兩種污水處理工藝反硝化聚磷比較研究

陳騰殊，林克濤，徐建宇

(1.泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000;2.昆明鋼鐵控股有限公司,云南 昆明 650302)

0 引 言

反硝化聚磷菌(DPB)是一類在厭氧/缺氧交替環(huán)境下富集的微生物，它能夠以硝酸鹽作為電子受體，利用同一碳源在同一環(huán)境中實現(xiàn)同步反硝化和聚磷[1-2]。與傳統(tǒng)的好氧聚磷菌(PAOs) 相比，反硝化聚磷菌能同時完成脫氮除磷，避免了反硝化菌與聚磷菌對碳源的爭奪，實現(xiàn)了“一碳兩用”，提高低碳源條件下脫氮除磷效率[3-4]，不僅節(jié)省了能耗，還降低了污泥產(chǎn)量[5]。近年來對于反硝化聚磷菌在污水處理工藝中的存在條件、存在比例與污水處理工藝和運行方式的關系研究還鮮有報道[6-7]，因此本研究以2種不同的污水處理工藝活性污泥為研究對象，構建一個可復制的分析厭氧釋磷、好氧聚磷和反硝化聚磷實驗研究，旨在為優(yōu)化污水處理廠運行方式，改良除磷性能提供理論支持。

2 試驗材料與方法

2.1 活性污泥來源

2種工藝污泥來源分別是 ：CAST生物處理工藝活性污泥取自泉州城東污水處理廠，卡魯塞爾氧化溝處理工藝活性污泥取自東海污水處理廠，污水廠污泥均取自好氧段出口活性污泥。

泉州城東污水處理廠于2017年改造修建，建設規(guī)模為45 000 t/d，采用CAST生物處理工藝，污水處理設施主要包括粗格柵、進水泵房、細格柵、旋流沉砂池、CAST生物池(厭氧、缺氧和好氧區(qū)比例為1∶2∶1)、接觸消毒池、尾水泵房、鼓風機房和污泥脫水車間等。

東海污水處理廠于2017年改造建設，設計規(guī)模25 000 t/d，采用卡魯塞爾氧化溝處理工藝，污水處理設施主要包括泵房，細格柵、旋流沉砂池、卡魯塞爾氧化溝(曝氣區(qū)和非曝氣區(qū)比例為1∶1)、二沉池、消毒設施、污泥緩沖池、污泥脫水間等。

2.2 試驗方法

每種污水處理工藝活性污泥實驗取樣分為3個部分：厭氧釋磷、好氧聚磷、反硝化聚磷。實驗在25 ℃的溫度下進行，將從2種工藝獲得的等量活性污泥水樣置于密閉的反應裝置中，加入碳源(NaAc，COD為200 mg/L)，厭氧過程共3 h，取樣時間分別為0 h、1 h、2 h、3 h。厭氧3 h結束后，將活性污泥分為2份倒入紅色桶內(nèi)，每個桶中為4 L泥水混合物，其中一份加入濃度為40 mg/L硝酸鹽氮，另一份進行曝氣處理，分別在時間為3.25 h、3.5 h、4.0 h、5.0 h、6.0 h、7.0 h時進行取樣(時間是延續(xù)厭氧過程后)，溶解氧控制在2.0～3.0 mg/L。為了在厭氧和缺氧階段使活性污泥保持懸浮狀態(tài)，保持一定的攪拌頻率。取樣后的水樣用離心機快速泥水分離，取得上清液進行實驗。

2.3 水質(zhì)分析方法

所取水樣經(jīng)離心(3 000 r/min)5 min后測試，化學需氧量(COD) 采用重鉻酸鉀法，硝態(tài)氮(NO3--N)采用雙波長分光光度法，總磷(TP)采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。

3 結果與討論

3.1 CAST工藝中活性污泥的除磷特性

CAST工藝中活性污泥的反硝化聚磷和好氧聚磷特性如圖1所示：在厭氧階段，反應系統(tǒng)中的COD隨著反應時間的延長，其濃度由216.48 mg/L下降至160.98 mg/L，此時COD主要是供給聚磷菌合成PHB，表現(xiàn)為釋磷過程?？偭诐舛扔?.58 mg/L升至21.39 mg/L，由此說明活性污泥中有除磷菌的存在，在厭氧階段表現(xiàn)出良好的釋磷現(xiàn)象；同時發(fā)現(xiàn)在厭氧階段硝酸鹽氮濃度基本保持穩(wěn)定。

由圖1可知，在好氧階段，曝氣后馬上開始聚磷，說明該系統(tǒng)中聚磷菌活性較強，對環(huán)境變化比較靈敏。COD濃度從160.96 mg/L下降到76.33 mg/L，總磷濃度從21.39 mg/L下降到8.05 mg/L，表現(xiàn)出良好的脫氮除磷性能。在缺氧階段，反硝化聚磷過程中，總磷從21.39 mg/L下降到12.48 mg/L，硝酸鹽濃度從41.08 mg/L下降至8.33 mg/L，表現(xiàn)出良好的反硝化聚磷性能，主要因為碳源(電子供體)和硝酸鹽(電子受體)沒有同時存在，并且在反硝化聚磷過程中有足夠的硝酸鹽才保證了該系統(tǒng)中反硝化聚磷的順利進行。

圖1 CAST工藝中活性污泥厭氧釋磷和好氧聚磷特性 Fig.1 Anaerobic phosphorus release and aerobic phosphorus accumulation characteristics of activated sludge in CAST process

3.2 A/O 工藝中活性污泥的除磷特性

在城市污水廠的A/O工藝中，取回的活性污泥其厭氧釋磷、好氧和缺氧聚磷實驗結果如圖2所示，在厭氧階段，COD濃度從232.16 mg/L下降至194.88 mg/L，總磷從1.58 mg/L升至18.72 mg/L，說明活性污泥表現(xiàn)出明顯的釋磷現(xiàn)象，硝酸鹽氮變化不明顯。在好氧階段，總磷濃度從18.72 mg/L下降到8.67 mg/L；對比反硝化階段，總磷濃度從18.72 mg/L下降至15.42 mg/L，總磷濃度變化不大，硝酸鹽氮濃度從42.48 mg/L下降至5.83 mg/L，COD濃度從194.88 mg/L下降到69.63 mg/L，卻沒有明顯的反硝化聚磷現(xiàn)象，其主要原因可能是在缺氧段有大量外碳源存在時，反硝化聚磷菌優(yōu)先利用碳源進行內(nèi)PHB積累而不是過量吸磷，當系統(tǒng)中的碳源較少或沒有時，反硝化聚磷菌才會利用體內(nèi)積累的PHB攝磷，所以進入缺氧段，較高濃度的COD會直接影響反硝化聚磷的效果。在沒有發(fā)生反硝化聚磷現(xiàn)象時硝酸鹽濃度依舊下降，是因為污泥中反硝化菌與反硝化聚磷存在碳源的競爭，通常是反硝化菌優(yōu)先利用碳源進行反硝化反應，COD濃度也隨之降低。

圖2 A/O工藝中活性污泥厭氧釋磷和好氧聚磷特性Fig.2 Anaerobic phosphorus release and aerobic phosphorus accumulation characteristics of activated sludge in A/O process

3.3 污水廠處理不同工藝反硝化性能對比

根據(jù)對污水處理廠的CAST工藝和A/O工藝活性污泥反硝化聚磷實驗可知，CAST工藝和A/O工藝都表現(xiàn)出一定的好氧和缺氧聚磷，2種工藝中好氧聚磷率均高于缺氧聚磷率，CAST工藝中好氧聚磷效率為3.34 mgP/h，反硝化聚磷效率為2.23 mgP/h，反硝化聚磷菌所占比率為2.23/3.34 = 66.8%。A/O工藝中好氧聚磷效率為2.54 mgP/h，反硝化聚磷效率為0.83 mgP/h，反硝化聚磷菌所占比率為0.82/2.54 = 24.9%，由此可見CAST工藝反硝化聚磷效率優(yōu)于A/O。對2種工藝進行比較分析可知，CAST工藝厭氧、缺氧和好氧區(qū)比例為1∶2∶1，水力停留時間為8 h，A/O工藝厭氧/好氧時間比為1∶1，水力停留時間為7 h，說明反硝化聚磷能力較強的CAST工藝具有較長的厭氧/缺氧區(qū)，污水處理工藝中較長的厭氧/缺氧時間有利于反硝化聚磷菌的富集。

4 結 論

1)活性污泥的聚磷量與污水處理工藝的運行方式有關，具有厭氧、缺氧和好氧的污水處理工藝中均有PAOs和DPB的存在，CAST工藝中DPB所占比例高于A/O工藝。

2)CAST工藝中DPB所占的比例為66.8%，A/O工藝DPB所占的比例為24.9%，CAST工藝聚磷能力優(yōu)于A/O工藝，主要是因為CAST工藝具有較長的厭氧和缺氧區(qū)，對磷的去除有利。