傳統的脫氮除磷技術(shù)由于工藝形式的限制，在處理低碳氮比污水時(shí)脫氮和除磷往往無(wú)法兼得。分段進(jìn)水突破了傳統AAO工藝的單點(diǎn)進(jìn)水，具有有機物去除率高、污泥濃度較高等優(yōu)點(diǎn)。國內外有很多學(xué)者從工藝設計參數和運行影響因素、模型模擬、性能優(yōu)化等角度對分段進(jìn)水進(jìn)行了大量的研究。在此基礎上，劉勝軍等人提出了MAAO(multilevel anaerobic/anoxic/oxic process)工藝。該工藝有著(zhù)優(yōu)化利用碳源、減少曝氣能耗，降低污泥產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在沈陽(yáng)市某污水處理廠(chǎng)投入使用。不過(guò)由于該工藝調節參數復雜，具體的運行機理尚不十分明確，因此本實(shí)驗對該工藝的運行優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究。本研究以實(shí)驗室配水模擬的污水廠(chǎng)進(jìn)水為處理對象，優(yōu)化改良MAAO工藝的運行條件，研究該工藝的脫氮除磷性能和各污染物的去除機制。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗裝置和實(shí)驗方案
MAAO系統由原水箱、反應器、終沉池三部分連接組成。原水箱容積75L。MAAO系統由有機玻璃構成，有效容積14L，共分為4級，每一級由厭氧、缺氧、好氧3個(gè)區域組成，厭氧/缺氧/好氧體積比為1∶2∶4，從第一級到第四級共分為12個(gè)區域。二沉池為豎流式，總體積為9L。系統通過(guò)反應器好氧區底部安裝的砂芯曝氣頭進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，通過(guò)調整玻璃轉子流量計來(lái)調整曝氣量。各池頂部設有恒速攪拌裝置。攪拌電機為24V直流電機，轉速為200rpm。進(jìn)水和分流通過(guò)小型蠕動(dòng)泵控制，污泥回流由蠕動(dòng)泵控制。
如圖1所示，系統共有4級進(jìn)水，3級分流，進(jìn)水比為本級進(jìn)水量與整個(gè)系統的總進(jìn)水量之比，分流比為去往下一級厭氧池的污泥量與本級缺氧池總流出污泥量之比。
1.2 接種污泥與實(shí)驗用水
用于MAAO反應器接種的活性污泥取自西安市某處理廠(chǎng)二期工程(MAAO工藝)的第四級好氧區污泥進(jìn)行自然馴化。污水處理廠(chǎng)長(cháng)期運行穩定，進(jìn)水為城市生活污水，出水水質(zhì)長(cháng)期達到一級A標準。馴化三周后反應器二沉池出水懸浮物(SS)小于20mg·L-1，系統達到穩定。實(shí)驗使用人工配水模擬生活污水，總體上保持進(jìn)水基質(zhì)濃度為定值，配水使用無(wú)水乙酸鈉和葡萄糖按照提供COD1∶1的比例做為碳源，以氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，具體配水水質(zhì)為見(jiàn)表1。每升配水中添加0。4mL微量元素。
1.3 分析項目與方法
NH4+-N、NO-2-N、NO-3-N、TP按照標準方法測定，COD由快速消解儀(哈希，美國)測定。DO由便攜式溶氧儀(HQ40d，哈希，美國)測定，溫度由酒精溫度計測定。
1.4 實(shí)驗條件與運行方案
MAAO系統在室溫(19～22℃)條件下運行。整個(gè)實(shí)驗期間總進(jìn)水流量為28.8L·d-1，污泥齡控制為10～12d，污泥回流比為100%，混合液回流比為75%。具體運行條件見(jiàn)表2。厭氧、缺氧段DO控制在0～0.35mg·L-1，好氧區DO維持在0.5～1.2mg·L-1。
1.5 系統SND脫氮計算方法
系統通過(guò)SND途徑去除的氮量和SND率可以通過(guò)公式(1)～(4)計算。
式中：NSND、Nde、和Nass分別為系統每天通過(guò)同步硝化反硝化、反硝化過(guò)程和同化作用去除的氮量，g·d-1；Nin和Neff為每天進(jìn)入和排出系統的氮量，g·d-1；Ndn1、Ndn2、Ndn3、Ndn4、Nsec分別為各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量，g·d-1；MLSSwaste為剩余污泥濃度，g·L-1；fVSS/SS為揮發(fā)性污泥濃度與MLVSS與MLSS的比值；Vwaste是每天的剩余污泥排放量，L；fN/bio為活性污泥中氮的含量，取12.39%。
2、結果與討論
2.1 MAAO系統脫氮特性
各種工況條件下進(jìn)出水氮濃度和去除率見(jiàn)圖2。5種工況下的平均出水氨氮濃度分別為4.41mg·L-1、0.45mg·L-1、9.65mg·L-1、8.03mg·L-1、0.74mg·L-1，去除率分別為91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%。其中工況一、工況二和工況五的出水氨氮較低，符合國家一級A標準，而工況二和工況五的氨氮去除率最高，出水氨氮量接近于零，硝化反應徹底。對比表2可以看出，從工況五到工況二，總好氧區HRT變化為從125～113min，實(shí)際出水氨氮濃度相差不大，系統可以實(shí)現對氨氮的高效去除，說(shuō)明工況五浪費了一定的剩余硝化容量。而工況三和工況四的總好氧區HRT則下降至101min，由于水力停留時(shí)間的限制，使得好氧區微生物沒(méi)有足夠的時(shí)間對進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行完全的氨化作用，導致出水氨氮濃度較高。
圖3為沿程各種存在形式的氮在工藝中的沿程濃度變化，表3為五種工況下的氮元素物料衡算結果。工況三和工況四的第一級和最后一級進(jìn)水量均為25%，從圖3(c)～(d)可以看出，最后一級的好氧區無(wú)法氧化較多的氨氮，導致出水氨氮含量較高，而硝氮含量比起其他工況則沒(méi)有很大的變化，所以出水總氮含量偏高是由于系統最后一級硝化能力不足引起的。同時(shí)工況三的總氮去除率也明顯高于工況四，這說(shuō)明在第一級的分流比增大時(shí)，對于MAAO系統的總體脫氮是有負面影響的。當第一級進(jìn)水量上升為30%，第四級進(jìn)水量下降為20%(工況一)時(shí)，分流比相對于工況三和工況四也提高了，此時(shí)，系統硝化效果和總氮去除性能均得到加強，出水氨氮和總氮分別為4.41mg·L-1和11.87mg·L-1。繼續提高首段進(jìn)水比例到35%，末端降至15%(工況二)。此時(shí)，好氧HRT和缺氧HRT都有較大提升，硝化能力和反硝化能力繼續上升，總氮去除率達到84.2%。然而當首段進(jìn)水比例過(guò)高(50%)，即在工況五時(shí)，雖然總好氧HRT極大增加，但是從圖3(e)可以看出，第四級出水中的氨氮含量接近于零，系統浪費了一定的硝化余量，同時(shí)由于第一級厭氧池和缺氧池并不能完全消耗掉50%進(jìn)水中的COD，進(jìn)水碳源也沒(méi)有被有效利用，所以，雖然從氮的去除角度來(lái)說(shuō)，該工況處于最佳工況，但是會(huì )有大量的COD沒(méi)有被有效利用，對系統的其他功能有嚴重影響。對于多段進(jìn)水工藝來(lái)說(shuō)，在其他運行條件不變的情況下，各段的進(jìn)水量比例和缺氧池分流比例將直接影響系統的脫氮除磷效率。
從圖3中可以看出，MAAO系統中除了傳統的硝化反硝化過(guò)程和微生物的同化作用脫氮以外，在好氧區存在明顯的總氮損失，好氧區氨氮的氧化量遠遠大于硝氮的產(chǎn)生量，因此MAAO系統存在一定的同步硝化反硝化現象。如表3所示，系統通過(guò)傳統的硝化反硝化過(guò)程去除的氮量在21%～39%，5種工況條件下的SND作用去除的氮含量占進(jìn)水總氮比例依次為28%、25%、10%、7%、29%。即在各個(gè)工況下，系統均出現明顯的SND現象，而且在SND效率較高時(shí)，系統的總氮去除量也較高，可見(jiàn)SND在一定程度上有利于總氮的去除。同時(shí)本研究發(fā)現，同化作用在MAAO系統中占比也較大，分別為27%、30%、28%、32%、18%。
目前對SND理論有宏觀(guān)缺氧理論、微觀(guān)缺氧理論和生物學(xué)理論。而本研究中出現SND現象的原因可能有以下2點(diǎn)：
(1)由于好氧池物理外形為長(cháng)條形，在單點(diǎn)曝氣的情況下，存在曝氣不均勻現象，這會(huì )在一定的程度上使得好氧池存在局部區域DO較低甚至處于缺氧狀態(tài)，而且還會(huì )導致污泥絮體內部出現DO的梯度變化，由外到內DO濃度依次減少，絮體內部可能會(huì )處于缺氧環(huán)境。
(2)系統中可能存在好氧反硝化細菌，這會(huì )導致好氧池同步硝化反硝化現象的發(fā)生。
2.2 MAAO系統除磷特性
圖4為系統進(jìn)出水TP濃度和TP去除率變化情況。5個(gè)工況下的平均出水TP濃度分別為0.39mg·L-1、0.15mg·L-1、2.49mg·L-1、2.13mg·L-1、1.09mg·L-1，平均去除率分別為91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%。
圖5為不同工況下TP沿程變HRT分別化和各池凈去除量，從中可以看出，第一級厭氧池的TP釋磷量從工況一到工況五并無(wú)明顯變化，這是因為第一級厭氧池承接了來(lái)自二沉池的回流污泥導致HRT太小。第一級厭氧池的厭氧是19.08min，18.52min，20.00min，20.00min，16。67min，而厭氧釋磷量較高的厭氧池，其HRT都在25min以上，所以第一級厭氧池的釋磷效率低是由回流污泥量過(guò)大，HRT不足引起的。
工況三和工況四的第四級厭氧池的TP量較高，從圖5(a)可以看出，工況三和工況四的第四級厭氧池釋磷量沒(méi)有很大提升，所以第四級厭氧池TP升高是由厭氧池進(jìn)水TP太多引起的，有大量的TP沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理就直接排出，導致工況三和工況四出水遠遠不達標。而工況五在系統前端進(jìn)入較多原水，第四級只有7%的進(jìn)水。通過(guò)圖5(b)可以看出，工況五的第四級厭氧池有很多的釋磷潛力沒(méi)有發(fā)揮，所以它的釋磷效率低于工況一和工況二。對于活性污泥法除磷工藝來(lái)說(shuō)如果厭氧時(shí)無(wú)法完成大量釋磷，那么在后續的工藝處理中，即使在非常符合好氧吸磷的環(huán)境下，也是無(wú)法完成聚磷菌好氧大量吸磷的。在圖5(b)中，我們設定厭氧池TP上升取正值，缺氧池TP濃度上升取負值，下降取正值，好氧池TP下降為負值。大多缺氧池都發(fā)生了TP下降，這說(shuō)明MAAO系統中發(fā)生了反硝化除磷。
3、結論
(1)當MAAO脫氮效率優(yōu)先時(shí)，可以采用前端進(jìn)水，同時(shí)減少分流量的策略，增加好氧和缺氧HRT，整個(gè)系統偏向多段AO工藝，此時(shí)的脫氮效率較高。但是從TP的去除來(lái)說(shuō)，第一級進(jìn)水量不能太高，進(jìn)水最好分配在第二級和第三極。所以本工藝在參數設定上無(wú)法同時(shí)達到TN和TP的理論最高去除效率。因此，對于一個(gè)固定水質(zhì)的系統，需要根據進(jìn)水水質(zhì)有所選擇。
(2)交替運行的缺氧好氧運行方式和進(jìn)水流量的合理分配對于硝化反應的順利進(jìn)行和總氮的高效去除有著(zhù)非常重要的作用，MAAO工藝中除了通過(guò)好氧硝化、缺氧反硝化之外，同步硝化反硝化和污泥的同化作用也對氮元素的去除貢獻了非常大的作用，使得系統能夠進(jìn)行深度脫氮。
(3)MAAO工藝除了通過(guò)傳統的厭氧釋磷、好氧吸磷來(lái)完成除磷之外，還在各個(gè)缺氧區通過(guò)反硝化除磷去除了一部分的TP。
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