1 引言

　　近年來，氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的過多排放造成了緩流水體富營養(yǎng)化程度加劇.污水處理技術(shù)已從過去的有機污染物去除階段轉(zhuǎn)入兼顧脫氮除磷深度處理階段，經(jīng)濟高效的脫氮除磷技術(shù)已成為當前研究開發(fā)的重點.因此，研究人員不斷對傳統(tǒng)工藝進行升級改造，出現(xiàn)了一系列改進工藝，如改良UCT、Dephanox、改良A2O等工藝.Biolak工藝作為一種傳統(tǒng)工藝，具有投資省、運行簡便、多級A/O的特點，已廣泛應(yīng)用于我國中小城鎮(zhèn)污水的處理，但其脫氮除磷的效果尚無法達到日趨嚴格的污水排放標準.Biolak型A2O工藝是在Biolak工藝基礎(chǔ)上提出的一種新型高效節(jié)能脫氮除磷的改進工藝，該工藝已在多座城市污水處理廠得到應(yīng)用.

　　基于此，本文對承德市某污水處理廠的Biolak型A2O工藝運行情況進行生產(chǎn)性試驗研究.該工藝由在線溶解氧儀監(jiān)測好氧區(qū)中的DO，根據(jù)DO的變化來控制風(fēng)機運行.鑒于溶解氧對微生物生長影響較大，是影響系統(tǒng)硝化-反硝化效能的重要指標，好氧段曝氣量的多少也影響到厭氧段ORP值從而影響厭氧段的除磷能力，同時，曝氣量的大小直接影響污水處理廠的運行費用和處理效果.因此，本文研究了好氧區(qū)不同DO對系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，以期為Biolak工藝的工程改造和運行提供參考依據(jù).

　　2 材料及方法

　　2.1 污水處理廠工藝簡介

　　該污水處理廠設(shè)計規(guī)模為2.00萬m3 · d-1.工藝流程由預(yù)處理段、生物處理段、深度處理段和污泥處理段組成.

　　污水經(jīng)粗格柵除去粗大雜物后，經(jīng)泵房提升進入細格柵間，去除細小雜物.之后進入沉砂池，污水經(jīng)沉砂池后，進入生化綜合池(Biolak型A2O工藝).處理后的水進入深度處理區(qū)(絮凝反應(yīng)池+V型濾池)，進一步去除水中的懸浮物及總磷，濾池出水繼而進入消毒渠，經(jīng)消毒后出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準.剩余污泥排入貯泥池，經(jīng)帶式壓濾脫水后外運.工藝流程見圖 1.

　　圖 1 Biolak型A2O工藝流程圖

　　工藝設(shè)計參數(shù)：厭氧池水力停留時間(HRT)2.20 h，缺氧池水力停留時間(HRT)3.50 h，Biolak池水力停留時間(HRT)13.0 h，系統(tǒng)泥齡 15.0 d，污泥濃度3500 mg · L-1.試驗開展時間為2013年6月7日—9月16日.

　　2.2 Biolak型A2/O工藝原理與特點

　　Biolak型A2/O工藝是在傳統(tǒng)Biolak池前端增加厭氧池及污泥回流渠，提高了系統(tǒng)除磷能力.曝氣池采用懸掛鏈曝氣裝置(Biolak曝氣器)，曝氣器的不規(guī)則運動造成了曝氣池內(nèi)曝氣區(qū)域與不曝氣區(qū)域間隔存在，通過對曝氣池內(nèi)的溶解氧調(diào)控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級A/O段.

　　2.3 水質(zhì)情況

　　該污水處理廠接納的污水約70.0%為生活污水，30.0%為工業(yè)廢水，工業(yè)廢水以食品加工廢水為主.設(shè)計進水水質(zhì)及實際進水水質(zhì)見表 1.

　　2.4 分析方法

　　試驗中的主要分析項目包括MLSS、DO、ORP、COD、TN、TP、NH3-N、NO-3-N等.其中，DO、ORP采用HACH系列儀器進行在線檢測，其余項目測定采用國標方法.

　　表1 進出水水質(zhì)特性

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 溶解氧變化對COD去除的影響

　　溶解氧變化對COD去除的影響見圖 2.試驗期間DO為0.40~4.50 mg · L-1，進水COD為174 ~ 657 mg · L-1，平均值為369 mg · L-1，出水COD在10.6~42.3 mg · L-1之間，平均值為26.4 mg · L-1，出水COD值優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準規(guī)定值，COD的平均去除率達到了92.0%.由圖 2可知，試驗期間進水COD波動較大，在174~688 mg · L-1之間，而系統(tǒng)生化段出水COD均能低于50.0 mg · L-1，處理效果較好，說明系統(tǒng)具有一定的抗沖擊負荷能力.試驗初期低DO條件下(6月7日—7月3日，DO<0.80 mg · L-1)，系統(tǒng)COD的去除率為93.4%，略高于試驗期間COD平均去除率.低溶解氧污泥微膨脹理論認為，低DO條件下對COD的去除率略高的原因是在低DO下系統(tǒng)內(nèi)繁殖的絲狀菌具有較強的降解低濃度底物能力(郭建華等，2008).試驗結(jié)果表明，DO的變化對COD的處理效果影響不大.

　　圖 2 溶解氧對COD去除的影響

　　圖 3 溶解氧(a)和溫度(b)對氨氮去除的影響

　　3.2 溶解氧變化對氨氮去除的影響

　　試驗期間不同DO下，進、出水氨氮情況和去除效果如圖 3a所示.6月29日—9月4日(DO的變化范圍為0.80~3.50 mg · L-1)，系統(tǒng)水溫為22.0~31.0 ℃，氨氮去除率為93.3%，出水氨氮為2.17 mg · L-1.當DO值在0.80 mg · L-1以下時(6月7—29日)，氨氮的去除率略有下降，為90.4%，出水氨氮為2.90 mg · L-1.過低的DO抑制了硝化菌的活性，硝化效率有小幅下降，但氨氮去除率降低的較少，對出水氨氮基本無影響.Hanaki等研究發(fā)現(xiàn)，在低DO條件下盡管有機物氧化菌對硝化菌有抑制作用，但由于氨氧化菌的繁殖速率提高了近1倍，可補償DO降低所造成的活性下降，故系統(tǒng)的硝化效率仍然較高.如圖 3b所示，9月5—16日，系統(tǒng)DO為3.50~4.50 mg · L-1，生化段水溫下降至21.5~18.2 ℃，氨氮的進水負荷也隨之降低，氨氮的去除率并為因為負荷的下降而增加，反而，氨氮去除率平均為91.4%，較上一工況氨氮去除率有所下降.說明硝化作用受系統(tǒng)溫度的影響要高于進水負荷的影響，低溫條件不利于消化反應(yīng)進行，這也證實了我國北方污水處理廠冬季氨氮去除效果變差的原因.試驗表明，系統(tǒng)DO的變化對本工藝氨氮的去除率影響不大，氨氮的平均去除率為92.4%，生化段出水氨氮均值為2.40 mg · L-1.

　　3.3 溶解氧變化對TN去除的影響

　　不同DO條件下總氮去除情況如圖 4所示，試驗期間進水總氮在36.0 mg · L-1左右.由圖可知，DO對出水總氮影響較大，當DO過低時(0.40~0.80 mg · L-1)，硝化菌活性受到抑制，好氧區(qū)硝化不完全，氨氮去除率下降為90.4%，此時TN去除率為61.4%;當DO上升至0.80~1.50 mg · L-1時，氨氮去除率上升至92.8%，同時，TN去除率達到試驗期間最高值(69.5%)，脫氮效果最佳，總氮去除率穩(wěn)定，出水總氮<15.0 mg · L-1，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準對TN的要求.DO控制在0.80 ~1.50 mg · L-1時系統(tǒng)具有較高TN去除率主要歸因于工藝本身的優(yōu)勢特點和微環(huán)境理論.Biolak工藝曝氣區(qū)懸浮式移動曝氣器的不規(guī)則運動，造成了曝氣池內(nèi)曝氣區(qū)域與不曝氣區(qū)域間隔存在，通過對曝氣池內(nèi)溶解氧的調(diào)控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級A/O段.在低溶解氧的狀態(tài)下有利于增強不曝氣區(qū)的缺氧程度，真正意義上形成多級A/O段.另外，由于氧擴散限制及外部DO大量消耗使微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生了缺氧區(qū)，從而形成有利于實現(xiàn)好氧硝化段同時硝化反硝化(SND)的微環(huán)境.隨著DO值增加，污泥絮體內(nèi)部DO濃度增大，絮體內(nèi)部缺氧區(qū)消失，使反硝化過程受到抑制，TN去除率逐漸下降.當DO升至3.50 ~4.50 mg · L-1時，TN去除率僅為47.3%.Oh的研究表明，好氧區(qū)過度曝氣導(dǎo)致硝化回流液攜帶過高DO至缺氧區(qū)，是引起缺氧區(qū)反硝化效果下降的主要原因.

　　圖 4 溶解氧對總氮去除的影響

　　3.5 系統(tǒng)氮物料平衡分析

　　根據(jù)葛士建等建立的物料衡算方程，在不同溶解氧條件下對系統(tǒng)進行氮平衡分析(圖 5，包括缺氧區(qū)脫氮、同化作用脫氮、好氧區(qū)脫氮、出水總氮、其他未計算的氮).由圖可知，低DO(DO為1.00 mg · L-1時最佳)運行條件下系統(tǒng)曝氣區(qū)存在明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象，好氧脫氮占總氮的20.0%左右.當DO過高時，破壞了Biolak好氧段的多級A/O系統(tǒng)，同時破壞了污泥絮體內(nèi)部的微缺氧環(huán)境，系統(tǒng)好氧段脫氮率低于5.0%.當系統(tǒng)溶解氧維持在1.00 mg · L-1時，系統(tǒng)內(nèi)23.7%的氮通過好氧段的多級A/O反硝化脫氮去除.

　　圖 5 系統(tǒng)在不同溶解氧條件下氮分布情況

　　3.6 溶解氧變化對TP去除的影響

　　圖 6為DO對生化段出水TP、總出水TP的影響.當曝氣段DO過低時(<1.00 mg · L-1)，TP去除率為66.5%，聚磷菌的吸磷作用不明顯.王曉蓮等的研究表明，在低缺氧狀態(tài)下聚磷菌比吸磷速率僅為好氧狀態(tài)下的60.0%.隨著DO增加至3.00 mg · L-1時，TP去除率為65.3%.好氧段過度曝氣導(dǎo)致回流液中含氧量過高，破壞前段的厭氧環(huán)境，導(dǎo)致釋磷不充分從而影響好氧段聚磷菌的除磷效果.另外，回流液中硝酸鹽氮含量隨著DO的增加而增加，導(dǎo)致厭氧區(qū)的硝酸鹽氮濃度過高.當厭氧區(qū)硝酸鹽氮含量過高時，反硝化菌與聚磷菌競爭易降解的低分子脂肪酸，而反硝化菌的競爭能力遠遠大于聚磷菌，厭氧狀態(tài)下優(yōu)先進行反硝化，從而破壞了磷的釋放.當DO>3.00 mg · L-1時，試驗測得厭氧區(qū)的硝酸鹽氮大于1.50 mg · L-1，影響生化段出水TP的去除.Henze等研究發(fā)現(xiàn)，當厭氧區(qū)硝酸鹽氮濃度小于1.00 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應(yīng)較為明顯;當硝酸鹽氮濃度大于1.50 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應(yīng)明顯減弱;當硝酸鹽氮濃度大于2.00 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應(yīng)基本沒有發(fā)生.DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內(nèi)波動時，生化段出水TP去除率較高(74.0%).由于Biolak工藝曝氣段經(jīng)過多級A/O段，聚磷菌的比吸磷速率較低，且多級A/O屬于低污泥負荷范疇，排泥量較傳統(tǒng)工藝小，磷的去除將受影響，僅僅通過生化除磷出水難以達標.因此，需增加深度處理段(如增設(shè)濾池)，通過化學(xué)除磷，使出水TP<0.50 mg · L-1.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6 溶解氧對總磷去除的影響

　　4 結(jié)論

　　1)通過對Biolak型A2O工程進行為期4個月的調(diào)試運行，考察了DO變化對系統(tǒng)脫氮除磷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DO在0.400~4.50 mg · L-1變化時，Biolak型A2O工藝對生活污水具有良好的脫碳效果，COD平均去除率為93.0%;DO變化對氨氮去除率的影響較小，氨氮去除率可達到90.0%以上.COD及氨氮的出水水質(zhì)完全達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準.

　　2)DO為0.80~1.50 mg · L-1時，TN去除率達到試驗期間最高值(69.5%)，此時脫氮效果最佳，TN去除率穩(wěn)定，出水TN<15 mg · L-1.隨著DO的增加，TN去除率逐漸下降，當DO升至3.50~4.50 mg · L-1時，TN去除率僅為47.3%.低溶氧條件有利于Biolak 型A2O工藝好氧區(qū)多級A/O的形成.系統(tǒng)氮物料平 衡分析結(jié)果表明，當DO為1.00 mg · L-1時，系統(tǒng)23.7%的氮通過好氧段多級A/O反硝化脫氮去除.DO升高不利于Biolak型A2O工藝好氧段反硝化脫氮.

　　3)DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內(nèi)波動時，生化段出水TP去除率較高，為74.0%.

　　4)DO控制在1.00~1.50 mg · L-1之間時，系統(tǒng)脫氮除磷效果最佳.此時，TN、TP的去除率分別為68.9%、73.7%，出水TN、TP分別為12.2、0.95 mg · L-1.