1 引言

　　近年來(lái)，氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)多排放造成了緩流水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇.污水處理技術(shù)已從過(guò)去的有機(jī)污染物去除階段轉(zhuǎn)入兼顧脫氮除磷深度處理階段，經(jīng)濟(jì)高效的脫氮除磷技術(shù)已成為當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn).因此，研究人員不斷對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行升級(jí)改造，出現(xiàn)了一系列改進(jìn)工藝，如改良UCT、Dephanox、改良A2O等工藝.Biolak工藝作為一種傳統(tǒng)工藝，具有投資省、運(yùn)行簡(jiǎn)便、多級(jí)A/O的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)中小城鎮(zhèn)污水的處理，但其脫氮除磷的效果尚無(wú)法達(dá)到日趨嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn).Biolak型A2O工藝是在Biolak工藝基礎(chǔ)上提出的一種新型高效節(jié)能脫氮除磷的改進(jìn)工藝，該工藝已在多座城市污水處理廠得到應(yīng)用.

　　基于此，本文對(duì)承德市某污水處理廠的Biolak型A2O工藝運(yùn)行情況進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)研究.該工藝由在線溶解氧儀監(jiān)測(cè)好氧區(qū)中的DO，根據(jù)DO的變化來(lái)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行.鑒于溶解氧對(duì)微生物生長(zhǎng)影響較大，是影響系統(tǒng)硝化-反硝化效能的重要指標(biāo)，好氧段曝氣量的多少也影響到厭氧段ORP值從而影響厭氧段的除磷能力，同時(shí)，曝氣量的大小直接影響污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用和處理效果.因此，本文研究了好氧區(qū)不同DO對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，以期為Biolak工藝的工程改造和運(yùn)行提供參考依據(jù).

　　2 材料及方法

　　2.1 污水處理廠工藝簡(jiǎn)介

　　該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為2.00萬(wàn)m3 · d-1.工藝流程由預(yù)處理段、生物處理段、深度處理段和污泥處理段組成.

　　污水經(jīng)粗格柵除去粗大雜物后，經(jīng)泵房提升進(jìn)入細(xì)格柵間，去除細(xì)小雜物.之后進(jìn)入沉砂池，污水經(jīng)沉砂池后，進(jìn)入生化綜合池(Biolak型A2O工藝).處理后的水進(jìn)入深度處理區(qū)(絮凝反應(yīng)池+V型濾池)，進(jìn)一步去除水中的懸浮物及總磷，濾池出水繼而進(jìn)入消毒渠，經(jīng)消毒后出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).剩余污泥排入貯泥池，經(jīng)帶式壓濾脫水后外運(yùn).工藝流程見(jiàn)圖 1.

　　圖 1 Biolak型A2O工藝流程圖

　　工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：厭氧池水力停留時(shí)間(HRT)2.20 h，缺氧池水力停留時(shí)間(HRT)3.50 h，Biolak池水力停留時(shí)間(HRT)13.0 h，系統(tǒng)泥齡 15.0 d，污泥濃度3500 mg · L-1.試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間為2013年6月7日—9月16日.

　　2.2 Biolak型A2/O工藝原理與特點(diǎn)

　　Biolak型A2/O工藝是在傳統(tǒng)Biolak池前端增加厭氧池及污泥回流渠，提高了系統(tǒng)除磷能力.曝氣池采用懸掛鏈曝氣裝置(Biolak曝氣器)，曝氣器的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成了曝氣池內(nèi)曝氣區(qū)域與不曝氣區(qū)域間隔存在，通過(guò)對(duì)曝氣池內(nèi)的溶解氧調(diào)控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級(jí)A/O段.

　　2.3 水質(zhì)情況

　　該污水處理廠接納的污水約70.0%為生活污水，30.0%為工業(yè)廢水，工業(yè)廢水以食品加工廢水為主.設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表 1.

　　2.4 分析方法

　　試驗(yàn)中的主要分析項(xiàng)目包括MLSS、DO、ORP、COD、TN、TP、NH3-N、NO-3-N等.其中，DO、ORP采用HACH系列儀器進(jìn)行在線檢測(cè)，其余項(xiàng)目測(cè)定采用國(guó)標(biāo)方法.

　　表1 進(jìn)出水水質(zhì)特性

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 溶解氧變化對(duì)COD去除的影響

　　溶解氧變化對(duì)COD去除的影響見(jiàn)圖 2.試驗(yàn)期間DO為0.40~4.50 mg · L-1，進(jìn)水COD為174 ~ 657 mg · L-1，平均值為369 mg · L-1，出水COD在10.6~42.3 mg · L-1之間，平均值為26.4 mg · L-1，出水COD值優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB1891822002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，COD的平均去除率達(dá)到了92.0%.由圖 2可知，試驗(yàn)期間進(jìn)水COD波動(dòng)較大，在174~688 mg · L-1之間，而系統(tǒng)生化段出水COD均能低于50.0 mg · L-1，處理效果較好，說(shuō)明系統(tǒng)具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力.試驗(yàn)初期低DO條件下(6月7日—7月3日，DO<0.80 mg · L-1)，系統(tǒng)COD的去除率為93.4%，略高于試驗(yàn)期間COD平均去除率.低溶解氧污泥微膨脹理論認(rèn)為，低DO條件下對(duì)COD的去除率略高的原因是在低DO下系統(tǒng)內(nèi)繁殖的絲狀菌具有較強(qiáng)的降解低濃度底物能力(郭建華等，2008).試驗(yàn)結(jié)果表明，DO的變化對(duì)COD的處理效果影響不大.

　　圖 2 溶解氧對(duì)COD去除的影響

　　圖 3 溶解氧(a)和溫度(b)對(duì)氨氮去除的影響

　　3.2 溶解氧變化對(duì)氨氮去除的影響

　　試驗(yàn)期間不同DO下，進(jìn)、出水氨氮情況和去除效果如圖 3a所示.6月29日—9月4日(DO的變化范圍為0.80~3.50 mg · L-1)，系統(tǒng)水溫為22.0~31.0 ℃，氨氮去除率為93.3%，出水氨氮為2.17 mg · L-1.當(dāng)DO值在0.80 mg · L-1以下時(shí)(6月7—29日)，氨氮的去除率略有下降，為90.4%，出水氨氮為2.90 mg · L-1.過(guò)低的DO抑制了硝化菌的活性，硝化效率有小幅下降，但氨氮去除率降低的較少，對(duì)出水氨氮基本無(wú)影響.Hanaki等研究發(fā)現(xiàn)，在低DO條件下盡管有機(jī)物氧化菌對(duì)硝化菌有抑制作用，但由于氨氧化菌的繁殖速率提高了近1倍，可補(bǔ)償DO降低所造成的活性下降，故系統(tǒng)的硝化效率仍然較高.如圖 3b所示，9月5—16日，系統(tǒng)DO為3.50~4.50 mg · L-1，生化段水溫下降至21.5~18.2 ℃，氨氮的進(jìn)水負(fù)荷也隨之降低，氨氮的去除率并為因?yàn)樨?fù)荷的下降而增加，反而，氨氮去除率平均為91.4%，較上一工況氨氮去除率有所下降.說(shuō)明硝化作用受系統(tǒng)溫度的影響要高于進(jìn)水負(fù)荷的影響，低溫條件不利于消化反應(yīng)進(jìn)行，這也證實(shí)了我國(guó)北方污水處理廠冬季氨氮去除效果變差的原因.試驗(yàn)表明，系統(tǒng)DO的變化對(duì)本工藝氨氮的去除率影響不大，氨氮的平均去除率為92.4%，生化段出水氨氮均值為2.40 mg · L-1.

　　3.3 溶解氧變化對(duì)TN去除的影響

　　不同DO條件下總氮去除情況如圖 4所示，試驗(yàn)期間進(jìn)水總氮在36.0 mg · L-1左右.由圖可知，DO對(duì)出水總氮影響較大，當(dāng)DO過(guò)低時(shí)(0.40~0.80 mg · L-1)，硝化菌活性受到抑制，好氧區(qū)硝化不完全，氨氮去除率下降為90.4%，此時(shí)TN去除率為61.4%;當(dāng)DO上升至0.80~1.50 mg · L-1時(shí)，氨氮去除率上升至92.8%，同時(shí)，TN去除率達(dá)到試驗(yàn)期間最高值(69.5%)，脫氮效果最佳，總氮去除率穩(wěn)定，出水總氮<15.0 mg · L-1，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB1891822002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TN的要求.DO控制在0.80 ~1.50 mg · L-1時(shí)系統(tǒng)具有較高TN去除率主要?dú)w因于工藝本身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)和微環(huán)境理論.Biolak工藝曝氣區(qū)懸浮式移動(dòng)曝氣器的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，造成了曝氣池內(nèi)曝氣區(qū)域與不曝氣區(qū)域間隔存在，通過(guò)對(duì)曝氣池內(nèi)溶解氧的調(diào)控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級(jí)A/O段.在低溶解氧的狀態(tài)下有利于增強(qiáng)不曝氣區(qū)的缺氧程度，真正意義上形成多級(jí)A/O段.另外，由于氧擴(kuò)散限制及外部DO大量消耗使微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生了缺氧區(qū)，從而形成有利于實(shí)現(xiàn)好氧硝化段同時(shí)硝化反硝化(SND)的微環(huán)境.隨著DO值增加，污泥絮體內(nèi)部DO濃度增大，絮體內(nèi)部缺氧區(qū)消失，使反硝化過(guò)程受到抑制，TN去除率逐漸下降.當(dāng)DO升至3.50 ~4.50 mg · L-1時(shí)，TN去除率僅為47.3%.Oh的研究表明，好氧區(qū)過(guò)度曝氣導(dǎo)致硝化回流液攜帶過(guò)高DO至缺氧區(qū)，是引起缺氧區(qū)反硝化效果下降的主要原因.

　　圖 4 溶解氧對(duì)總氮去除的影響

　　3.5 系統(tǒng)氮物料平衡分析

　　根據(jù)葛士建等建立的物料衡算方程，在不同溶解氧條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氮平衡分析(圖 5，包括缺氧區(qū)脫氮、同化作用脫氮、好氧區(qū)脫氮、出水總氮、其他未計(jì)算的氮).由圖可知，低DO(DO為1.00 mg · L-1時(shí)最佳)運(yùn)行條件下系統(tǒng)曝氣區(qū)存在明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象，好氧脫氮占總氮的20.0%左右.當(dāng)DO過(guò)高時(shí)，破壞了Biolak好氧段的多級(jí)A/O系統(tǒng)，同時(shí)破壞了污泥絮體內(nèi)部的微缺氧環(huán)境，系統(tǒng)好氧段脫氮率低于5.0%.當(dāng)系統(tǒng)溶解氧維持在1.00 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)23.7%的氮通過(guò)好氧段的多級(jí)A/O反硝化脫氮去除.

　　圖 5 系統(tǒng)在不同溶解氧條件下氮分布情況

　　3.6 溶解氧變化對(duì)TP去除的影響

　　圖 6為DO對(duì)生化段出水TP、總出水TP的影響.當(dāng)曝氣段DO過(guò)低時(shí)(<1.00 mg · L-1)，TP去除率為66.5%，聚磷菌的吸磷作用不明顯.王曉蓮等的研究表明，在低缺氧狀態(tài)下聚磷菌比吸磷速率僅為好氧狀態(tài)下的60.0%.隨著DO增加至3.00 mg · L-1時(shí)，TP去除率為65.3%.好氧段過(guò)度曝氣導(dǎo)致回流液中含氧量過(guò)高，破壞前段的厭氧環(huán)境，導(dǎo)致釋磷不充分從而影響好氧段聚磷菌的除磷效果.另外，回流液中硝酸鹽氮含量隨著DO的增加而增加，導(dǎo)致厭氧區(qū)的硝酸鹽氮濃度過(guò)高.當(dāng)厭氧區(qū)硝酸鹽氮含量過(guò)高時(shí)，反硝化菌與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)易降解的低分子脂肪酸，而反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚磷菌，厭氧狀態(tài)下優(yōu)先進(jìn)行反硝化，從而破壞了磷的釋放.當(dāng)DO>3.00 mg · L-1時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得厭氧區(qū)的硝酸鹽氮大于1.50 mg · L-1，影響生化段出水TP的去除.Henze等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厭氧區(qū)硝酸鹽氮濃度小于1.00 mg · L-1時(shí)，聚磷菌的釋磷反應(yīng)較為明顯;當(dāng)硝酸鹽氮濃度大于1.50 mg · L-1時(shí)，聚磷菌的釋磷反應(yīng)明顯減弱;當(dāng)硝酸鹽氮濃度大于2.00 mg · L-1時(shí)，聚磷菌的釋磷反應(yīng)基本沒(méi)有發(fā)生.DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，生化段出水TP去除率較高(74.0%).由于Biolak工藝曝氣段經(jīng)過(guò)多級(jí)A/O段，聚磷菌的比吸磷速率較低，且多級(jí)A/O屬于低污泥負(fù)荷范疇，排泥量較傳統(tǒng)工藝小，磷的去除將受影響，僅僅通過(guò)生化除磷出水難以達(dá)標(biāo).因此，需增加深度處理段(如增設(shè)濾池)，通過(guò)化學(xué)除磷，使出水TP<0.50 mg · L-1.具體參見(jiàn) 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6 溶解氧對(duì)總磷去除的影響

　　4 結(jié)論

　　1)通過(guò)對(duì)Biolak型A2O工程進(jìn)行為期4個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，考察了DO變化對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DO在0.400~4.50 mg · L-1變化時(shí)，Biolak型A2O工藝對(duì)生活污水具有良好的脫碳效果，COD平均去除率為93.0%;DO變化對(duì)氨氮去除率的影響較小，氨氮去除率可達(dá)到90.0%以上.COD及氨氮的出水水質(zhì)完全達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB1891822002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

　　2)DO為0.80~1.50 mg · L-1時(shí)，TN去除率達(dá)到試驗(yàn)期間最高值(69.5%)，此時(shí)脫氮效果最佳，TN去除率穩(wěn)定，出水TN<15 mg · L-1.隨著DO的增加，TN去除率逐漸下降，當(dāng)DO升至3.50~4.50 mg · L-1時(shí)，TN去除率僅為47.3%.低溶氧條件有利于Biolak 型A2O工藝好氧區(qū)多級(jí)A/O的形成.系統(tǒng)氮物料平 衡分析結(jié)果表明，當(dāng)DO為1.00 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)23.7%的氮通過(guò)好氧段多級(jí)A/O反硝化脫氮去除.DO升高不利于Biolak型A2O工藝好氧段反硝化脫氮.

　　3)DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，生化段出水TP去除率較高，為74.0%.

　　4)DO控制在1.00~1.50 mg · L-1之間時(shí)，系統(tǒng)脫氮除磷效果最佳.此時(shí)，TN、TP的去除率分別為68.9%、73.7%，出水TN、TP分別為12.2、0.95 mg · L-1.