强化A2O工艺反硝化除磷性能的运行控制策略

第26卷第5期2006年5月环　境　科　学　学　报　Acta Scientiae Circu m stantiaeVol .26,No .5May,2006基金项目:国家自然科学基金-国际(地区)重大合作项目(No .50521140075);国家自然科学基金(No .20377003);北京市重点实验室开放基金Supported by the Nati onal Natural Science Foundati on of China (NSFC )(No .20377003),Key I nternati onal Cooperative Pr oject of NSFC (No .50521140075)and The open p r oject of key laborat ory of Beijing作者简介:王晓莲(1977—),女,博士;3通讯作者(责任作者),E 2mail:pyz@bjut .edu .cnB i ography:WANG Xiaolian (1977—),female,Ph . D.;3Correspond i n g author ,E 2mail:pyz@bjut .edu .cn王晓莲,王淑莹,于德爽,等.2006.强化A 2/O 工艺反硝化除磷性能的运行控制策略[J ].环境科学学报,26(5):722-727W ang X L,W ang S Y,Yu D S,et al .2006.Contr ol strategies of enhancing denitrifying phos phorus re moval perf or mance of the conventi onal Anaer obic 2Anoxic 2Oxic p r ocess[J ].Acta Scientiae Circum stantiae,26(5):722-727[免审稿件]责任编辑提示:本刊欢迎广大读者针对免审稿件提出各种意见强化A 2/O 工艺反硝化除磷性能的运行控制策略王晓莲1,王淑莹1,王亚宜2,彭永臻1,31.北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京1000222.浙江工业大学建筑工程学院,杭州310014收稿日期:2006203223 录用日期:2006203229摘要:以啤酒废水为研究对象,重点考察了如何强化A 2/O 工艺反硝化除磷性能,从而提高营养物去除效果、并实现节能的目的.试验中建立了3种运行控制策略:(1)根据缺氧区末端出水硝酸盐的浓度控制内循环回流量;(2)调节厌氧/缺氧/好氧区体积比以减少厌氧区出水剩余COD对缺氧磷吸收的影响;(3)向缺氧区引入旁流并调节旁流比.试验结果表明,当缺氧区末端出水硝酸盐浓度控制在1～3mg ・L -1时,不仅可强化反硝化除磷效果,而且可以节省内循环所需能耗;厌氧/缺氧/好氧区最佳体积比为1/1/2;旁流的引入可以提高低C /N 比条件下T N 的去除,最优旁流比为0.32.关键词:A 2O 工艺;反硝化除磷;内循环比;体积比;旁流比文章编号:025322468(2006)0520722206 中图分类号:X70311 文献标识码:ACon trol stra teg i es of enhanc i n g den itr i fy i n g phosphorus rem ova l performance ofthe conven ti ona l Anaerob i c 2Anox i c 2O x i c processWANG Xiaolian 1,WANG Shuying 1,Y U Deshuang 2,PENG Yongzhen1,31.Key Laborat ory of Beijing f orW ater Envir onmental Recovery Engineering,Beijing University of Technol ogy,Beijing 1000222.College of Civiel Engineering,Zhejiang University of I ndustry,Hangzhou 310014Rece i ved 23March 2006; accepted 29March 2006Abstract:The lab 2scale anaer obic 2anoxic 2oxic (A 2/O )p r ocess f or treating bre wage waste water was investigated f or one year .The ai m s of this work were t o i m p r ove nutrient re moval efficiency and save energy by enhancing denitrifying phos phorus removal perf or mance of A 2/O syste m.Three kinds of operati onal strategies were p r oposed and investigated,i .e .(1)contr olling nitrate recirculati on fl ow rate;(2)adjusting the volume rati o of anaer obic /anoxic /oxic z one;(3)intr oducing bypass fl ow int o anoxic zone and redistributing the bypass fl ow rati o .The results showed that not only anoxic P up take could be sti m ulated but als o recirculati on energy consump ti on could be saved when anoxic effluent NO -32N concentrati on was contr olled bet w een 1～3mg ・L -1;the op ti m al volume rati o of anaer obic /anoxic /aer obic zone in this syste m was 1/1/2;The T N re moval efficiency could be i m p r oved significantly thr ough the intr oducti on bypass fl ow even if at l ow C /N rati o,the op ti m al value of bypass fl ow rati o was 0.32.Key words:A 2/O p r ocess;denitrifying phos phorus removal;nitrate recirculati on rati o;the volume rati o;bypass fl ow rati o 反硝化除磷技术作为一种新型的高效低能耗的生物脱氮除磷技术,成为近年来水处理研究领域的一个热点.反硝化除磷能够实现以相同的基质同时脱氮和除磷,与传统生物脱氮除磷技术相比,该技术缓解了反硝化和生物放磷对COD 需求的矛盾以及硝化菌和聚磷菌(P AO S )所需的最佳SRT 相抵触等矛盾,同时降低30%的氧气耗量,减少约50%的污泥产量,因此被视为一种可持续污水处理工艺(Kuba et al .,1993;Beun et al .,2000;Shoji eta l .,2003).而传统A 2/O 工艺作为现有最简单的同步脱氮除磷工艺,广泛应用于国内外大规模污水处理厂,但同样存在上述矛盾.因此,笔者以传统5期王晓莲等:强化A 2/O 工艺反硝化除磷性能的运行控制策略A 2/O 工艺为研究对象,对如何强化并稳定其反硝化除磷性能进行了研究,旨在为该工艺的升级改造提供科学的运行参数.尽管目前国内外对反硝化除磷的机理及其影响因素进行了深入的研究,但是,到目前为止,在A 2/O 工艺中如何强化并稳定反硝化除磷几乎没有报道.本研究中首次提出3种运行控制策略以强化反硝化除磷效果,以实现降低能耗、稳定出水水质、优化A 2/O 工艺运行的目标.1　试验方法和材料(Materials and methods )1.1　试验装置如图1所示,A 2/O 反应器的有效容积为47.5L,二沉池体积为25L,厌氧/缺氧/好氧区体积比可以根据试验需要进行调节;每个隔室安装在线传感器(DO 、pH 、ORP 和温度在线测定仪),硝酸盐回流量、污泥回流量、进水量和旁流流量均由蠕动泵控制.在整个试验过程中,总进水量、污泥回流比、水力停留时间和固体停留时间分别稳定在127L ・d -1、0.5、9h 和12d .试验采用啤酒废水作为原水,通过调节NH 4Cl 和KH 2P O 4的投加量控制进水T N 和TP 浓度,进水pH 稳定在7.2～7.6,温度控制在20～23℃.试验运行一年,表1给出了试验过程3个运行阶段的各参数值.图1　A 2O 工艺在不同运行阶段的流程示意图Fig .1　Sche matic diagra m of A 2O p r ocess at different phases表1　不同运行阶段的运行参数Table 1　The influent characteristics at different operating stage运行阶段MLSS/(mg ・L -1)R进水COD /(mg ・L -1)进水T N /(mg ・L -1)进水TP /(mg ・L -1)C /N C /P Ⅰ3500±100variable 300～43150.89～57.799.01～9.41 6.50～7.5046.00～54.00Ⅱ3000±300 3.18%311～49550.84～69.67 6.29～8.40 6.13～7.3448.31～52.85Ⅲ3500±3003.125%271～46268.68～74.916.73～8.153.95～4.6437.45～49.711.2　分析方法COD C r 、MLSS 、碱度、NH +42N 、NO -242N 、NO -32N 、T N 和P O 3-42P 按照标准方法测定(APHA,1995).2　结果(Results )2.1　内循环比控制策略的研究Hu 等人(2002)指出,在同步脱氮除磷活性污泥系统中,反硝化聚磷菌(DNP AO s )和反硝化异养菌(OHO s )会竞争有限的硝酸盐电子受体,而系统本身受硝化效果和进水总氮所限产生的硝酸盐量一定.因此,影响反硝化除磷菌吸磷性能的主要因素就是进入缺氧区的硝酸盐负荷,也就是说,硝酸盐负荷应该足够大或者超过普通异养菌的反硝化能力,才会促进DNP AO s 的积累和生长.资料表明OHO s 的比反硝化速率明显高于DNP AO s,即使缺氧吸磷量高达62%,DNP AO s 的比反硝化速率也仅为OHO s 的1/3.如果进入缺氧区的硝酸盐负荷低于OHO s 的反硝化潜力,那么OHO s 将淘汰DNP AO s 而327环 境 科 学 学 报26卷独自利用有限的硝酸盐;反之,DNP AO s 将会有机会利用过剩的硝酸盐在系统中稳定存在.基于以上观点,考察了内循环比对缺氧磷吸收性能的影响,并建立相应的内循环比控制策略.试验在8种不同的内循环比(0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)条件下进行,研究了内循环比R 对缺氧磷吸收、T N 和TP 去除效果的影响.图2给出了不同缺氧出水硝酸盐浓度条件下缺氧与好氧吸磷速率比K .从图中可以看出,当缺氧区出水硝酸盐浓度控制在较低或为0时,K 为负值,说明电子受体的缺乏使缺氧区变成厌氧环境,从而在缺氧区产生磷的二次释放.随着内循环比的增加,缺氧区出水硝酸盐浓度增加,K 逐渐由负值变为正值,缺氧区出现磷的吸收,此时K 值也随着缺氧区出水硝酸盐浓度的增加而增加,表明在缺氧区可以获得更多的硝酸盐电子受体来完成缺氧磷的吸收.值得注意的是,即使缺氧区出水硝酸盐浓度从无到有,也不会消除磷的释放过程,因为在缺氧区磷的吸收和释放同步进行,只是表现形式不同而已.当缺氧区出水硝酸盐的浓度高于1mg ・L-1,表现形式为磷的净吸收过程,反之则为磷的净释放反应.试验观察到当缺氧区出水硝酸盐的浓度高于3mg ・L -1时,K 值维持不变或略有下降,分析其原因,一方面,在充足的电子受体条件下,DNP AO s 最大的反硝化潜力已经充分利用;另一方面,随着内循环比增加,内循环混合液中携带的溶解氧浓度增加并被引入缺氧区,从而抑制缺氧磷的吸收.因此当缺氧区出水硝酸盐浓度控制在1～3mg ・L -1时,对应的内循环比为3.0～3.5,此时的反硝化除磷性能最佳,不仅促进了反硝化除磷菌的积累和生长,而且节省内循环能耗.图2　不同缺氧出水NO -32N 浓度时对应K 和R 的变化Fig .2　Variati on of K and R at different anoxic z one effluent nitrateconcentration图3TN 浓度随内循环比R 的变化Fig .3　Variati on of T N concentrati on at differentR图4　TP 浓度随内循环比R 的变化Fig .4　Variati on of TP concentrati on at different R图3和图4分别给出了不同内循环比条件下对应的T N 、TP 和K 的变化.从图中可以看出,当R 等于0时,也就是说无内循环时,缺氧区为厌氧环境,T N 除了用于细胞合成所消耗外,几乎不能通过反硝化得到去除,在这种厌氧2好氧交替运行条件下对应的TP 去除率也低于厌氧-缺氧-好氧条件,可能的原因是好氧条件下较高的硝酸盐对磷的吸收产生了抑制作用.此时缺氧区主要发生磷的释放反应,对应的K 值为负最大值.当R 从1.5增加到3.0时,T N 、TP 去除率和K 也逐渐增加,R 等于3时,T N 和TP 去除率分别达到82.69%和97.36%.当R 从3.0增加到3.5时,T N 和TP 去除率略有下降,而K 值则从R 为3.0时的38.92%增加到3.5时的63189%,也就是K 随着R 的增加而增加,表明反硝化聚磷菌在聚磷菌中的比例也随之增加.当R 从315增加到4.5时,T N 和TP 的去除率分别下降12118%和1813%,对应的K 也从63189%下降到33126%,这主要是内循环混合液中携带大量的溶解氧进入缺氧区以及在一定的水力停留时间下缺氧出水硝酸盐浓度随R 值的增加而增加,二者的叠加作用抑制了缺氧磷的吸收.较高的硝酸盐浓度也容易产生缺氧区亚硝酸盐的积累.试验发现,当缺氧4275期王晓莲等:强化A2/O工艺反硝化除磷性能的运行控制策略出水亚硝酸盐的浓度从R为3.5时的2.2mg・L-1增加到R为4.5时的5.71mg・L-1.Meinhold等人(1999)观察到在较高的亚硝酸盐浓度条件下,反硝化除磷菌将受到抑制,其亚硝酸盐浓度的临界值为5～8mg・L-1.因此,根据出水硝酸盐的浓度控制内循环量存在弊端,未来的研究中拟考察以硝态氮的浓度作为基本控制参数.2.2　体积比控制策略的研究以往研究表明(Yoshitaka,1994;Terrence et al.,2004),在传统的营养物去除系统中,厌氧停留时间较短的系统磷去除率较低,主要由于在厌氧区非聚磷菌同聚磷菌竞争有机底物所致.另一方面,缺氧停留时间长的系统其反硝化程度较高,但是存在二次磷释放的隐患,反之相反.基于上述理论,该阶段试验考察了在反应器体积不变条件下如何根据动态实验数据确定最优的厌氧/缺氧/好氧区体积比以优化反硝化除磷性能.图5和图6分别给出了A2/O系统在不同的厌氧/缺氧/好氧区体积比条件下系统的运行性能,试验重点考察了4种体积比(B21:5/4/11;B22:5/5/10;B23:4.5/4.5/11和B24:4/5/11)时T N、TP、缺氧/好氧吸磷速率比(K)和反硝化速率(RDn)变化曲线.对于运行过程B21和B22,厌氧区体积相同,B2 1缺氧体积小于B22,但C/N比高.从图中可以看出,B21厌氧出水COD高于B22,导致缺氧吸磷速率比K值和TP去除率低于后者,反硝化速率和T N去除率高于后者,但二者T N去除率相差甚微.分析其原因,DNP AO s和非DNP AO s的反应总是同时进行,缺氧条件下磷的释放/吸收特性也是相当复杂的.在理想的缺氧条件下(硝酸盐是唯一的电子受体,主体溶液中不存在溶解性耗氧有机物(SCOD)),反硝化聚磷菌利用硝酸盐作为电子受体完成磷的吸收维持其生长,而其它普通异养菌不参与任何反应,因为没有可利用的氧实现吸磷反应或可利用的溶解性耗氧有机物完成释磷反应.然而,当缺氧条件下存在SCOD时,反硝化聚磷菌和普通异养菌的反应就会同步发生.Comeau等人(1986)观察到反硝化菌利用进水中的碳源作为电子供体的反硝化速率明显高于利用厌氧条件下储存的内碳源PHB 作电子供体时的反硝化速率,后者仅为前者的1/6,只有反硝化结束才会产生磷的吸收,结果B21缺氧吸磷速率下降,反硝化速率提高.因此,当厌氧出水COD较高时,K值相对较低,而反硝化速率较高.因此,B21较高的反硝化速率导致T N去除率高,但T N 去除率相差微小,而微生物菌群中较高的P AO s比例将促使TP去除率的提高.图5　不同体积比时TN和TP去除率的变化Fig.5　Variati on of T N and TP re moval efficiency at different volume ratio图6　不同体积比时厌氧出水COD对K和反硝化速率的影响Fig.6　Effect of aer obic effluent COD on K and R Dn at different volume rati oB22和B24具有相同的缺氧区体积,B22的厌氧体积高于B24,进入缺氧区的COD相同.结果表明, B22的K值、T N和TP去除率高于B24.You等人(1994)认为,在同样低的厌氧出水COD条件下,进入缺氧区的PHB浓度和系统的缺氧磷吸收潜力随厌氧停留时间的增加而增加,PHB的增加也有利于反硝化速率提高,因此B22的T N和TP去除率较高,同时K值的增加也可以节省曝气能耗.从上述试验结果的比较可以看出,相同的厌氧和缺氧区体积有利于氮和磷的去除,同时可以优化系统的运行.B22和B23具有相同的厌氧和缺氧区体积,试验结果表明,在相同的进水C/N比和C/P 比条件下,厌氧和缺氧体积之和高的系统B22的T N、TP、K和反硝化速率较高.值得注意的是,该试验结果的前提是系统实现完全硝化.从不同体积比527环 境 科 学 学 报26卷的比较可以得出,该系统中最优体积比是1/1/2,但运行的前提是C /N 和C /P 分别高于6和45.2.3　旁流比控制策略的研究众所周知,由于去除生物营养物的活性污泥系统难于稳定运行的根源在于原水中易于生物降解的有机底物通常相对于进水氮、磷浓度不足,而外投碳源并不一定改善氮磷去除效果,不仅如此,外投碳源会大大增加系统运行费用(Meinhold et a l .,1998),澳大利亚6座污水处理厂都存在上述问题.相比之下,通过分步进水方式可充分利用原水中的碳源从而减少外投碳源费用,这种方法对于提高营养物去除效果也最为经济.基于这一思想,研究将进水分成两部分,主流进入厌氧区,旁流进入缺氧2,考察主流与旁流流量比对运行效果的影响,通过最大程度的实现缺氧区反硝化和吸磷效果来确定最优流量比.图7和图8分别给出了不同流量比对应的T N 、TP 、K 和反硝化速率变化曲线.从图中可以看出,COD 的去除率始终高于90%,不随旁流比的变化而变化;当旁流比低于0.32时,T N 和TP 的去除率随旁流比的增加而增加,T N 和TP 的去除率分别从旁流比为0时的61.7%和86.3%增加到旁流比为0132时的74.4%和97.9%,而旁流比为0.32时对应的C /N 仅为3.95;当旁流比大于0.32时,T N 和TP 的去除率分别下降到62.9%和90.0%,T N 去除率下降12.7%,出水不能满足排放标准,而在整个试验阶段TP 去除率的变化较小,其去除率总是高于85%,出水满足排放标准.图7　不同旁流比对应的TN 、TP 和COD 去除率变化Fig .7　Variati on of T N,TP and COD removal efficiency atdifferent bypass rati o试验也观察到缺氧与好氧吸磷速率、缺氧区反硝化速率的变化趋势与T N 和TP 去除率的相同;当图8　不同旁流比对应的缺氧区NO -32N 去除率、缺氧与好氧磷吸收比率K 及缺氧1(R Dn,1)和缺氧2(R Dn,2)反硝化速率的变化Fig .8　Variati on of anoxic z one nitrate re moval efficiency,K andanoxic z one denitrificati on rate of R Dn,1and R Dn,2at different bypass rati o旁流比为0.32时,K 、R Dn,1、R D n,2和η(NO -32N )、分别达到最高值47.5%、2.83mg ・L -1・h -1、1.64mg ・L -1・h -1和85.0%,表明最优旁流比为0132,与Na m等人(2002)报道的0.4相接近.上述结果说明,旁流的引入可以改善系统营养物的去除效果,尤其在低C /N 比时更为明显,实现了原水中碳源的充分利用,减少了外投碳源的费用.值得说明的是,当进水C /N 比较低时出水T N 仍然较高(有时高于15mg ・L-1),说明当C /N 比太低时,任何策略都不能解决碳源不足的矛盾,而是在限定的条件下可以最大程度的改善系统的运行性能.3　结论(Conclusi ons )1)当缺氧区末端出水硝酸盐浓度控制在1～3mg ・L -1时,不仅能强化反硝化除磷菌的稳定生长而且可以节省内循环能耗.2)厌氧/缺氧/好氧区最佳体积比为1/1/2.3)旁流的引入可以提高低C /N 比条件下T N 的去除,最优旁流比为0.32.4)任何运行策略都不能从根本上解决碳源不足的矛盾,而是在限定的条件下可以最大程度的改善系统的运行性能和降低运行能耗.通讯作者简介:彭永臻(1949—),男,教授(博导),研究方向为污水生物处理的理论与应用、污水处理系统的自动控制与智能控制、水环境与污水处理工程的管理信息系统.E 2mail:pyz@bjut .edu .cn6275期王晓莲等:强化A2/O工艺反硝化除磷性能的运行控制策略References:APHA.1995.Standard Methods f or the Exa m inati on of W ater and W aste water[M]:(19th edn),W ashingt on DC:American PublicHealth A ss ociati on/American W ater Works A ss ociati on/W aterEnvir onment Federati onBeun J J,Verhoef E V,Van Loosdrecht MC M,et al.2000.St oichi ometry and kinetics of Poly2β2Hydr oxybutyrate metabolis munder denitrifying conditi ons in activated sludge cultures[J].B i otechnol ogy and B i oengineering,68(5):496—507Comeau Y,Jall K J,Hancock R E W,et al.1986.B i oche m ical modelf or enhanced bi ol ogical phos phorus removal[J].W at Res,20(12):1511—1521Hu Z R,W entzelM C,Eka ma G A.2002.Anoxic gr owth of phos phate2 accumulating organis m(P AO s)in bi ol ogical nutrient re movalactivated sludge syste m[J].W at Res,36:4927—4937Kuba T,S molders G,van Loosdrecht M C M,et al.1993.B i ol ogical phos phorus re moval fr om waste water by anaer obic2anoxicsequencing batch react or[J].W at Sci Tech,27(5—6):241—252Meinhold J,Pedersen H,A rnold E,et al.1998.Effect of continuous additi on of an organic substrate t o the anoxic phase on bi ol ogicalphos phorus re moval[J].W at Sci Tech,38(1):97—105 Meinhold J,A rnold E,Isaacs S.1999.Effect of nitrite on anoxic phos phate up take in bi ol ogical phos phorus re moval activatedsludge[J].W at Res,33(8):1871—1883Na m H U,Lee J H,Ki m M C W,et al.2000.Enhanced bi ol ogical nutrients removal using the combined fixed2fil m react or withbypass fl ow[J].W at Res,34(5):1570—1576Shoji T,Sat oh H,M ino T.2003.Quantitative esti m ati on of the r ole of denitrifying phos phate accumulating organis m s in nutrient re moval[J].W at Sci Tech,47(11):23—29Terrence M C,Rahul N,Maurici o Z,et al.2004.Changes in anoxic denitrificati on rate resulting fr om p refer mentati oin of a sep ticphos phorus2li m ited waste water[J].W at Envir on Res,76(1):23—28Yoshitaka M.1994.Effect of the anaer obic s olids retenti on ti m e on enhanced bi ol ogical phos phorus re moval[J].W at Sci Tech,30(6):193—202You S J,Shen Y J,Ouyang C F,et al.2004.The effect of residual che m ical oxygen de mand of anoxic and aer obic phos phate up takeand release with vari ous intracellular poly mer levels[J].W atEnvir on Res,76(2):149—154727。