張?zhí)m河，劉 強(qiáng)，賈艷萍，馬 軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱，zhanglanhe@163.com;2.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，132012吉林吉林;3.城市水資源開發(fā)利用(北方)國家工程研究中心，150090哈爾濱)

為了對(duì)反硝化除磷工藝進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，本研究采用A2SBR工藝，考察COD、硝態(tài)氮質(zhì)量濃度與后置曝氣對(duì)A2SBR工藝反硝化除磷效果的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用7套規(guī)格完全一致的SBR反應(yīng)器進(jìn)行反硝化除磷試驗(yàn)(分別為1～7#).1～4#反應(yīng)器COD質(zhì)量濃度分別控制為150、200、250和300 mg/L，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均為40 mg/L;5－7#反應(yīng)器COD質(zhì)量濃度均為200 mg/L，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度分別控制為30、35和40 mg/L.反應(yīng)器工作容積均為1.7 L.穩(wěn)定運(yùn)行階段每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期運(yùn)行8 h:①進(jìn)水(10 min);②2.5 h厭氧階段;③3.5 h缺氧階段:一次性加入硝酸鹽，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度30～40 mg/L;④10 min曝氣;⑤沉淀(90 min);⑥排水(10 min).實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

本實(shí)驗(yàn)污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠的二沉池，該廠采用A/O工藝處理生活污水.污泥質(zhì)量濃度為2.5 g/L.溫度20～30℃，pH控制在6.8～8.0，污泥齡控制在20 d.

圖1 A2SBR工藝實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)采用人工配水，乙酸鈉作為碳源，磷酸二氫鉀作為磷源，其中COD為200 mg/L，－P控制在4～6 mg/L，在缺氧段加入－N、NH4Cl(0.02 g/L)、MgSO4·7H2O(0.6 g/L)、CaCl2·2H2O(0.07 g/L)、EDTA(0.01 g/L).每升水中加入2 mL營養(yǎng)溶液，營養(yǎng)溶液成分:FeCl3·6H2O(1.5 g/L)、H3BO3(0.15 g/L)、CuSO4· 5H2O(0.03 g/L)、KI(0.03 g/L)、MnCl2·4H2O (0.12 g/L)、CoCl2·6H2O(0.15 g/L)和ZnSO4·7H2O(0.12 g/L).

1.3 分析項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與討論

2.1 A2SBR工藝穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)效果

污泥經(jīng)過1個(gè)月的馴化，實(shí)現(xiàn)了反硝化除磷系統(tǒng)的啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)行1個(gè)月.圖2為SBR反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行第30天1個(gè)周期內(nèi)各污染物的變化.進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為200 mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度在4～6 mg/L，缺氧段加入的－N為40 mg/L.厭氧段COD在0.5 h內(nèi)從200 mg/ L降到 105.7 mg/L，－P質(zhì)量濃度從4.67 mg/L上升到20.5 mg/L，表明DPB能夠高效利用COD合成PHB進(jìn)行磷的釋放.厭氧段結(jié)束后，系統(tǒng)中的COD和－P質(zhì)量濃度分別為48.74和37.56 mg/L.在缺氧段開始1 h內(nèi)－N和－P質(zhì)量濃度分別從40和37.56 mg/L下降至12.4和16.57 mg/L.在缺氧段結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)的COD、－N和－P的去除率分別為80.17%、90.3%和91%.在好氧段曝氣10 min后，COD和－N的質(zhì)量濃度分別為38.95和3.88 mg/L，－P質(zhì)量濃度接近于零，去除率接近100%.

2.2 COD質(zhì)量濃度對(duì)反硝化除磷系統(tǒng)的影響

將馴化好的污泥等量分成4份，分別放在4個(gè)SBR反應(yīng)器中.在厭氧段開始時(shí)，COD分別控制在1#150、2#200、3#250和4#300 mg/L，考察COD對(duì)反硝化除磷系統(tǒng)的影響，該階段的試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)周期.

圖3表明不同質(zhì)量濃度COD在一個(gè)周期內(nèi)的變化.0～0.5 h 4個(gè)SBR反應(yīng)器中COD降解速率均較高.從0.5 h開始，COD降解速率開始下降，厭氧結(jié)束(2.5 h)，1#、2#、3#SBR反應(yīng)器COD質(zhì)量濃度均保持穩(wěn)定，4#SBR反應(yīng)器3 h后達(dá)到穩(wěn)定.1～4#SBR反應(yīng)器最終COD的去除率分別為79%、80%、81.6%和80.2%.

圖2 啟動(dòng)后COD、－P與－N隨時(shí)間的變化

圖3 一個(gè)運(yùn)行周期COD隨時(shí)間變化

圖4表明1～4#反應(yīng)器中磷酸鹽的變化.0～0.5 h磷酸鹽釋磷量快速增加，在厭氧結(jié)束后，1～3#SBR反應(yīng)器磷酸鹽質(zhì)量濃度均達(dá)到最高，而4#SBR反應(yīng)器在3 h達(dá)到最高.在缺氧段開始時(shí)，4個(gè)反應(yīng)器中投加硝酸鹽，其質(zhì)量濃度控制在35 mg/L，磷酸鹽的質(zhì)量濃度開始降低，即DPB開始吸磷，在缺氧段結(jié)束后，1～4#反應(yīng)器出水磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為2.56、0.40、0.37和3.62 mg/ L，其磷酸鹽去除率分別為51.78%、92.32%、92.97%和62.45%.

從圖3、4對(duì)比可以看出，1#反應(yīng)器由于進(jìn)水COD較低，導(dǎo)致在厭氧段DPB污泥細(xì)胞內(nèi)沒有貯存足夠的PHB顆粒，在缺氧段缺少足夠的能量從水體中吸收磷酸鹽，最終導(dǎo)致系統(tǒng)去除磷酸鹽的能力較低.4#反應(yīng)器進(jìn)水COD較高，厭氧結(jié)束COD為80.5 mg/L，因此，當(dāng)加入硝酸鹽時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)行傳統(tǒng)的反硝化反應(yīng)，這時(shí)并未進(jìn)行吸磷反應(yīng)，而是仍然存在釋磷，但釋磷量較低.當(dāng)COD降到一定質(zhì)量濃度(60 mg/L左右)時(shí)，再進(jìn)行吸磷反應(yīng)，由于這時(shí)硝酸鹽質(zhì)量濃度較低，最終導(dǎo)致磷的去除率較低.2#和3#反應(yīng)器中COD質(zhì)量濃度適宜(200～250 mg/L)，既未發(fā)現(xiàn)能量不足，也未發(fā)生缺氧段COD質(zhì)量濃度過高現(xiàn)象，因此，磷去除率較高.

圖4 一個(gè)運(yùn)行周期－P隨時(shí)間變化

為了證明COD的存在是否影響缺氧段的釋磷，在缺氧段開始同時(shí)加入硝酸鹽和乙酸鈉.圖5表明，當(dāng)缺氧段開始，系統(tǒng)并未立即進(jìn)行吸磷，而進(jìn)行少量釋磷，并在1 h內(nèi)COD和硝態(tài)氮均迅速下降，1 h后系統(tǒng)開始吸磷.Koichi Soejima等［9］研究也發(fā)現(xiàn)，在AOA工藝中好氧段開始加入一定質(zhì)量濃度COD，可以導(dǎo)致好氧段不進(jìn)行吸磷.A.Wachtmeister等［10］在研究電子受體和電子供體同時(shí)存在時(shí)發(fā)現(xiàn)在缺氧段存在COD時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行吸磷，而是進(jìn)行反硝化反應(yīng)，只有當(dāng)COD質(zhì)量濃度很低時(shí)才開始進(jìn)行吸磷.

圖5 一個(gè)運(yùn)行周期P－N和COD隨時(shí)間的變化

2.3 硝態(tài)氮質(zhì)量濃度對(duì)反硝化除磷的影響

厭氧結(jié)束后的污泥分成3份，分別放置在3個(gè)SBR反應(yīng)器(5～7#)中.缺氧段開始加入不同質(zhì)量濃度的硝酸鹽，考察硝酸鹽對(duì)反硝化除磷效果的影響，該階段穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)周期.

圖6為硝態(tài)氮在缺氧段的變化.0～1 h 3個(gè)反應(yīng)器的反硝化速率均較高.1 h開始反硝化速率開始降低.5.5 h時(shí)5#反應(yīng)器硝態(tài)氮質(zhì)量濃度達(dá)0.25 mg/L，說明其反硝化過程結(jié)束.缺氧結(jié)束時(shí)，3個(gè)反應(yīng)器出水硝態(tài)氮分別為 0、0.6和3.41 mg/L，硝態(tài)氮去除率分別為100%、98.3%和91.5%，這說明該系統(tǒng)反硝化效率較高.

圖7為磷酸鹽質(zhì)量濃度在缺氧段的變化.加入硝酸鹽后，3個(gè)系統(tǒng)開始吸磷.5#在5.5 h時(shí)，磷酸鹽質(zhì)量濃度達(dá)到最低0.52 mg/L，而在缺氧段最后0.5 h內(nèi)(5.5～6.0 h)，磷酸鹽質(zhì)量濃度開始上升，這表明再次發(fā)生了釋磷現(xiàn)象.6#、7#反應(yīng)器在缺氧結(jié)束后，吸磷結(jié)束.最終3個(gè)反應(yīng)器磷酸鹽出水質(zhì)量濃度分別為2.34、0.34和0.45 mg/L.

從圖6、7可以看出，在5.5 h時(shí)5#反應(yīng)器中硝態(tài)氮與總磷質(zhì)量濃度達(dá)到最低.在5.5～6.0 h中由于硝態(tài)氮質(zhì)量濃度接近零，并且水中不存在溶解氧，該系統(tǒng)從缺氧狀態(tài)變成厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致DPB污泥又開始釋磷，但是這種釋磷在缺少COD條件下進(jìn)行，屬于無效釋磷，對(duì)系統(tǒng)有害.6#與7#反應(yīng)器出水磷酸鹽質(zhì)量濃度較低，但是7#反應(yīng)器硝態(tài)氮出水質(zhì)量濃度為3.41 mg/L，高于6#硝態(tài)氮出水質(zhì)量濃度(6#硝態(tài)氮出水質(zhì)量濃度0.6 mg/L).

圖6 －N質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

2.4 后置曝氣對(duì)反硝化除磷效果的影響

如圖8所示，當(dāng)經(jīng)過3.5 h的缺氧段后，磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.4～0.6 mg/L，去除率達(dá)到91%左右.在3.5 h之后進(jìn)行10 min曝氣(控制DO質(zhì)量濃度為1 mg/L)，出水磷酸鹽質(zhì)量濃度下降至0.05 mg/L左右，去除率達(dá)99%.在缺氧段結(jié)束后，硝酸鹽質(zhì)量濃度為0.5 mg/L左右，不能夠滿足去除水中磷酸鹽的要求.DPB污泥不但可以利用硝酸鹽，還可以用氧氣來作為電子受體進(jìn)行吸磷.并且DPB污泥利用氧氣作為電子受體的效率比利用硝態(tài)氮作為電子受體高25%［11］，因此，能夠快速去除水中殘余的磷酸鹽.

圖7 －P質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖8 后置曝氣對(duì)磷酸鹽去除率的影響

另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺氧段反硝化過程結(jié)束后，產(chǎn)生的氮?dú)飧街谖勰嗌?，?dǎo)致污泥上浮.一部分污泥沉降在反應(yīng)器的底部;一部分污泥漂浮在水體上面;還有一部分污泥上下浮動(dòng).如果閑置時(shí)間足夠長，將會(huì)出現(xiàn)污泥整體上浮.當(dāng)進(jìn)行10 min的曝氣后，能夠有效地對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行吹脫，使污泥的沉降性能得到明顯的改善.對(duì)曝氣后出水進(jìn)行SV檢測(cè)，SV為21%.

3 結(jié)論

1)當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為200～250 mg/L時(shí)，系統(tǒng)出水磷酸鹽去除率保持在92%左右.當(dāng)缺氧段硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為35 mg/L時(shí)，其去除率可達(dá) 98.3%，磷酸鹽出水質(zhì)量濃度達(dá)最低0.34 mg/L.

2)當(dāng)缺氧段同時(shí)存在高質(zhì)量濃度COD和硝態(tài)氮時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行傳統(tǒng)的反硝化;當(dāng)COD質(zhì)量濃度低于60 mg/L左右時(shí)，開始進(jìn)行反硝化除磷.

3)快速曝氣10 min能夠有效去除水中殘余磷酸鹽，磷酸鹽去除率從缺氧段的92%提高到99%，并且能夠有效改善污泥的沉降性能，SV為21%，避免氮?dú)馕勰嗌细〉陌l(fā)生.

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