氮和磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要物質(zhì)，其中磷是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要限制因素。隨著含氮、磷污水所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的削減需求越來(lái)越強(qiáng)烈。生活污水中氮、磷含量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)村生活污水約80多億噸，其中96%的農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理直接排放〔1〕，成為我國(guó)水體污染的主要污染源之一。為此，廢水脫氮除磷工藝的開(kāi)發(fā)倍受關(guān)注。筆者結(jié)合ABR反應(yīng)器所具有的能有效去除有機(jī)污染物和懸浮物、能耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)〔2〕，將ABR反應(yīng)器和好氧工藝進(jìn)行優(yōu)化組合用于廢水的脫氮除磷，該組合工藝?yán)檬占貧鈿怏w的提升作用取代混合液回流泵實(shí)現(xiàn)混合液的回流，降低了動(dòng)力能耗。本研究在該工藝成功啟動(dòng)前提下，對(duì)其在不同運(yùn)行條件下的運(yùn)行效果進(jìn)行了深入研究，探尋了工藝最優(yōu)生物脫氮除磷的運(yùn)行條件，以期開(kāi)發(fā)出能耗低、占地少、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單并且處理效果優(yōu)良的污水處理工藝。  

1材料和方法  

1.1實(shí)驗(yàn)水質(zhì)  

反應(yīng)器進(jìn)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（540mg/L）為主要碳源，氯化銨（115mg/L）為主要氮源，另外添加尿素（4mg/L）、蛋白胨（150mg/L）及乙酸、丙酸、丁酸、戊酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸各0.01mL/L）。投加NaHCO3（300mg/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(yíng)養(yǎng)鹽和微量元素〔4〕分別為H3BO330mg/L、ZnCl225mg/L、CuCl225mg/L、AlCl325mg/L、NiCl225mg/L、EDTA40mg/L、CaCll230mg/L；Na2SeO3·5H2O25mg/L、K2HPO4·3H2O25mg/L、FeCl3·6H2O25mg/L、MgSO4·7H2O30mg/L、CoCl2·6H2O25mg/L、MnSO4·H2O25mg/L、NaMoO4·2H2O25mg/L。蘇州某高校生活區(qū)的污水水質(zhì)：COD232~459mg/L，NH4+-N20~46mg/L，TN25~56mg/L，TP1~7mg/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2d，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(mǎn)各隔室，閑置1d后開(kāi)始連續(xù)進(jìn)水。啟動(dòng)時(shí)，ABR反應(yīng)器各隔室MLSS約為28g/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7.5g/L。  

1.3復(fù)合工藝  

本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置由3隔室ABR反應(yīng)器和2個(gè)好氧池組合而成，為及時(shí)和定性觀察反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)行情況，反應(yīng)器均由透明有機(jī)玻璃加工制作。ABR反應(yīng)器、好氧池1和好氧池2的有效容積分別為60、20、40L。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。  

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意  

好氧池底部布設(shè)穿孔曝氣管，曝氣量可由空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)，DO控制在2mg/L左右，總水力停留時(shí)間為10h。通過(guò)調(diào)節(jié)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(qū)，實(shí)現(xiàn)泥、水的回流。在ABR內(nèi)實(shí)現(xiàn)反硝化及反硝化除磷脫氮，同時(shí)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(guò)沉淀區(qū)排泥來(lái)實(shí)現(xiàn)磷的去除。部分污泥由沉淀區(qū)下方的斜板回流至好氧區(qū)。  

為探尋工藝最優(yōu)生物脫氮除磷的運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)了8個(gè)運(yùn)行工況，如表1所示。  

1.4實(shí)驗(yàn)方案和監(jiān)測(cè)方法  

本實(shí)驗(yàn)在工藝成功啟動(dòng)后，在進(jìn)水溫度為25℃左右，pH為6.5~8.5的條件下對(duì)不同運(yùn)行條件下該組合工藝的運(yùn)行效果進(jìn)行研究。COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。  

2結(jié)果與討論  

2.1不同運(yùn)行條件下COD的去除效果法  

不同運(yùn)行條件下的COD去除效果如圖2所示。

圖2不同運(yùn)行條件下的COD去除效果  

由圖2可知，當(dāng)DO為2mg/L，R1為200%時(shí)，HRT越小，出水COD越大。當(dāng)DO為2mg/L，HRT為7.5h時(shí)，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(zhì)接觸更充分有關(guān)。當(dāng)HRT為7.5h、R1為200%時(shí)，系統(tǒng)出水COD隨DO的增大而減小�？傮w而言，系統(tǒng)COD去除效果良好，COD去除率高于80%。除HRT為5h條件外，其他條件下的系統(tǒng)出水COD均低于50mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%，DO為3mg/L時(shí)，ABR出水COD為101mg/L，COD去除率為75%，大部分COD在ABR內(nèi)被消耗；好氧池COD去除率為15%，總COD去除率達(dá)到90%。  

2.2不同運(yùn)行條件下NH4+-N的去除效果  

不同運(yùn)行條件下的NH4+-N去除效果如圖3所示。  

圖3不同運(yùn)行條件下的NH4+-N去除效果  

由圖3可知，當(dāng)DO為2mg/L，HRT為10h或7.5h時(shí)，系統(tǒng)出水NH4+-N﹤3.5mg/L。當(dāng)HRT為7.5h時(shí)，R1增大，出水NH4+-N略有降低，回流量增大，導(dǎo)致硝化區(qū)有機(jī)物濃度因稀釋而減小，有利于自養(yǎng)型硝化細(xì)菌在生物群落中進(jìn)一步繁殖富集，硝化作用增強(qiáng)。當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%時(shí)，出水NH4+-N隨DO的增大明顯減小。當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%，DO≥3mg/L時(shí)，出水NH4+-N較低�？傮w而言，組合工藝對(duì)NH4+-N的去除效果非常理想，NH4+-N去除率＞81%。  

2.3不同運(yùn)行條件下TN的去除效果  

不同運(yùn)行條件下的TN去除效果如圖4所示。  

圖4不同運(yùn)行條件下的TN去除效果  

由圖4可知，當(dāng)DO為2mg/L，R1相同時(shí)，隨HRT的減小，系統(tǒng)出水TN略有增大。HRT大，反硝化菌就有充足的時(shí)間將硝態(tài)氮經(jīng)反硝化去除。當(dāng)DO為2mg/L，HRT為7.5h時(shí)，R1為200%的系統(tǒng)出水平均TN（14.1mg/L）小于R1為100%時(shí)的系統(tǒng)出水平均TN（15.3mg/L），TN去除率為72%；相比于R1為200%，R1為100%時(shí)，硝化液回流量減小，因而TN去除率降低。當(dāng)DO為2mg/L，HRT為5h時(shí)，系統(tǒng)出水平均TN隨R1的增大而增加，出水平均TN＞15mg/L；HRT太小，微生物與基質(zhì)接觸不充分，不利于硝化和反硝化反應(yīng)的充分進(jìn)行，并且硝化液的過(guò)度回流影響了反硝化效果，導(dǎo)致出水TN增加。當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%時(shí)，DO為3mg/L的系統(tǒng)出水平均TN（12.1mg/L）略小于DO為2mg/L時(shí)的系統(tǒng)出水平均TN，這是由于DO是決定硝化效果好壞的關(guān)鍵因素〔5〕，增加DO，好氧硝化作用更加充分，更多的硝態(tài)氮可經(jīng)反硝化作用得以去除，從而提高了TN去除率。但當(dāng)DO增加到4mg/L時(shí)，系統(tǒng)出水TN增大，這是由于DO過(guò)大，破壞了反硝化所需的缺氧環(huán)境，影響了反硝化脫氮效果，從而降低了TN去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%，DO為3mg/L時(shí)，該組合工藝對(duì)TN的去除效果較好。  

2.4不同運(yùn)行條件下TP的去除效果  

不同運(yùn)行條件下的TP去除效果如圖5所示。  

圖5不同運(yùn)行條件下的TP去除效果  

由圖5可知，當(dāng)DO為2mg/L，HRT為7.5h時(shí)，R1為200%的系統(tǒng)出水平均TP（0.69mg/L）明顯小于R1為100%時(shí)的系統(tǒng)出水平均TP（1.16mg/L），TP去除率達(dá)82%；R1增大，系統(tǒng)污泥循環(huán)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(dāng)DO為2mg/L，HRT為5h時(shí)，系統(tǒng)出水平均TP隨R1的增大而顯著增加，出水平均TP＞0.6mg/L；HRT太短，并且過(guò)多的硝酸鹽回流到ABR厭氧區(qū)，大部分有機(jī)物優(yōu)先用于反硝化脫氮過(guò)程，致使厭氧釋磷不完全，以致后續(xù)吸磷能力降低〔6〕，最終導(dǎo)致出水TP偏高。當(dāng)DO為2mg/L，R1為100%時(shí)，系統(tǒng)出水平均TP隨HRT的減小而顯著降低，這是因?yàn)殡SHRT的減小，各池水流上升速率增大，更多的污泥在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，從而有更多的聚磷菌進(jìn)行厭氧釋磷和好氧吸磷過(guò)程，使得出水TP降低。當(dāng)HRT為7.5h，R1為200%時(shí)，DO為3mg/L或4mg/L的系統(tǒng)出水平均TP小于DO為2mg/L時(shí)的系統(tǒng)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3mg/L時(shí)相比，DO為4mg/L的系統(tǒng)出水平均TP略有增大，這可能是由于DO過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)控制HRT為7.5h，R1為200%，DO為3mg/L時(shí)，出水TP最低。  

2.5脫氮除磷機(jī)理分析  

綜上所述，工藝的最佳運(yùn)行條件：HRT為7.5h，R1為200%，DO為3mg/L。在最佳運(yùn)行條件下，對(duì)工藝各單元的運(yùn)行情況進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)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(jī)含氮污染物通過(guò)厭氧微生物作用轉(zhuǎn)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(zhì)氨基酸所需的氨有關(guān)；另外，厭氧反硝化過(guò)程也能夠?qū)O3--N通過(guò)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(nèi)NH4+-N急劇減少，表明好氧池1內(nèi)微生物硝化能力較強(qiáng)。在好氧池1內(nèi)沒(méi)有去除的NH4+-N，在好氧池2內(nèi)可進(jìn)一步去除。ABR內(nèi)NO3--N大幅下降表明，反應(yīng)器內(nèi)反硝化菌的反硝化脫氮能力較強(qiáng)。系統(tǒng)出水NO3--N比ABR3隔室增加8.6mg/L，但是比NH4+-N的減少量（18.8mg/L）低約10.2mg/L，說(shuō)明好氧池內(nèi)存在同步硝化反硝化過(guò)程，由同步硝化反硝化作用去除的氮占19%。ABR出水沒(méi)有檢測(cè)到NO3--N，且系統(tǒng)出水NH4+-N低至0.7mg/L，可判斷工藝中硝化和反硝化2個(gè)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，反硝化脫氮效果良好。生物脫氮主要發(fā)生在ABR內(nèi)，ABR內(nèi)TN去除率為52%，好氧池TN去除率為24%，系統(tǒng)TN去除率為76%。  

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)程，由于ABR1隔室硝態(tài)氮降低到了一定濃度，隨即發(fā)生了釋磷現(xiàn)象。ABR2隔室聚磷菌釋磷量增強(qiáng)，TP達(dá)12.86mg/L。ABR3隔室反硝化除磷菌吸磷現(xiàn)象明顯，TP降低至6.73mg/L。好氧池1TP顯著降低，說(shuō)明聚磷菌能過(guò)量吸磷，TP降至1.05mg/L。在好氧池2進(jìn)一步吸磷后，出水TP降低至0.51mg/L，系統(tǒng)TP去除率達(dá)87％。  

3結(jié)論  

以ABR-好氧復(fù)合工藝處理生活污水能有效節(jié)能降耗，同時(shí)可獲得良好的出水水質(zhì)。綜合考慮其對(duì)COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果，可以確定工藝的最佳運(yùn)行條件：HRT為7.5h，回流比R1為200%，DO為3mg/L。此運(yùn)行條件下，系統(tǒng)出水水質(zhì)良好，出水COD、NH4+-N、TN和TP平均分別為38、0.7、12.1、0.51mg/L，COD、NH4+-N、TN和TP去除率分別為90%、97%、76%和87%。其中，ABR內(nèi)TN去除率為52%，好氧池同步硝化反硝化強(qiáng)化了脫氮效果，TN去除率達(dá)19%。ABR2隔室聚磷菌過(guò)度釋磷能力強(qiáng)，ABR3隔室反硝化除磷菌能有效吸磷，好氧池聚磷菌進(jìn)一步大量吸磷，使TP最終通過(guò)排泥得到有效去除。

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