A2O工艺和A2OBCO工艺的脱氮除磷性能比较

中国环境科学2019,39(3)：994~999ChinaEnvironmentalScienceA2O工艺和A2O+BCO工艺的脱氮除磷性能比较赵伟华1,2,王梅香3,李健伟1,冯岩1,刘博1,李夕耀1,彭永臻1*(1.北京工业大学,国家工程实验室,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；2.哈尔滨工业大学,海洋科学与技术学院,山东威海264209；3.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心,北京100044)摘要：以实际低C/N生活污水为研究对象,依次分别采用A2O工艺和A2O+BCO(生物接触氧化)工艺考察系统的脱氮除磷性能.试验在进水负荷和运行参数基本维持不变的情况下运行134d.结果表明,相对于A2O系统,A2O+BCO系统由于采用双污泥工艺,硝化菌和聚磷菌(PAOs)污泥龄分离,同时反硝化除磷“一碳两用”,碳源利用率更高,TN和TP去除率分别提高了18%和28%.其次FISH试验表明,在稳定运行的A2O+BCO工艺中,PAOs比例为22%,远远超过A2O中7%的比例,从微生物角度证明了脱氮除磷效果好的原因.关键词：低碳氮比(C/N)；A2O工艺；A2O+BCO工艺；反硝化除磷；双污泥中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)03-0994-06NitrogenandphosphorusremovalperformancecomparisonbetweenA2OandA2O+BCOsystem.ZHAOWei-hua1,2,WANGMei-xiang3,LIJian-wei1,FENGYan1,LIUBo1,LIXi-yao1,PENGYong-zhen1*(1.NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.SchoolofMarineScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209,China；3.BeijingDrainageGroupTechnologyResearchandDevelopmentCenter,Beijing100044,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(3)：994~999Abstract：A2OandA2O+BCOprocesswereemployedtotreatdomesticwastewaterwithlowcarbontonitrogenratio(C/N=3.96)tocomparetheirnutrientremovalperformance,respectively.Theinfluentloadingandoperationconditionwerekeptconsistentfor134days,A2O+BCOsystemachievedahighernitrogenandphosphorusremovalefficiencythanA2Osystembecauseoftheapplicationofdenitrifyingphosphorusremovaltechnologyandtwo-sludgetheory,whichcouldusecarbonresourcemoreefficientlyandsolvetheSRTcontradictionbetweennitrifiersandPAOs.PAOsaccountsfor22%inthestableA2O+BCOsystemhigherthan7%intheA2Osystem,whichexplainthemechanismforthesuperiornutrientremovalperformance.Keywords：lowC/Nratio；A2Oprocess；A2O+BCOprocess；denitrifyingphosphorusremoval；twosludge城市生活污水普遍存在碳源不足、C/N较低等问题从而制约现有污水处理厂的脱氮除磷性能.A2O工艺由于具有在同一个系统内实现同步脱氮除磷的优点被广泛应用于市政生活污水的处理[1],但在实际运行中存在硝化菌和聚磷菌(PAOs)的污泥龄矛盾,反硝化菌和PAOs的碳源竞争,污泥回流含有硝酸盐影响厌氧释磷等,导致脱氮除磷效率不高[2-3].针对这些缺陷,很多研究者对A2O工艺进行了改良,研发了倒置A2O[4],JHB[5],UCT[6]等工艺,取得了一定效果,但仍存在不足.A2O+BCO双污泥反硝化除磷工艺[7],在传统A2O工艺基础上进行改良,通过增加生物接触氧化单元(BCO)将A2O单元原有硝化功能分离出去,原有A2O单元承担反硝化除磷功能,硝化只发生在BCO中,通过BCO硝化液出水回流到A2O单元缺氧区进行脱氮.根据前期研究[7],本系统中硝化菌和PAOs污泥龄分离,硝化菌存在于BCO硝化反应器中,PAOs存在于A2O单元中,并以NO3--N为电子受体,以细胞内储存的PHA为电子供体,以“一碳两用”的方式进行同步脱氮除磷,减少了碳源需求和曝气量,降低了污泥产量[8],适合我国低C/N城市生活污水现状,并且提标改造简单.本试验以实际低C/N城市生活污水为处理对象,在进水负荷相同的条件下,依次采用A2O工艺和在A2O工艺基础上改进的A2O+BCO工艺,对两者的脱氮除磷性能进行考察比较,并通过分子生物学FISH鉴定的方法揭示其机理,以期为低C/N生活污水实现稳定高效的脱氮除磷提供新型工艺,同时为我国A2O工艺的提标改造提供理论基础和技术指导.收稿日期：2018-08-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578014);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2019.01193期赵伟华等：A2O工艺和A2O+BCO工艺的脱氮除磷性能比较9951试验材料和方法1.1试验装置及试验安排根据前期试验获得的A2O[1]和A2O+BCO[7]最优工况,本次试验两阶段的工况运行如下.(1)阶段1:A2O系统主要由A2O反应器、沉淀池顺序连接组成,试验装置如图1(a)所示.推流式A2O反应器由无色有机玻璃构成,有效容积为30L,均分为9个格室,厌氧:缺氧:好氧容积比为1:3:5.厌氧段和缺氧段采用搅拌器搅拌,好氧段格室的底端以黏砂块为微孔曝气器,采用气泵进行鼓风曝气,转子流量计调节曝气量,沉淀池采用竖流式,体积为20L,硝化液从好氧段末端回流到缺氧段首端,污泥回流从二沉池底部回流到厌氧池首端,通过蠕动泵实现进水、硝化液回流、污泥回流等功能.A2O工艺整体HRT=8h,按照厌氧/缺氧/好氧=0.89h/2.67h/4.44h运行,进水流量3.75L/h,污泥回流比100%,硝化液回流比200%,SRT=15d,MLSS=4000mg/L.(2)阶段2:试验装置如图1(b)将原有A2O工艺前6个格室改造为新工艺的A2O池,厌氧:缺氧:好氧=1:4:1,第6格出水通过增加出水堰流入中间沉淀池,中间沉淀池出水进入BCO池,BCO池共3格,内置聚乙烯材质的悬浮生物填料(直径×高度=25×10mm,比表面积500~700m2/m3,密度为960~1000kg/m3),填充率约为40%.生活污水依次流经厌氧/缺氧/好氧区/硝化区,A2O+BCO装置按照厌氧:缺氧:好氧:硝化容积比为1:4:1:3运行,沉淀池出水进入BCO完成硝化后其出水一部分回流到A2O装置的缺氧区,一部分排放,通过改变硝化液回流比可明显提高TN去除率.污泥回流到A2O池厌氧段.试验期间HRT=8h,污泥回流比100%,硝化液回流比300%,SRT=12d,MLSS=2500mg/L.综上所述,试验前60d按照A2O工艺模式运行,61-135d按照A2O+BCO工艺模式运行.(a)A2O工艺(b)A2O+BCO工艺图1生化系统流程Fig.1Schematicdiagramofthebiologicalsystem1-1:进水水箱;1-2:A2O单元;1-3:沉淀池;1-4:出水;1-5:污泥回流;1-6:硝化液回流;1-7:剩余污泥;1-8:气泵;1-9:蠕动泵;2-1:进水水箱;2-2:A2O单元;2-3:沉淀池;2-4:BCO单元;2-5:出水;2-6:污泥回流;2-7:硝化液回流;2-8:剩余污泥;2-9:蠕动泵;2-10:气泵1.2接种污泥和试验污水初始接种污泥取自北京高碑店污水处理厂A2O996中国环境科学39卷工艺二沉池剩余污泥.试验用水采用北京工业大学教工住宅小区化粪池生活污水,试验期间的原水水质特点见表1,原水pH值平均为7.3,试验均在室温下进行.表1原水水质特点Table1Theinfluentcharacteristics指标范围(mg/L)均值(mg/L)COD249.2~176.1207.8NH4+-N33.3~60.4248.1NO3--N0~0.230.02NO2--N0~0.550.14TN37.02~65.252.42TP3.01~5.724.141.3分析方法MLSS、COD等指标采用标准方法测定(APHA,1998),水样采用中速滤纸过滤,PO43--P,NH4+-N,NO2--N,NO3--N由LachatQuikchem8500型流动注射仪测定(LachatInstrument,Milwaukee,wiscosin);TN通过TN/TOC分析仪(MultiN/C3100,AnalytikJena,AG)测定;采用WTW,Multi340ipH/DO仪测定pH值、氧化还原电位(ORP)值和溶解氧(DO).PAOs的相对定量分析采用荧光原位杂交(FISH)技术,通过zilles等[9]提供的方法进行PAOs和全菌的比例测算,PAOs探针为PAO462(CCGTCATCTACWCAGGGTATTAAC),PAO651(CCCTCTGCCAAACTCCAG),PAO846(CTTAGCTACGGCACTAAAAGG),全菌探针为EUB338(GCTG-CCTCCCGTAGGAGT),EUB338-II(CAGCCACCCGTAGGTGT),EUB338-III(CTGCCACCCGTAGGTGT),图片采用OLYMPUSDP72数字成像系统采集.2结果与讨论2.1COD去除特性试验期间,原水COD在176.1~249.2mg/L之间波动,平均值为207.8mg/L,C/N较低(3.96).由图2可见,A2O和A2O+BCO工艺一直保持稳定的较高COD去除率,分别为78.85%和77.63%,出水COD一直稳定低于国家一级A排放标准,实现了有机物的深度去除,这说明有机物的去除不再是难题,难点在于脱氮除磷.在本研究中,两种工艺对COD的转化去除途径有所不同,由图3(a)、(b)可以看到,在A2O工艺中,COD主要在厌氧和缺氧区去除,COD去除所占比例分别为63%和11%.COD在厌氧区用于去除污泥回流中含有的NO3--N,同时储存为PAOs体内的PHA并释磷,在缺氧区剩余的COD被进一步用于反硝化,但是由于进水中碳源有限,厌氧区优先利用消耗大部分COD,缺氧区反硝化碳源不足,导致缺氧区末端仍有大量硝酸盐存在(图3a),是造成TN超标的主要原因.张杰等[10]认为反硝化效果受到碳源量的限制,而且大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污泥进入厌氧区,会进一步干扰厌氧释磷的正常进行.而在A2O+BCO工艺中,由于硝化发生在BCO中,A2O的好氧段没有硝化作用,回流污泥中不含有硝酸盐,保证了良好的厌氧环境,