheA2N2systemeffluentCOD,NH+4-N,PO43−-P,TNconcentrationswas40.6,0,0.4and13.5mg·L−1,respectively,meetingnationallevelAemissionstandards.ItwassuggestedthatA2N2doublesludgesystemdenitrifyingphosphorusremovalprocesswithgooddenitrificationandphosphorusremovalperformance.Keywords:A2N2doublesludgesystem;denitrifyingphosphorusremoval;domesticsewage;sequencingbatchreactor;startup引言随着水体污染不断加剧，“富营养化”问题日益突出，污水处理技术逐渐从以单一去除有机物为目的的阶段进入既要去除有机物又要脱氮除磷的深度处理阶段，以控制富营养化为目的的脱氮除磷成为当今污水处理领域的研究热点之一[1-3]。目前，废水生物脱氮主要通过硝化反硝化过程来实现，而生物除磷则主要通过聚磷菌过量摄磷和排泥来实现。尽管A2/O及其改良的Bardenpho、UCT和MUCT等传统的生物除磷脱氮工艺兼顾了除磷和脱氮作用，但实际运行效果并不理想，主要原因是存在碳源供求和泥龄控制的矛盾，除磷过程和脱氮过程相互制约[4-5]。与传统生物脱氮除磷工艺相比，A2N等双污泥反硝化除磷工艺在流程设计及条件控制上，昀大限度地提高了低C/N比城市污水中有限碳源的利用率，力求避免碳源损耗于反硝化过程和好氧过程，强化了聚磷菌的缺氧摄磷能力，减少了外加电子受体(O2，用于好氧摄磷)和电子供体(碳源，用于反硝化)的数量，同时降低污泥产量，节省运行费用[2,4,6-7]。但由于传统的A2N反硝化除磷工艺运行方式属后置反硝化除磷，一部分氨氮残留在反硝化除磷污泥中没有经过硝化直接排放，造成出水NH+4-N浓度超标，出水TN不达标，从而限制了其推广应用[8]。针对传统后置反硝化除磷A2N工艺存在的问题，有研究者提出了培养颗粒污泥，提高污泥沉降性，增大容积交换比以降低出水氨氮浓度[9]，或缩短污泥龄提高氨氮同化作用[2]，但效果有限，系统出水NH+4-N仍然不能达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准（NH+4-N≤5mg·L−1）。在此基础上，作者提出了一种按照“厌氧/硝化/缺氧/硝化”方式运行的新型双污泥反硝化除磷工艺——A2N2工艺，通过对SBR反应时序的灵活控制，生活污水首先进入A2/O-SBR反应器，在厌氧阶段吸收外碳源转化并储存PHA和释磷，然后静沉排水，富含氨氮的上清液进入N-SBR反应器完成硝化反应，硝化出水回流到A2/O-SBR反应器进行缺氧反硝化除磷反应，反应结束后进行短暂的好氧吸磷，完成剩余磷的吸收，同时吹脱反硝化除磷过程中产生的氮气，然后静止沉淀，排水再次进入N-SBR反应器完成剩余氨氮的硝化，二次硝化出水作为昀终出水排放，因此出水几乎不含氨氮，彻底解决了传统A2N工艺出水氨氮过高的瓶颈问题，实现深度脱氮除磷。由于硝化菌和聚磷菌生理特性的不同[10-11]，为了减少培养富集DPAOs和好氧硝化生物膜以及A2N2系统启动的时间，采用实际生活污水并利用A2/O-SBR单元的出水作为N-SBR硝化系统的进水的方式[12-13]，在不同的SBR中分开独立培养好氧聚磷菌和好氧硝化生物膜，使之在较适宜的条件下和较短的时间内迅速生长，待系统好氧吸磷效果、硝化效果稳定后，进入下一阶段培养（即进行硝化液回流），进一步培养富集好氧硝化生物膜和反硝化聚磷菌，待反硝化脱氮除磷效果稳定后，进行二次硝化，降低系统出水NH+4-N浓度，完成A2N2系统的启动。本试验采用A2N2工艺，重点考察了硝化菌生物膜挂膜特性、反硝化聚磷菌(DPAOs)的驯化培养特性及A2N2双污泥反硝化除磷工艺启动过程中的脱氮除磷特性，以期为该工艺的快速启动和工程应用提供理论依据。1试验材料和方法1.1试验装置A2N2工艺试验装置和处理流程分别如图1（a）、（b）所示，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、A2/O-SBR单元（厌氧/缺氧/好氧除磷系统）、N-SBR第7期王梅香等：A2N2双污泥系统反硝化除磷工艺的启动与稳定·2989·单元（生物膜硝化系统）。试验用序批次反应器（SBR）均为有机玻璃制成的圆柱形、平底、敞口式反应器，直径20cm，高45cm，总容积为12L，有效容积为10L，并在反应器有机玻璃壁的垂直方向设置一排取样口，用于取样和排水。系统每周期进水体积为7L，充水比为0.7。其中A2/O-SBR反应器采用活性污泥法，内设有搅拌器进行机械搅拌，搅拌速度为90r·min−1，反应器启动运行过程中，根据实际情况进行排泥，使反应器内污泥浓度（MLSS）维持在2500～3000mg·L−1，SRT为10d；N-SBR采用生物膜法，放置聚乙烯蜂窝式活性生物悬浮填料，挂好氧硝化菌生物膜，在反应器底部设有黏砂块作为微孔曝气头进行鼓风曝气，为保证填料处于流化状态，使其与底物充分接触，DO控制在4～6mg·L−1，DO、T和pH传感器监测反应过程各参数值的变化。进水量、硝化液回流量均由蠕动泵控制，曝气量通过反应器上玻璃转子流量计的调节阀进行调控。本试验在环境温度下运行，反应