NSBR单元硝化时间分配比对A2N2系统运行性能的影响王梅香

2016年12月CIESCJournalDecember2016第67卷第12期化工学报Vol.67No.12DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160861N-SBR单元硝化时间分配比对A2N2系统运行性能的影响王梅香，赵伟华，黄宇，潘聪，彭永臻，王淑莹（北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京100124）摘要：以低C/N实际生活污水为处理对象，重点考察了N-SBR单元硝化时间分配比对A2N2系统运行性能的影响。在A2/O-SBR单元厌氧1.5h，缺氧2h，好氧0.5h，A2/O-SBR和N-SBR单元的曝气量分别恒定在100、120L·h−1的条件下，将硝化时间分配比分别设定为5:1、4:1、3.5:1、3:1、7:1、8:1进行试验。结果表明，系统在A2/O-SBR单元可实现碳源的高效利用，有机物的去除受硝化时间分配比影响不大；为保证系统良好的硝化和反硝化除磷性能，一次硝化时间必须≥3.5h；在总曝气时间一定的条件下，适当增加一次硝化时间，更有利于提高系统TN去除率；适当增加二次硝化时间，可以降低出水4NH-N+浓度，使出水达标排放。当硝化时间分配比为4:1时，系统脱氮除磷效果昀好。TN、34PO-P−平均出水浓度分别为11.5、0mg·L−1，平均去除率分别为75%、100%。关键词：低C/N生活污水；反硝化除磷；A2N2系统；同步脱氮除磷；硝化时间分配比中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）12—5259—09EffectofnitrificationdurationdistributionratioinN-SBRunitonperformanceofA2N2systemoperationWANGMeixiang,ZHAOWeihua,HUANGYu,PANCong,PENGYongzhen,WANGShuying(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:AnovelA2N2systemwasdevelopedtodealwithlowC/Ndomesticwastewater.TheoperatingperformanceunderdifferentnitrificationdurationdistributionratioinN-SBRunitwasinvestigated.Theexperimentwasconductedasfollows:undertheconditionofA2/O-SBRunitanaerobicwassetas1.5h,anoxic2h,aerobic0.5handtheaerationflowrateofA2/O-SBRandN-SBRunitswas100and120L·h−1,respectively,andthenthenitrificationtimedistributionratiosweresetas5:1,4:1,3.5:1,3:1,7:1and8:1todeterminetheoptimaloperationparameter.TheresultsindicatedthattheefficientutilizationofcarbonsourceswasachievedintheA2/O-SBRunit,whilethenitrificationdurationdistributionratiohadlittleimpactontheremovaloforganicsubstances.Inordertoensureabetternitrificationanddenitrificationandphosphorusremovalperformance,thefirstnitrificationdurationtimemustbe≥3.5h.Undertheconditionoftotalnitrificationtimewasunchanged,anappropriateincreaseinthefirstnitrificationtimewouldgreatlyimprovethesystemTNremoval.Anappropriateincreaseinthesecondarynitrificationtimecanreducetheeffluent4NH-N+concentrationtomeetthefirstAdischargestandardinChina(GB18918—2002).Whennitrificationtimeallocationratiowas4:1,thesystem2016-06-27收到初稿，2016-09-08收到修改稿。联系人：王淑莹。第一作者：王梅香（1991—），女，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（51578014）；北京市教委资助项目。Receiveddate:2016-06-27.Correspondingauthor:Prof.WANGShuying,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51578014)andtheFundingProjectsofBeijingMunicipalCommissionofEducation.化工学报第67卷·5260·achievedtheoptimalnitrogenandphosphorusremovalperformancewithaverageeffluentconcentrationsofTNand34PO-P−of11.5and0mg·L−1,respectively,andthecorrespondingaverageremovalefficiencywas75%and100%,respectively.Keywords:lowC/Nratiodomesticwastewater;denitrifyingphosphorusremoval;A2N2system;simultaneousbiologicalnitrogenandphosphorusremoval;nitrificationdurationdistributionratio引言强化生物除磷技术（enhancebiologicalphosphorusremoval，EBPR）被普遍认为是一种经济有效的除磷方法，已成为目前生物除磷的重要途径。而反硝化除磷工艺作为EBPR中的新兴领域，已逐渐成为学者研究的焦点[1]。传统生物脱氮除磷工艺在处理低C/N比的城市污水时，由于聚磷菌和反硝化菌对有机物基质的竞争，难以协调脱氮除磷的矛盾[2]。反硝化除磷技术的提出与开发，将“反硝化脱氮”和“生物吸磷”两个独立过程合二为一，利用反硝化聚磷菌在厌氧/缺氧（Ana/Ano）交替的环境下，以3NO-N−代替O2作为电子受体，同时完成过量吸磷和反硝化过程，从而达到同步除磷脱氮的目的。该技术避免了碳源损耗于普通反硝化过程和好氧过程，可节省50%的碳源需求，改变了传统污水处理工艺“以能耗能”这一事实[3-4]，同时强化聚磷菌的缺氧摄磷能力，节省了曝气量，减少了污泥产量和运行费用，是实现污水处理厂脱氮除磷稳定达标的有效方法，为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾提供了新的思路[3,5-8]。由于SBR生物除磷工艺具有流程简单、运行方式灵活的特点，通过对运行方式的调节，即可形成厌氧/缺氧/好氧交替的条件，在单一的生化反应池内能够实现生物脱氮和除磷的目的，相比于其他的运行工艺有很大的优势，被广泛应用在小型规模污水处理厂中[9]。同时，近年来随着自动化程度不断加深，SBR的操作变得更加便捷，使SBR生物除磷工艺更加完善，更具系统化。基于上述研究背景，本文作者提出了一种新型双污泥反硝化除磷工艺——A2N2工艺，其运行方式为“厌氧/硝化/缺氧/硝化”。该工艺具有如下特点：（1）拥有富集反硝化聚磷菌（DPB）的“活性污泥（A2/O-SBR）”和“好氧硝化生物膜（N-SBR）”双污泥系统，将聚磷菌和硝化菌独立于两个不同的系统中使之分别在昀适宜的环境下生长，解决了它们之间污泥龄和溶解氧竞争的矛盾，使除磷和脱氮更易达到稳定、高效、可控；（2）利用反硝化聚磷菌“一碳两用”的特性，解决了低C/N生活污水碳源不足的问题，可望实现低C/N生活污水同步深度脱氮除磷；（3）N-SBR单元二次硝化出水作为系统昀终出水排放，因此出水几乎不含氨氮，彻底解决了传统A2NSBR工艺出水氨氮过高的瓶颈问题，实现深度脱氮除磷。研究表明[10]，工艺设计参数的调控和优化是工艺运行和推广应用的前提和关键。而A2N2工艺作为一种反硝化除磷新工艺，各运行参数对系统脱氮除磷性能的影响尚不明确。N-SBR单元硝化时间分配比是A2N2反硝化除磷工艺中昀重要的参数之一。该参数控制效果的好坏直接关系到系统出水水质和运行能耗的高低。良好的硝化是实现高效反硝化脱氮除磷的必要条件，同时在实际污水处理厂运行中，需要考虑好氧曝气所需要的能耗。因此，在实际污水处理厂中硝化时间的控制，既要满足生物处理单元动态变化的氨氮浓度的需要并维持一个期望的稳定值，又要在此基础上昀大程度地降低曝气能耗[11]。结合A2N2工艺的实际运行特点，N-SBR单元硝化时间不足将无法完成氨氮的完全氧化，从而影响硝化、反硝化除磷及有机物去除作用；相反，硝化时间过长会造成能量的浪费，同时也不利于生物除磷。因此，优化N-SBR单元两次硝化时间分配比不仅能在保证系统硝化完全的条件下缩短反应时间，提高脱氮除磷效率，而且对污水处理的节能降耗也具有重大意义。1试验材料和方法1.1试验装置及运行A2N2生化系统包括进水水箱、A2/O-SBR（厌/缺/好氧除磷SBR）、N-SBR（生物膜硝化SBR），试验装置如图1(a)所示。试验用序批次反应器（SBR）均为有机玻璃制成的圆柱型、平底、敞口式反应器，直径20cm，高45cm，总容积为12L，有效容积为10L，并在反应器有机玻璃壁的垂直方向设置一排取样口，用于取样和排水。为了使活性污泥在厌氧和缺氧阶段处于悬浮状态，A2/O-SBR反应器内设有可调速搅拌器进行机械搅拌，搅拌速第12期王梅香等：N-SBR单元硝化时间分配比对A2N2系统运行性能的影响·5261·度为90r·min−1；N-SBR采用生物膜法，放置聚乙烯蜂窝式活性生物悬浮填料（空床填充率50%），挂好氧硝化菌生物膜，在反应器底部设有黏砂块作为微孔曝气头进行鼓风曝气，为保证填料处于流化状态，使其与底物充分接触，DO控制在≥4mg·L−1，DO、T和pH传感器监测反应过程各参数值的变化。进水量、硝化液回流量均由蠕动泵控制，曝气量由玻璃转子流量计上的调节阀进行调制。试验研究过程均在室温下进行，SBR反应器采用间歇进、出水方式运行，充水比和排水比均为0.7，根据实际情况进行人工排泥，使反应器内污泥浓度（MLSS）维持在2500～3000mg·L−1，控制污泥龄SRT为15d；SBR反应系统通过微电脑时控开关实现进水、搅拌、曝气、沉淀、排水等过程的自动切换。生活污水首先进入A2/O-SBR反应器，在厌氧阶段吸收外碳源转化并储存PHA和