約翰內斯堡工藝對污水脫氮除磷的試驗淺析

王潔瓊，陳 龍，張 渝

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710064)

約翰內斯堡工藝屬于活性污泥法中A/O工藝的發(fā)展和優(yōu)化。最初的A/O工藝只有除磷的作用，考慮到脫氮除磷，人們研究了A2/O工藝，但是傳統(tǒng)的A2/O工藝由于聚磷菌和反硝化菌對碳源的爭奪以及回流污泥中夾帶的硝酸鹽氮，難以達到同時高效脫氮除磷的效果，為此研究者提出了多段進水倒置A2/O工藝及約翰內斯堡工藝。約翰內斯堡工藝(Johannesburg工藝，簡稱JHB工藝)首先由南非約翰內斯堡大學創(chuàng)立。它是傳統(tǒng)A2/O工藝前增設了預缺氧池，二沉池的污泥回流至預缺氧池，利用進水中部分有機物或污泥自身的內原呼吸去除回流污泥中夾帶的硝態(tài)氮，以降低反硝化菌在后續(xù)厭氧段與聚磷菌競爭有機物的能力，有利于系統(tǒng)的除磷［1］。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗水質

本實驗所用廢水是根據(jù)西安市第四污水處理廠的水質所配置的，所用化學試劑為葡萄糖，碳酸氫銨，磷酸二氫鉀，碳酸氫鈉，硫酸鎂，硫酸亞鐵，氯化鈣和微量元素，其中:COD為380 mg/L左右，氨氮為34 mg/L左右，磷酸鹽為4.2 mg/L。

1.2 實驗分析項目及方法

實驗分析方法均采用國家規(guī)定的標準方法，分析項目包括 COD、NH4+－N、TN、NO3－－N、NO2－－N、PO43－－P，水樣經(jīng)濾紙過濾后進行分析測定。DO、溫度、pH分別采用便攜式

溶氧儀、溫度計及pHS10酸度計進行測定。

1.3 實驗裝置

本實驗采用的約翰內斯堡實驗裝置如圖1所示。該裝置由合建式的預缺氧－厭氧－缺氧－好氧四個反應器和二沉池組成，其中合建式反應器有效容積為11.06 L。預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1:2:3:6，在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)均安裝攪拌器以提供充分的攪拌，使泥水盡可能的混合均勻，好氧區(qū)通過反應器底端的曝氣頭供氧，并起到一定的攪拌作用。預缺氧區(qū)和厭氧區(qū)之間的出水通過底部預留的較小空間實現(xiàn)。在各個反應池中都有固定的加熱棒以維持反應所需的溫度。進水、污泥回流及內回流均采用蠕動泵進行。

圖1 實驗裝置

1.4 實驗運行參數(shù)及條件

本實驗的進水流量為22.08 L/d，回流污泥比為1，內回流比為2，水力停留時間為12 h，污泥齡為20 d。實驗溫度均維持在 25℃左右，pH 為 6.5 ～7，DO 為 2 ～2.5 mg/L。

2 結果分析

2.1 磷的去除

約翰內斯堡工藝由于增設了預缺氧池，所以降低了回流污泥中硝態(tài)氮對厭氧池環(huán)境的影響，厭氧釋磷效果十分顯著。圖2為工藝中厭氧池、缺氧池和好氧池的磷濃度。

從圖2中可以看出厭氧池、缺氧池、好氧池的平均磷濃度分別為 8.107 mg/L、4.682 7 mg/L 及 0.044 mg/L，且缺氧除磷量略小于好氧除磷量。從數(shù)據(jù)中分析可知該系統(tǒng)的活性污泥中存在有兼性厭氧反硝化除磷菌，該細菌是利用硝酸鹽作為電子受體氧化胞內貯存的 PHB，并從環(huán)境中攝磷，實現(xiàn)同時反硝化和超量攝磷。在很大程度上緩解了聚磷菌與反硝化菌對碳源的爭奪，即“一碳二用”。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，如此可減少對COD的需求50%左右，氧的消耗及污泥產量也可分別降低30%和50%［2～4］。隨著不斷的運行，缺氧除磷量逐漸增大，因而一定程度上可以減少好氧區(qū)的曝氣能耗。當電子受體和能量均充足時，根據(jù)Mond模式，聚磷菌吸磷量和聚磷菌量成正比［5］。缺氧除磷量略小于好氧除磷量的原因可能是缺氧池的硝態(tài)氮鹽濃度較低或者污泥中兼性厭氧反硝化除磷菌數(shù)量不夠，為了提供缺氧池充足的電子受體，可適當?shù)脑龃髢妊h(huán)的比例。

圖2 厭氧、缺氧、好氧池磷濃度

圖3 進、出水磷濃度及其去除率

圖3為工藝中進水、出水磷濃度及系統(tǒng)的最終去除率。進水、出水的平均磷濃度為 3.306 mg/L及 0.138 5 mg/L。磷的去除率大概為95.8%，說明約翰內斯堡工藝具有較強的除磷能力。

2.2 氮的去除

圖4 進、出水總氮濃度及其去除率

圖4為約翰內斯堡工藝進、出水的TN濃度及其總氮去除率，從圖中可以看出總氮的去除較為穩(wěn)定，維持在80%～85%。運行期間，氨氮平均進、出水濃度分別為32.657 mg/L及0.287 mg/L，硝態(tài)氮在好氧池、缺氧池的平均濃度為5.025 mg/L及0.895 mg/L，且各個池中無亞硝態(tài)氮的積累，所以該工藝具有良好的硝化能力。根據(jù) Yuan的試驗證明理論，認為保持缺氧區(qū)末端硝態(tài)氮濃度維持在1～3 mg/L，可充分利用進水中溶解性可生物降解COD，提高缺氧區(qū)反硝化潛力，降低溢流到好氧池COD的量，實現(xiàn)氮的最優(yōu)控制，另外可以充分提供缺氧區(qū)反硝化除磷所需電子受體［6］。所以，本實驗缺氧池的硝態(tài)氮濃度較低，可以通過增大內回流比進行進一步的試驗證明。

2.3 COD 的去除

在系統(tǒng)運行期間，進水COD較為穩(wěn)定，大概維持在373.2 mg/L，出水 COD濃度在10～30 mg/L，平均濃度為 25 mg/L，COD的去除率都維持在90%以上。另外，運行中可以發(fā)現(xiàn)，在厭氧池COD的去除率比缺氧、好氧池的均高，大量的 COD在厭氧池轉化為聚磷菌胞內聚合物 PHB，保證了缺氧池、好氧池對磷的吸收。在缺氧區(qū)COD也有40%的去除率，這也說明了在缺氧池中存在有一定的反硝化除磷作用，即達到了“一碳兩用”的目的。

3 結語

本文以西安市第四污水處理廠的廢水作為研究對象，較為系統(tǒng)的研究了約翰內斯堡工藝對生活廢水的運行處理情況，主要結論有:

(1)約翰內斯堡工藝具有良好的有機物去除、脫氮除磷效果。其中COD的去除率可達90%以上，氨氮去除率高達99%、總氮也維持在80% ～85%，磷的去除率為95.8%。

(2)在厭氧池中有大量的可生物降解有機物轉化為聚磷菌胞內聚合物PHB，且在缺氧池中存在一定的反硝化除磷作用?？赏ㄟ^進一步的增大內回流來試驗提高缺氧池的反硝化除磷效果。

(3)反硝化除磷的應用，一方面可以減少聚磷菌和反硝化菌對碳源的爭奪，達到“一碳二用”，另一方面可以減少好氧池對氧的需求量，從而減少曝氣量，達到節(jié)省能耗的目的。

［1］李紹秀，謝暉，郭玉.改良 A2/O工藝的工程實踐［J］.環(huán)境污染治理技術與設備.2006，7(5):132 －134.

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［3］Bortone G，Saltarelli R，Alonso V，Sorm R，Wanner J，Tilche A.Biological anoxic phosphorus removal－ the DEPHANOX process.Water Science＆ Technology，1996，34(1):119 －128.

［4］Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Heijnen JJ. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of nitrification.

［5］王曉蓮，王淑瑩，馬勇，彭永臻.A2/O工藝中反硝化除磷及過量曝氣對生物除磷的影響［J］.化工學報.2005，8(8):56.

［6］Zhiguo Yuan，Adrian Oehmen，Pernille Ingildsen. Control of nitrate recirculation flow in predintrification system.Water Science＆Technology，2002，45(4－5):29－36.