氮和磷是導致水體富營養化的主要物質，其中磷是控制水體富營養化的重要限制因素。隨著含氮、磷污水所帶來的環境污染問題的日趨嚴重，對污水中營養負荷的削減需求越來越強烈。生活污水中氮、磷含量豐富，據統計，目前全國每年產生農村生活污水約80多億噸，其中96%的農村生活污水未經處理直接排放〔1〕，成為我國水體污染的主要污染源之一。為此，廢水脫氮除磷工藝的開發倍受關注。筆者結合ABR反應器所具有的能有效去除有機污染物和懸浮物、能耗低、效率高等優點〔2〕，將ABR反應器和好氧工藝進行優化組合用于廢水的脫氮除磷，該組合工藝利用收集曝氣氣體的提升作用取代混合液回流泵實現混合液的回流，降低了動力能耗。本研究在該工藝成功啟動前提下，對其在不同運行條件下的運行效果進行了深入研究，探尋了工藝最優生物脫氮除磷的運行條件，以期開發出能耗低、占地少、運行維護簡單并且處理效果優良的污水處理工藝。
1 材料和方法
1.1 實驗水質
反應器進水為模擬污水 與某高校生活污水（混合體積比為1∶1）的混合液。模擬污水以葡萄糖（540 mg/L）為主要碳源，氯化銨（115 mg/L）為主要氮源，另外添加尿素（4 mg/L）、蛋白胨（150 mg/L）及乙酸、丙酸、丁酸、戊酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸各0.01 mL/L）。投加NaHCO3（300 mg/L），以保持溶液具有一定的緩沖能力，使其堿度約為COD的0.8倍〔3〕。模擬污水中含有的營養鹽和微量元素〔4〕分別為H3BO3 30 mg/L、ZnCl2 25 mg/L、CuCl2 25 mg/L、AlCl3 25 mg/L、NiCl2 25 mg/L、EDTA 40 mg/L、CaCll2 30 mg/L；Na2SeO3·5H2O 25 mg/L、K2HPO4·3H2O 25 mg/L、FeCl3·6H2O 25 mg/L、MgSO4·7H2O 30 mg/L、CoCl2·6H2O 25 mg/L、MnSO4·H2O 25 mg/L、NaMoO4·2H2O 25 mg/L。蘇州某高校生活區的污水水質：COD 232~459 mg/L，NH4+-N 20~46 mg/L，TN 25~56 mg/L，TP 1~7 mg/L。
1.2 污泥馴化與接種
接種污泥取自蘇州市某城市污水處理廠重力濃縮池。污泥靜置1 周后，加入適量葡萄糖，再靜置 2 d，然后均勻移入ABR 各隔室，總接種泥量約為各隔室有效體積的3/5。用配制的生活污水填滿各隔室，閑置1 d后開始連續進水。啟動時，ABR 反應器各隔室MLSS約為28 g/L，MLVSS/MLSS 約為0. 45。將取自蘇州某污水處理廠氧化溝的活性污泥注入好氧池，投入量占好氧池有效體積的1/2，MLSS 約為7.5 g/L。
1.3 復合工藝
本實驗所采用的實驗裝置由3 隔室ABR反應器和2個好氧池組合而成，為及時和定性觀察反應器內的運行情況，反應器均由透明有機玻璃加工制作。ABR反應器、好氧池1和好氧池2的有效容積分別為60 、20 、40 L。實驗裝置如圖 1 所示。
圖 1 實驗裝置示意
好氧池底部布設穿孔曝氣管，曝氣量可由空氣流量計調節，DO控制在2 mg/L左右，總水力停留時間為10 h。通過調節混合液出口高度控制回流比R1為100％左右，R2為50%。利用收集曝氣氣體的提升作用取代混合液回流泵，將泥水混合液提升至厭氧區，實現泥、水的回流。在ABR內實現反硝化及反硝化除磷脫氮，同時基于厭氧反硝化脫氮以及厭氧釋磷、好氧吸磷等特性，最終通過沉淀區排泥來實現磷的去除。部分污泥由沉淀區下方的斜板回流至好氧區。
為探尋工藝最優生物脫氮除磷的運行條件，設計了8個運行工況，如表 1所示。
1.4 實驗方案和監測方法
本實驗在工藝成功啟動后，在進水溫度為25 ℃左右，pH為6.5~8.5的條件下對不同運行條件下該組合工藝的運行效果進行研究。COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用國家標準方法進行測定。
2 結果與討論
2.1 不同運行條件下COD的去除效果法
不同運行條件下的COD去除效果如圖 2所示。
圖 2 不同運行條件下的COD去除效果
由圖 2可知，當DO為2 mg/L，R1為200%時，HRT越小，出水COD越大。當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1增大，出水COD略有減小，這可能與回流量增加，微生物能與基質接觸更充分有關。當HRT為7.5 h、R1為200%時，系統出水COD隨DO的增大而減小。總體而言，系統COD去除效果良好，COD去除率高于80%。除HRT為5 h條件外，其他條件下的系統出水COD均低于50 mg/L。實驗結果表明，當HRT為7.5 h，R1為200%，DO為3 mg/L時，ABR出水COD為101 mg/L，COD去除率為75%，大部分COD在ABR內被消耗；好氧池COD去除率為15%，總COD去除率達到90%。
2.2 不同運行條件下NH4+-N的去除效果
不同運行條件下的NH4+-N去除效果如圖 3所示。
圖 3 不同運行條件下的NH4+-N去除效果
由圖 3可知，當DO為2 mg/L，HRT為10 h或7.5 h時，系統出水NH4+-N﹤3.5 mg/L。當HRT為7.5 h時，R1增大，出水NH4+-N略有降低，回流量增大，導致硝化區有機物濃度因稀釋而減小，有利于自養型硝化細菌在生物群落中進一步繁殖富集，硝化作用增強。當HRT為7.5 h，R1為200%時，出水NH4+-N隨DO的增大明顯減小。當HRT為7.5 h，R1為200%，DO≥3 mg/L時，出水NH4+-N較低。總體而言，組合工藝對NH4+-N的去除效果非常理想，NH4+-N去除率＞81%。
2.3 不同運行條件下TN的去除效果
不同運行條件下的TN去除效果如圖 4所示。
圖 4 不同運行條件下的TN去除效果
由圖 4可知，當DO為2 mg/L，R1相同時，隨HRT的減小，系統出水TN略有增大。HRT大，反硝化菌就有充足的時間將硝態氮經反硝化去除。當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1為200%的系統出水平均TN（14.1 mg/L）小于R1為100%時的系統出水平均TN（15.3 mg/L），TN去除率為72%； 相比于R1為200%，R1為100%時，硝化液回流量減小，因而TN去除率降低。當DO為2 mg/L，HRT為5 h時，系統出水平均TN隨R1的增大而增加，出水平均TN＞15 mg/L；HRT太小，微生物與基質接觸不充分，不利于硝化和反硝化反應的充分進行，并且硝化液的過度回流影響了反硝化效果，導致出水TN增加。當HRT為7.5 h，R1為200%時，DO為3 mg/L的系統出水平均TN（12.1 mg/L）略小于DO為2 mg/L時的系統出水平均TN，這是由于DO是決定硝化效果好壞的關鍵因素〔5〕，增加DO，好氧硝化作用更加充分，更多的硝態氮可經反硝化作用得以去除，從而提高了TN去除率。但當DO增加到4 mg/L時，系統出水TN增大，這是由于DO過大，破壞了反硝化所需的缺氧環境，影響了反硝化脫氮效果，從而降低了TN去除率。實驗結果表明，當HRT 為7.5 h，R1 為200%，DO為3 mg/L時，該組合工藝對TN的去除效果較好。
2.4 不同運行條件下TP的去除效果
不同運行條件下的TP去除效果如圖 5所示。
圖 5 不同運行條件下的TP去除效果
由圖 5可知，當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1為200%的系統出水平均TP （0.69 mg/L）明顯小于R1為100%時的系統出水平均TP（1.16 mg/L）， TP去除率達82%；R1增大，系統污泥循環量增加，更多的聚磷菌參與厭氧釋磷和好氧吸磷，出水TP降低。當DO為2 mg/L，HRT為5 h時，系統出水平均TP隨R1的增大而顯著增加，出水平均TP＞0.6 mg/L；HRT太短，并且過多的硝酸鹽回流到ABR厭氧區，大部分有機物優先用于反硝化脫氮過程，致使厭氧釋磷不完全，以致后續吸磷能力降低〔6〕，最終導致出水TP偏高。當DO為2 mg/L，R1為100%時，系統出水平均TP隨HRT的減小而顯著降低，這是因為隨HRT的減小，各池水流上升速率增大，更多的污泥在反應器內循環，從而有更多的聚磷菌進行厭氧釋磷和好氧吸磷過程，使得出水TP降低。當HRT為7.5 h，R1為200%時，DO為3 mg/L或4 mg/L的系統出水平均TP小于DO為2 mg/L時的系統出水平均TP；增加DO，使得聚磷菌好氧吸磷更加充分，從而降低了出水TP。與DO為3 mg/L時相比，DO為4 mg/L的系統出水平均TP略有增大，這可能是由于DO過高，減弱了聚磷菌厭氧釋磷效果，從而降低了聚磷菌的吸磷量，使出水TP有所增加。實驗結果表明，當控制HRT為7.5 h，R1為200%，DO為3 mg/L時，出水TP最低。
2.5 脫氮除磷機理分析
綜上所述，工藝的最佳運行條件：HRT為 7.5 h，R1為 200%，DO為 3 mg/L。在最佳運行條件下，對工藝各單元的運行情況進行了檢測，結果如表 2所示。
由表 2可知，由于硝化液回流ABR1隔室中NH4+-N迅速下降，而ABR2隔室中的NH4+-N略高于ABR3隔室，這與厭氧條件下，有機含氮污染物通過厭氧微生物作用轉化的氨多于厭氧微生物利用氨作為氮源同化作用合成生命物質氨基酸所需的氨有關；另外，厭氧反硝化過程也能夠將NO3--N通過同化作用還原成NH4+-N，造成ABR2隔室中NH4+-N略有升高。好氧池1內NH4+-N急劇減少，表明好氧池1內微生物硝化能力較強。在好氧池1內沒有去除的NH4+-N，在好氧池2內可進一步去除。ABR內NO3--N大幅下降表明，反應器內反硝化菌的反硝化脫氮能力較強。系統出水NO3--N比ABR3隔室增加8.6 mg/L，但是比NH4+-N的減少量（18.8 mg/L）低約10.2 mg/L，說明好氧池內存在同步硝化反硝化過程，由同步硝化反硝化作用去除的氮占19%。ABR出水沒有檢測到NO3--N，且系統出水NH4+-N低至0.7 mg/L，可判斷工藝中硝化和反硝化2個過程達到動態平衡，反硝化脫氮效果良好。生物脫氮主要發生在ABR內，ABR內TN去除率為52%，好氧池TN去除率為24%，系統TN去除率為76%。
此外，實驗結果表明，ABR1隔室首先保證了回流的硝化液與原水混合以快速地完成反硝化過程，由于ABR1隔室硝態氮降低到了一定濃度，隨即發生了釋磷現象。ABR2隔室聚磷菌釋磷量增強，TP達12.86 mg/L。ABR3隔室反硝化除磷菌吸磷現象明顯，TP降低至6.73 mg/L。好氧池1 TP顯著降低，說明聚磷菌能過量吸磷，TP降至1.05 mg/L。在好氧池2進一步吸磷后，出水TP降低至0.51 mg/L，系統TP去除率達87％。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
以ABR-好氧復合工藝處理生活污水能有效節能降耗，同時可獲得良好的出水水質。綜合考慮其對COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果，可以確定工藝的最佳運行條件：HRT為7.5 h，回流比R1為200%，DO為3 mg/L。此運行條件下，系統出水水質良好，出水COD、NH4+-N、TN和TP平均分別為38、0.7、12.1、0.51 mg/L，COD、NH4+-N、TN和TP去除率分別為90%、97%、76%和87%。其中，ABR內TN去除率為52%，好氧池同步硝化反硝化強化了脫氮效果，TN去除率達19%。ABR2隔室聚磷菌過度釋磷能力強，ABR3隔室反硝化除磷菌能有效吸磷，好氧池聚磷菌進一步大量吸磷，使TP最終通過排泥得到有效去除。
