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)充分釋磷的關鍵, 而進水有機物濃度的高低決定了厭氧段VFA的多少.進水有機物濃度過低, 可供DPB利用的VFA含量則不足, 導致DPB在厭氧段無法充分釋磷; 反之, 若進水有機物濃度過高, 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), 除磷效果受到進水有機物的影響.由于兩種工藝原理不同, 使得進水C/N比對本工藝反硝化除磷性能的影響機制值得進一步研究.本課題組前期已對反硝化除磷條件進行了部分優(yōu)化, 本研究通過深入考察進水C/N比對ABR-MBR組合工藝反硝化除磷性能的影響機制, 以期為其實際應用奠定基礎.

　　1 材料與方法 1.1 試驗裝置

　　研究裝置采用自行設計的ABR-MBR一體化反應器(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TMP增至30 kPa時對膜組件進行化學清洗.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 進水與污泥

　　為減小水質(zhì)波動對本研究的影響, 試驗進水為模擬生活污水(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.運行期間通過向進水中投加適量淀粉來調(diào)控進水COD, 從而調(diào)控進水C/N比.試驗進水水質(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)分析指標均按國家標準方法測定[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個不同的進水C/N比條件下, 進水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去除率隨著進水COD濃度的增加略有提高, 而當進水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鍵.在5個不同進水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行優(yōu)化, 本研究對不同進水C/N比條件下ABR-MBR組合工藝的厭氧釋磷情況進行了分析, 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水有機物濃度顯得至關重要.

　　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進一步強化了工藝對磷的去除.當繼續(xù)提高C/N比至7.2時, ABR出水的溶解性PO43--P濃度達5.41 mg·L-1, 這時的缺氧吸磷量僅為4.02 mg·L-1, 反硝化除磷效果嚴重惡化.一方面是厭氧釋磷量的減少導致了吸磷量的不足, 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2.45 mg·L-1.一方面, 過高的COD濃度抑制了厭氧釋磷, 導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95 mg·L-1, 嚴重影響了MBR段硝化效果, 從而導致可供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)先進行反硝化, 進一步搶奪了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, 較低的進水COD濃度會影響厭氧段釋磷量, 釋磷量的不足導致可供DPB吸收的PO43--P有限.而相關研究表明, 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31.32 mg·L-1. ABR出水過高的COD濃度嚴重影響了MBR內(nèi)的有效硝化, 導致NH4+-N去除效果不佳, 工藝出水NH4+-N平均濃度達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系, 關系式如下：

　　圖 6

圖 6 TN去除量與缺氧段吸磷量相關性分析

　　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)出較強的線性關系, 這可能是由于過高的進水COD濃度嚴重破壞了工藝的反硝化除磷體系, 故這種良好的線性關系也是建立在反硝化除磷工藝正常運轉(zhuǎn)的基礎之上.

　　由此可見, C/N比與氮、磷的去除存在較好的響應機制.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鍵, 在進水有機物不影響缺氧吸磷的條件下, 提高進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://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。

　　(4) 在進水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系, 提高進水C/N比有助于系統(tǒng)對氮磷的去除.