1. 引言
A2/O工艺(厌氧–好氧–缺氧)是一种常用污水处理工艺,主要用于处理城镇生活污水中的有机物和营养物质。然而,碳源不足是A2/O工艺面临的一个重要问题。中国现有城市污水处理设施较多表现出运行能力不足、无法满足处理需求等问题,这部分原因可能是由于碳源不足所引起 [1] 。已有研究也表明,碳源不足可能导致硝化速率降低,从而影响A2/O工艺的氮去除效率 [2] 。为了解决污水处理中碳源不足的问题,需外加碳源。已有研究发现,使用有机废水作为外加碳源可以有效地提高硝酸盐盐还原效率 [3] 。2020年底,生态环境部与国家市场监督管理总局联合发布了《啤酒工业污染物排放标准》(GB 19821-2005)修改单,允许啤酒制造企业与下游污水处理厂签订具有法律效力的书面合同,共同约定水污染物排放浓度限值,不再受纳管排污标准的限制,为生化性较强高浓度有机废水资源化利用提供了积极引导。投加碳源会增加大量的脱氮成本和管理难度,选择脱氮高效且经济可行的外加碳源是污水厂面临的焦点 [4] 。本研究采用工艺具有较高的脱氮效率和碳源利用率,但受到各种因素的制约,特别是碳源不足的季节,严重制约脱氮效率,影响生产运行。为确保水质稳定达标排放,需在优化工艺基础上,完善碳源精准投加,以达到节能降耗和稳定出水水质的目的。本研究利用工业园区酒厂、糖厂等产生的高浓度可生化有机废水作为外加碳源 [5] [6] ,研究改良型A2/O工艺对污水中主要污染物的去除效果,以期为污水处理厂“以废治废”路径提供借鉴。
2. 改良型A2/O工艺污水处理厂概况
本研究污水处理厂采用改良型A2/O工艺,即运行Bardenpho工艺(可切换UCT工艺),出水执行DB5301/T43-2020《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》B级标准,即TN ≤ 10 mg/L。污水处理厂设计规模为1万m3/d,进水为某工业园区生活污水和部分经预处理的工业生产废水。改良型A2/O工艺具有较高的脱氮效率和碳源利用率,但受到各种因素的制约,特别是碳源不足(C/N < 6)的季节,严重制约脱氮效率,影响出水水质。改良型A2/O工艺污水处理厂处理工艺见图1。
3. 实验过程与方法
不为优化改良型A2/O工艺,改进碳源投加装置,提高碳源利用率,稳定TN达标排放 [7] ,结合工艺和来水碳源,合理分配进水碳源,确定碳源的合理投加位置及内回流比,控制碳源精准投加,从而节约碳源、稳定运行参数,确保水质达标排放。结合进水碳源和出水总氮,采取多段进水方式,保证厌氧释磷和缺氧区的反硝化良好进行,最终确定生化池运行的最佳内回流比为前缺氧区回流比100%,后缺氧区回流比200%。本研究实验时间为2023年3月至2023年5月,实验周期内共完成了7次水样采集及水样检测工作,主要检测项目包括总磷(P, mg/L)、总氮(N, mg/L)、氨态氮(N, mg/L)、硝态氮(N, mg/L)、TOC。实验过程中根据进水浓度,每天需要消耗复合碳源200~300 kg,其中酒厂、糖厂等产生的高浓度可生化有机废水作为碳源的投加比例占70%,其余30%碳源使用乙酸钠 [8] 。
实验期间为定量改良型A2/O工艺的污染物去除效果,在生化系统设置7个采样点位,分别为:① 进水口(粤海1#)、② 前厌氧区(粤海2#)、③ 前缺氧区(粤海3#)、④ 前好氧区(粤海4#)、⑤ 后缺氧区(粤海5#)、⑥ 后好氧区(粤海6#)、⑦ 出水口(粤海7#),采样点位分布见图2。
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Figure 1. Floor plan of the improved A2/O process biochemical system
图1. 改良型A2/O工艺生化系统平面布置图
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Figure 2. Improved A2/O process sampling point distribution diagram
图2. 改良型A2/O工艺采样点分布图
4. 分析与讨论
4.1. 改良型A2/O工艺氮去除效果分析
总氮含量高会导致改良型A2/O污水处理系统中的反硝化作用减弱,从而影响氮的去除效果。可能引起改良型A2/O污水处理系统中的缺氧区域扩大,从而影响反硝化作用进行。会使得改良型A2/O污水处理系统中的好氧区域中的硝化作用减弱,从而影响氮的去除效果。高浓度的总氮会导致污泥中的异养微生物数量增加,从而影响污泥的沉降性能,进而影响系统的稳定性。除此之外还会影响系统中的pH值,从而影响微生物的生长和代谢。
如图3所示,实验周期内改良型A2/O工艺,出水稳定在7 mg/L以下,总氮去除率在72.3%~89.5%之间,出水满足DB5301/T43-2020《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》B级标准,总氮出水水质较稳定,优于同类工艺污染物去除效果 [9] [10] 。
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Figure 3. The change trend of total nitrogen at each sampling point during the experimental period
图3. 实验周期内各采样点总氮变化趋势图
在好氧反应池中,当污水中的氨态氮浓度过高时,会抑制好氧菌的生长,降低整个好氧处理系统的处理效率。氨态氮含量高的污水进入活性污泥池后,会改变污泥的性质,影响沉淀和压缩性能,会影响微生物的生长和代谢,降低脱氮效果,从而导致反硝化作用受到抑制,影响污水处理效果。氨氮浓度过低会导致硝化作用不足,影响污水处理效果。氨态氮浓度变化较大会影响系统的稳定性,增加操作难度。由图4可看到,粤海1#(进水)、粤海2#(前厌氧区)和粤海3#(前缺氧区)的氨氮含量变化较大,随着后续工艺的处理,氨氮含量变化趋势较稳定,表现出系统对氨态氮较好的去除效果及缓冲性能。
硝酸盐对聚磷细菌在厌氧条件下的释磷有抑制作用,由于聚磷菌、硝化菌、反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内,并在整个系统内循环,不可避免地使得硝酸盐随好氧段回流的污泥进入厌氧池,严重地影响了聚磷菌的释磷效率,尤其当进水中挥发性有机物较少,污泥负荷较低时,硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌直接吸磷。由图5可以看到,实验周期内粤海7#(出水)采样点硝态氮的含量较其他采样点高,粤海1#(进水)采样点相对较低,表现出出水氮形态由氨态氮转化为硝态氮的趋势,总体表现出硝态氮降低的趋势。
![](//html.hanspub.org/file/1-1751375x11_hanspub.png?202401090101083421508)
Figure 4. Ammonia nitrogen change trend chart at each sampling point during the experimental period
图4. 实验周期内各采样点氨态氮变化趋势图
![](//html.hanspub.org/file/1-1751375x12_hanspub.png?202401090101083421508)
Figure 5. Trend chart of nitrate nitrogen changes at each sampling point during the experimental period
图5. 实验周期内各采样点硝态氮变化趋势图
4.2. 改良型A2/O工艺总磷去除效果分析
总磷含量过高会导致改良型A2/O工艺中的生物膜过度生长,降低系统的处理效率,同时会影响改良型A2/O工艺系统中的硝化反应,从而影响系统的氮去除效率,影响系统的污泥处理效率,从而造成系统的磷沉淀效率下降。图6除常规采样点外,对改良型A2/O工投加的外加碳源(酒厂废水、糖厂废水等)进行分析检测,有机废水碳源存在较高的总磷含量,表明投加有机废水可以一定量的补充工艺所需营养源,可减少如乙酸钠等外加碳源的使用量,以达到以废治废、降低运行费用的目的。工艺采样点中除粤海1#(进水)总磷变化较大,粤海7#(出水)总磷含量较稳定,其他采样点呈现出总磷含量逐渐降低的趋势,出水总磷含量优于地表V类水功能,表现出系统良好的磷处理性能。
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Figure 6. Change trend of total phosphorus at each sampling point during the experimental period
图6. 实验周期内各采样点总磷变化趋势图
4.3. 改良型A2/O工艺TOC去除效果分析
改良型A2/O工艺是一种生物处理工艺,包括三个处理阶段:厌氧、缺氧和好氧。在此工艺中,微生物群体在不同的环境条件下生长和代谢,以去除废水中的污染物。改良型A2/O工艺TOC去除的主要路径通过微生物代谢作用完成。厌氧阶段,微生物将有机物质分解为中间产物;在缺氧阶段,中间产物会进一步被氧化为无机物质;好氧阶段,微生物将无机物氧化为稳定的化合物,同时过量吸收有机物,从而降低TOC浓度。改良型A2/O工艺对TOC的去除效果受多种因素影响,包括温度、pH值、曝气量、微生物的生长情况、有机物的种类和浓度等。为了获得最佳的TOC去除效果,需根据具体情况进行工艺设计和操作优化。TOC浓度越高,对A2/O工艺的处理效果影响越大,处理能力也会受到影响,较高的TOC浓度可能导致更多的有机物被转化为生物污泥,从而增加了污泥负荷,可能导致氨氮去除效果下降。图7可以看出,系统经稳定运行后表现出较好的TOC去除效果,出水水质较稳定。
5. 结论
(1) 为稳定运行,结合进水碳源情况,在确保改良型A2/O工艺出水水质达标的前提下,尽可能节约降耗,确定该研究前缺氧区最佳内回流比为100%,后缺氧区内回流比为200%。
(2) 改良型A2/O工艺各个区域厌氧释磷、缺氧反硝化均达到较好的处理效果,出水主要污染物指标均优于DB5301/T43-2020《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》B级标准,满足相关要求。
![](//html.hanspub.org/file/1-1751375x14_hanspub.png?202401090101083421508)
Figure 7. TOC change trend chart of each sampling point during the experimental period
图7. 实验周期内各采样点TOC变化趋势图
(3) 高浓度可生化有机废水作为碳源的投加比例在70%时,改良型A2/O工艺有较好的污染物去除效果,同时拓展了有机废水资源化利用的路径。
(4) 本研究采用的改良型A2/O工艺总氮去除率在72.3%~89.5%之间,总磷去除率在85.8%~96.5%之间,具有较好的污染物去除效果。
基金项目
大学生创新创业训练计划项目(2023A023, 202111390009)。
NOTES
*通讯作者。