传统和氧化沟型A2O工艺脱氮除磷性能对比丁晓倩

第12卷第5期2018年5月环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringVol.12,No.5May2018水污染防治DOI10.12030/j.cjee.201709052中图分类号X703.1文献标识码A丁晓倩,赵剑强,陈钰,等.传统和氧化沟型A2/O工艺脱氮除磷性能对比[J].环境工程学报,2018,12(5):1480-1489.DINGXiaoqian,ZHAOJianqiang,CHENYu,etal.ComparisonofnitrogenandphosphorusremovalperformancesfortraditionalandmodifiedA2/Oprocess[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2018,12(5):1480-1489.⪌㵔⼮䂖⿐⹖㾮A2/O⹅䄶㵲⭋⨞㑸㾵㚽ⰵ⡩丁晓倩1，赵剑强2,3,*，陈钰2，胡博4，马保成11.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安7100542.长安大学环境科学与工程学院，西安7100643.长安大学旱区地下水与生态效应教育部重点实验室，西安7100644.长安大学建筑工程学院，西安710064第一作者：丁晓倩（1982—），女，博士，高级工程师，研究方向：污水生物脱氮除磷及数学模拟。E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]摘要为了对比研究传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的脱氮除磷性能，通过实验分析了2种工艺在不同水力停留时间、不同混合液回流比、不同污泥回流比、不同污泥浓度条件下的脱氮除磷效果及典型工况下的污染物去除过程。结果表明，2种工艺在大多数情况下均可实现良好的脱氮除磷性能，出水COD、NH4+-N、TN和TP等各项水质指标均可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A要求。在传统A2/O工艺的缺氧段发生了反硝化除磷反应，在氧化沟型A2/O工艺中则未发生。关键词A2/O工艺；改良A2/O工艺；生物脱氮除磷；性能对比A2/O工艺是一种简单的具有同步生物脱氮除磷功能的污水处理工艺[1-2]，由于其构筑物结构简单、水力停留时间短、污泥不易发生膨胀和设计运行经验成熟等特点，已成为世界上应用最为广泛的污水处理工艺之一[3]。在我国的城市污水处理厂中，以A2/O工艺模式运行的污水厂占全国污水厂总处理能力的比例最大，约为33.2%；尤其是在大型城市污水处理厂中，A2/O工艺为最常用的处理工艺，约占总处理能力的43.52%[4]。但是，A2/O工艺也存在一些不足之处，如硝化菌所需泥龄较长和除磷菌所需污泥龄较短之间的矛盾，厌氧释磷和缺氧反硝化过程对基质的竞争[5-6]，回流污泥和混合液携带硝态氮和溶解氧的问题等，使得其难以同时保证脱氮和除磷效果[7-8]。碳源分配、内外回流比、污泥龄、溶解氧、污泥龄等运行参数是影响系统脱氮除磷效率的关键因素，将这5个因素进行调整得出的传统A2/O工艺和衍生出的多种改良A2/O工艺可在一定条件下同时满足较高的脱氮除磷效率的需要。另外，基于推流曝气的特点，氧化沟内的溶解氧沿池长呈现浓度梯度分布，在池中不同区域形成好氧、缺氧变化的反应环境，可取得较好的脱氮效果。将A2/O工艺与氧化沟工艺相结合的A2/O氧化沟工艺有效地发挥了A2/O工艺脱氮除磷与氧化沟工艺高效去除有机污染物的优点，具有建设投资少、处理成本低、出水水质好、耐冲击负荷能力强等优点[7]，得到了越来越广泛的应用[8]。借鉴氧化沟工艺污水在好氧区和缺氧区依次、循环反应的特点，将传统A2/O工艺的反应构筑物和反应顺序进行调整，可形成氧化沟型A2/O工艺[9]。本研究旨在研究不同水力停留时间、内外回流比、碳源分配条件下的传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的脱氮除磷效果，并分析2种工艺在典型运行条件下的碳、氮、磷等污染物的反应过程机理。收稿日期:2017-09-07；录用日期:2018-03-18基金项目:国家自然科学基金资助项目（51778057）；西安科技大学博士（后）启动基金资助项目（2017QDJ062）第5期丁晓倩等:传统和氧化沟型A2/O工艺脱氮除磷性能对比14811实验部分1.1反应装置实验所用装置由有机玻璃制成，包括3个长方体构造的生物反应池（厌氧池、缺氧池和好氧池）和1个圆锥体构造的沉淀池。厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池的有效容积分别为7.5、10、20和6L。各池采用硅胶管连接，前一池的出水通过重力作用溢流至下一池，反应器进水和回流污泥、回流混合液通过蠕动泵（兰格BT100-2J）控制。好氧池内底部装有曝气砂盘，通过空气压缩机进行鼓风曝气，使用转子流量计（双环LZB-3WB）调节空气流速保证DO浓度稳定在（2.50.1）mg
L-1范围内。厌氧池、缺氧池和好氧池设置电动搅拌器和加热棒，维持反应器内泥水混合均匀、反应温度在（261）℃范围内。实验采用连续进水、连续出水的方式运行。实验装置如图1所示。电动搅拌器电动搅拌器电动搅拌器加热棒DO仪pH仪加热棒空气压缩机气体流量计进水蠕动泵蠕动泵蠕动泵厌氧池缺氧池好氧池沉淀池出水图1A2/O实验反应装置示意图Fig.1SchematicdiagramofexperimentaldeviceforA2/Oprocess1.2接种污泥与进水水质实验接种污泥取自西安市长安区某市政污水处理厂污泥回流系统。实验进水为人工模拟生活污水，污水水质及组分含量见表1、表2。表1模拟污水水质指标Table1WaterqualityindicatorsofsimulatedwastewaterCOD/NH4+-N/NOx--N1）/TN/PO43--P/TP/pH（mg
L-1）（mg
L-1）（mg
L-1）（mg
L-1）（mg
L-1）（mg
L-1）37535035447.5注：1）NOx--N为NO2--N和NO3--N之和。表2人工配水组分及含量Table2CompositionsandcontentsofsyntheticwastewaterC6H12O6/NH4HCO3/NaHCO3/KH2PO4/CaCl2/MgSO4
7H2O/营养液[10]/（g
L-1）（g
L-1）（g
L-1）（g
L-1）（g
L-1）（g
L-1）（mL
L-1）0.41670.20.30.02170.010.010.11.3监测项目实验监测项目包括COD、氨氮（NH4+-N）、溶解性磷酸盐（PO43--P）、硝酸盐氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）、溶解氧（DO）、温度、pH、SV30、混合液悬浮固体浓度（MLSS）和挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）。总氮（TN）浓度采用氨氮、硝酸盐氮与亚硝酸盐氮浓度之和。各监测项目的监测均参考文献中的方法[11]，见表3。1482环境工程学报第12卷1.4运行模式表3监测项目与分析方法Table3Monitoringprojectsandanalysismethods监测项目分析方法COD重铬酸钾法NH4+-N纳氏试剂分光光度法NO2--NN-（1-萘基）-乙二胺分光光度法NO3--N酚二磺酸分光光度法PO43--P钼锑抗分光光度法DOHach-HQ30d溶解氧（温度、ORP）测定仪pHpHS10型酸度计温度Hach-HQ30d溶解氧（温度、ORP）测定仪MLSS103~105℃烘干重量法MLVSS600℃烘干重量法SV30100mL量筒沉淀实验分为6个阶段，分别研究了不同反应条件下以传统A2/O工艺和以氧化沟型A2/O工艺模式运行的系统脱氮除磷效果。根据污水厂设计手册、污水厂运行技术规范[12-14]及已有研究结果[15-16]设定了水力停留时间、污泥龄、混合液回流比、污泥回流比、污泥浓度等主要运行参数。实验改变各阶段的运行参数值，各阶段运行条件见表4。在传统A2/O工艺流程的基础上，调整厌氧池出水使其直接进入好氧池，好氧池混合液回流至缺氧池，可在反应器中形成类似于氧化沟工艺的运行模式，即污水在好氧区、缺氧区依次、循环进行生化反应，因此，把这种工艺称为氧化沟型A2/O工艺。传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺流程见图2。表4传统A²/O工艺和氧化沟型A²/O工艺运行条件Table4OperationalconditionsofconventionalA2/OprocessandmodifiedA2/Oprocess实验编号工艺类型水量/（L
d-1）HRT/hSRT/dDO/（mg
L-1）混合液回流比/%污泥回流比/%污泥浓度/（mg
L-1）1#传统A2/O工艺9010202.2820010031162#6015252.5020020035693#6015202.5510020028564#氧化沟型A2/O工艺6015252.3820020037805#6015202.5520010028566#6015202.222002002625进水厌氧池缺氧池好氧池二沉池出水污泥回流混合液回流剩余污泥剩余污泥污泥回流混合液回流进水厌氧池缺氧池好氧池二沉池出水氧化沟型A2/O工艺传统A2/O工艺图2传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺流程图Fig.2ProcessflowdiagramsofconventionalA2/OprocessandmodifiedA2/Oprocess2结果与讨论2.1传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的碳、氮、磷去除效果实验研究了表4中6个工况不同水力停留时间、不同回流比、不同污泥浓度和污泥龄条件下的传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的污染物去除效果，2种A2/O工艺均在厌氧-缺氧-好氧交替运行的环境中实现了碳、氮、磷等污染物的去除[16]。运行结果见图3~图6。如图3所示，鉴于实验模拟的生活污水中的有机物由葡萄糖配制而成，为可快速去除的易生物降解基质，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在所有运行工况下均取得了良好的有机物去除效果，第5期丁晓倩等:传统和氧化沟型A2/O工艺脱氮除磷性能对比1483COD去除率均高于90%，出水COD浓度均值为16.15mg
L-1。通过传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的典型运行工况（图7（a））可知，污水中的有机物在厌氧段已基本被全部去除。在此过程中，有机物首先在异养菌作用下被厌氧发酵，转化为甲酸、乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸（VFA），然后被PAO利用聚磷酸盐水解释放的能量主动吸收，最终PAO将其转化为胞内聚合物储藏于体内[17]。010203040506070809010001002003004006#5#4#3#2#1#020406080100进水COD浓度出水COD浓度COD去除率COD去除率/%时间/dCOD浓度/（mg•L-1）图3传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺COD处理效果Fig.3CODremovalperformancesofconventionalA2/OprocessandmodifiedA2/Oprocess01020304050607080901000204060806#5#4#3#1#2#020406080100进水NH4+-N出水NH4+-NNH4+-N去除率NH4+-N去除率/%时间/dNH4+-N浓度/（mg•L-1）图4传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺NH4+-N处理效果Fig.4NH4+-NremovalperformancesofconventionalA2/OprocessandmodifiedA2/Oprocess0102030405060708090100020406080TN去除率/%6#5#4#3#2#1#/(mg时间/d进水TN出水TN020406080100TN去除率TN浓度/（mg•L-1）图5传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺TN处理效果Fig.5TNremovalperformancesofconventionalA2/Oprocess