沈耀良教授 | ABR相分離條件下耦合MBR工藝反硝化除磷可行性

水處理網(wǎng)訊:研究背景

反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate accumulating organisms, DNPAOs)以硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮作為電子受體，細胞內聚羥基烷酸(PHAs)為電子供體。相對于傳統(tǒng)的好氧生物處理，DNPAOs理論上可節(jié)約50%的碳源、減少30%的曝氣量，同時減少50%的剩余污泥產(chǎn)量。

王建龍等以厭氧-好氧-缺氧-好氧模式運行SBR反應器，成功實現(xiàn)了反硝化除磷；王曉蓮等通過控制部分運行參數(shù)在A2/O反應器中成功富集了反硝化除磷菌。但無論是SBR還是A2/O工藝都屬于單污泥系統(tǒng)，系統(tǒng)中的功能微生物如硝化菌、反硝化除磷菌等在碳源、HRT和SRT等因素上存在競爭，很難在一個系統(tǒng)中同時實現(xiàn)氮磷的高效去除。而ABR具有微生物相分離等特征，且在生物產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷方面具有顯著優(yōu)勢，馬天楠等采用Andrews模型建立了ABR處理效能與能量回收率之間的內在聯(lián)系。MBR反應器具有良好的截流作用，可保留世代周期較長的微生物，實現(xiàn)對污水的深度凈化。通過反硝化除磷“一碳兩用”的特性將厭氧ABR與好氧MBR耦合起來，可實現(xiàn)低耗經(jīng)濟的脫氮除磷。

近年來，通過ABR-MBR耦合工藝實現(xiàn)反硝化除磷的研究，雖然都取得了良好的脫氮除磷效果，但由于在ABR中主動回流污泥，并通過攪拌等措施使污泥在ABR中循環(huán)流動，喪失了ABR相分離的優(yōu)點。同時，由于ABR自身良好的水利條件，使得系統(tǒng)內易于形成顆粒污泥，但回流污泥采用的蠕動泵及攪拌等措施，會對顆粒污泥的形成造成不利影響，而顆粒污泥因其內外層存在溶氧梯度，硝態(tài)氮可由顆粒污泥外部擴散進入顆粒內使得DPAOs積聚磷酸鹽。故污泥回流影響了ABR自身具有的許多優(yōu)勢。

本研究在不回流污泥的情況下，維持ABR自身的特點，探究系統(tǒng)在該狀態(tài)下的氮、磷及COD的去除規(guī)律，以及反硝化除磷的影響因素和機理。

摘 要

采用ABR-MBR耦合工藝，調控MBR以好氧硝化運行，考察耦合工藝穩(wěn)定運行狀態(tài)下的除碳及反硝化除磷的去除效果及其影響因素，并分析了該耦合條件下的除磷機理。結果表明：在容積負荷為0.9kg/(m3·d)及硝化液回流比為200%的情況下，耦合工藝對COD、總氮、磷酸鹽的去除率分別為90%、70%和67%，反硝化除磷率隨硝化液回流比增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但隨著系統(tǒng)容積負荷的增加，ABR的第3格室出現(xiàn)了亞硝積累的情況，影響了反硝化除磷效果，運行過程中ABR逐漸形成的顆粒污泥也對耦合系統(tǒng)的除磷具有積極作用。

01 試驗部分

1.研究裝置

試驗裝置如圖1所示，反應器總有效容積為14.8 L，進水先經(jīng)ABR后進入好氧MBR，其中ABR和MBR的有效容積比約為2∶1，ABR的5個格室依次稱為A1至A5格室。反應器溫度控制在31 ℃左右。采用可編程邏輯控制器(PLC)控制膜組件出水泵和反沖洗泵的啟閉，一個周期為10 min(8 min出水，2 min反沖洗)。采用真空壓力表來測量跨膜壓差(TMP)以表征膜的污染狀況，當TMP增加至30 kPa時，對膜組件進行清洗。

2.進水和接種污泥

試驗用水采用生活污水進行人工配制，見表1所示。接種的污泥取自蘇州城市污水處理廠的A2/O工藝的二沉池污泥。經(jīng)悶曝24 h后接種至反應器中，ABR反應器各格室接種高濃度污泥至ρ(MLSS)約為30000 mg/L，MBR反應器中接種污泥至ρ(MLSS)約為4000 mg/L。

3.試驗方案

研究運行共分為3個階段：第1階段為污泥適應期，待ABR實現(xiàn)高效去碳，MBR穩(wěn)定硝化后開始回流硝化液至ABR；第2階段通過提升硝化液回流比的方式來富集反硝化除磷菌；第3階段在上階段研究的最優(yōu)情況下，提升負荷，考察對反應器去碳及脫氮除磷效能的影響，各階段具體的運行參數(shù)見表2所示。

4.分析測定方法

水樣經(jīng)過0.45 μm中性濾紙過濾，以去除懸浮物的影響。試驗中檢測項目及其分析方法詳見表3。

02 結果與討論

1.污泥適應期對碳氮去除特性

反應運行1～20 d為接種污泥的適應階段，ABR的HRT設置為16 h，MBR為8 h，為避免由于回流造成的局部水力停留時間縮短，使得ABR尚未去碳完全就進入MBR，影響MBR內的自養(yǎng)硝化，先不進行回流。污水流經(jīng)ABR第1和第2格室，經(jīng)水解酸化以及在產(chǎn)酸菌的作用下，將污水中的復雜大分子有機物分解為VFAs，為反硝化除磷提供優(yōu)質碳源, 系統(tǒng)啟動初期COD的去除情況見圖2a。系統(tǒng)進水ρ(COD)為350 mg/L左右，因接種的污泥為污水廠性能良好的A2/O二沉池污泥，啟動初期系統(tǒng)出水COD去除率可達70%左右。適應期后，系統(tǒng)出水的COD去除率穩(wěn)定在90%左右。ABR第2格室的出水ρ(COD)從初期的250 mg/L以下降到了100 mg/L左右，為后續(xù)除磷提供了足夠的優(yōu)質碳源的同時，也避免了硝化液回流后，COD與硝態(tài)氮優(yōu)先發(fā)生反硝化反應，消耗反硝化除磷所需的電子供體。適應期末期，第5格室的出水ρ(COD)穩(wěn)定在50 mg/L以下，ABR反應器對有機物的高效去除，保證了后端MBR硝化過程的順利進行，為硝化菌生長富集提供條件。韋佳敏等的研究也指出ABR后段對殘余COD的去除，可保證反硝化除磷菌處于最佳的富集條件，有利于DPBs淘汰異養(yǎng)反硝化菌成為優(yōu)勢菌群。

2.各運行工況下ABR-MBR耦合系統(tǒng)脫氮除磷去除特性

所有運行工況下ABR-MBR系統(tǒng)對磷的去除特性見圖3a，系統(tǒng)進水的磷酸鹽質量濃度為7～10 mg/L，在污泥適應期A工況下，污泥具有一定的吸磷能力，說明該接種污泥中就含有一定量的PAOs。隨著在B工況下開始進行硝化液回流，回流比為100%時，PAOs中反硝化除磷菌活性增強，磷酸鹽的去除率得到一定提高，但此時因有機負荷較低，可供DPBs利用的碳源有限。在第二階段，將負荷提升到0.9 kg/(m3·d)時，除磷效率穩(wěn)定在20%左右。運行一段時間后A4、A5格室出現(xiàn)了磷反釋現(xiàn)象，根據(jù)Comeau等的研究，ρ(NO-3-N)>5 mg/L時可抑制磷反釋的現(xiàn)象。故在D階段將回流比提高至200%，保證A5格室ρ(NO-3-N)>5 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后出水的磷濃度下降到2 mg/L左右，去除率穩(wěn)步提升至65%以上。隨后進一步提升了回流比至300%，除磷效果出現(xiàn)了下降，分析是由于過高的回流比攜帶了大量的溶解氧至ABR中，影響了ABR中厭氧缺氧環(huán)境，導致DPBs活性的下降。

整個運行期間系統(tǒng)對氮的去除情況見圖3b。啟動初期，MBR就具有良好的氨氮去除率，A工況后期，出水的氨氮基本維持在1～2 mg/L左右，出水的TN基本以NO-3-N的形式存在，啟動初期出水TN的去除是依靠MBR內部存在的DO濃度梯度，通過同步硝化反硝化去除的。在工況B下回流硝化液后，因啟動初期DPBs尚未在系統(tǒng)中處于優(yōu)勢地位，在硝酸鹽與碳源同時存在的情況下，會存在異養(yǎng)反硝化的情況，使得TN去除率進一步提升至50%左右。隨著負荷的提升，TN去除率稍有下降，在工況D下取得了最優(yōu)的TN去除率，約為65%左右，繼續(xù)提升回流比時，由于磷的去除受到了影響，導致DPBs的活性受到了抑制，TN去除率也呈下降趨勢。

3.影響因素分析

3.1 不同硝化液回流比對磷去除效能的影響

將MBR的硝化液，回流至ABR的第2格室的出水區(qū)，并以不同回流比（100%、200%、300%）考察反應器除磷效果的影響（見圖4）。可知，當硝化液回流比為200%時效果最佳?；亓鞅容^低時，反硝化除磷可利用的電子受體較少。當回流比上升至200%時，硝態(tài)氮濃度的增加刺激了反硝化除磷菌的代謝活性。王聰?shù)葘2/O-BCO工藝中硝化液回流比對反硝化除磷特效的影響研究中，也發(fā)現(xiàn)隨著回流比的增加，總磷的去除率呈現(xiàn)出上升。然而當回流比繼續(xù)增加至300%時，可能將MBR中大量的溶解氧帶入到了缺氧段，破壞了ABR中缺氧（厭氧）環(huán)境，抑制了DPB的缺氧吸磷能力，同時過高的硝態(tài)氮濃度也抑制了反硝化除磷菌的生長代謝?；亓鞅鹊脑龃螅g接使得缺氧段負荷增加，水力停留時間縮短。楊小梅等通過對A2/O-MBBR工藝反硝化除磷下的研究也發(fā)現(xiàn)，缺氧吸磷量會隨著硝化液回流比的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

3.2 反硝化除磷與反硝化之間的競爭

傳統(tǒng)的反硝化除磷工藝將厭氧與缺氧區(qū)域分隔開，故污水中的優(yōu)質碳源先在厭氧區(qū)通過DPB轉化為PHB等，以內碳源的方式貯存在細胞內，避免了發(fā)生在硝化液回流位置與異養(yǎng)反硝化菌競爭碳源的情況。本研究并未設置污泥回流，故反硝化菌與反硝化除磷菌存在競爭碳源的情況。但有研究指出，當碳源足夠時，反硝化除磷菌比反硝化菌更占優(yōu)勢，故本研究了考察了3個有機負荷下有機物的沿程變化情況。通過調節(jié)水力停留時間，將系統(tǒng)進水容積負荷控制在0.5，0.9，1.3 kg/(m3·d)，考察了3個工況下有機物、磷的去除及亞硝態(tài)氮生成情況。由圖5a可知，當負荷為0.5 kg/(m3·d)時，A1格室對系統(tǒng)COD的去除貢獻占到了70%左右，同時由圖5b可知，經(jīng)過第1第2格室后，剩余的可生化降解的有機物已經(jīng)很少，可供發(fā)生反硝化反應利用的碳源已經(jīng)很有限，亞硝態(tài)氮積累量處在較低的水平，同時也受碳源限制，磷的去除也僅有1 mg/L左右。隨著負荷的提升，水力停留時間縮短，有機物的去除開始向后面格室推移，0.9 kg/(m3·d)時A1格室的去除較第1階段有所下降，A2格室對COD去除貢獻率較第1階段下明顯提升，A3格室對COD的去除占比約為20%左右。該階段中，磷的去除效果也較好，且亞硝態(tài)氮的積累量在1 mg/L以下。在此負荷下，碳源大部分被反硝化除磷菌吸收為內碳源貯存在細胞體內，反硝化反應也較適宜。

3.3 顆粒污泥的形成及強化處理效能

反應器內污泥性狀的變化見圖6，在顯微鏡下觀察接種污泥，基本呈現(xiàn)絮狀。運行40 d后，取A3格室反硝化除磷功能區(qū)的污泥進行觀察，發(fā)現(xiàn)絮狀污泥中有顆粒污泥出現(xiàn)，但較細小，形狀不規(guī)則；第90 d時，A3格室的污泥呈亮黑色，粒徑在0.2 mm以上，且部分顆粒聚集在一起，小顆粒正逐漸聚合成大顆粒。反硝化除磷的污泥顆粒化，不僅能實現(xiàn)反硝化除磷低耗的特點，還能利用顆粒污泥內外環(huán)境差異強化系統(tǒng)厭氧缺氧環(huán)境，進一步提高了反應器處理效能。

4.除磷機理分析

從整體上看，本工藝只存在ABR厭氧和MBR好氧兩個狀態(tài)，但當考察局部單個格室ORP時如圖7所示，底部的ORP數(shù)值穩(wěn)定在-200 eV左右，明顯大于格室內中部的ORP，推測是因為硝化液回流附帶了一定的溶解氧，在ABR內形成了下部缺氧中部厭氧微環(huán)境，同時由于水力沖刷、產(chǎn)氣擾動作用以及重力沉降等使得污泥在厭氧缺氧區(qū)域內循環(huán)流動，此環(huán)境中反硝化除磷菌實現(xiàn)厭氧釋磷，缺氧吸磷。在微觀上，ABR易于形成顆粒污泥，顆粒污泥內外存在溶解氧梯度，也強化了這種厭氧缺氧交替的環(huán)境。隨著顆粒污泥的逐漸形成，在一定程度上促進了反硝化除磷效能的提高。反硝化除磷顆粒污泥除了生物除磷作用外，還具有磷酸鹽固化于污泥顆粒方式除磷。因ABR具有良好的相分離特性，保證了微生物的多樣性，使得微生物在各自適宜的環(huán)境中生存。故在A3格室反硝化除磷功能區(qū)也可能存在適宜該類環(huán)境而可直接除磷的新型PAOs，未來還需通過高通量測序等分子生物學手段對此進行進一步論證。

03 結 論

1)采用低C/N生活污水為研究對象，考察了ABR-MBR耦合工藝脫氮除磷的可行性?？刂迫莘e負荷為0.9 kg/(m3·d)，MBR中溶解氧為1～2 mg/L，在硝化液回流比為200%的情況下，磷及總氮的去除率近70%。

2)硝化液回流比對磷的去除有顯著影響，硝化液回流比從100%逐漸增加至300%時，ABR缺氧吸磷量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，A3格室平均缺氧吸磷量分別為1.12，3.19，2.23 mg/L。

3)本研究證明了在無污泥回流情況下，利用ABR-MBR耦合工藝實現(xiàn)了反硝化除磷。宏觀上，硝化液回流為ABR創(chuàng)造了厭氧缺氧的環(huán)境，同時又由于水力、微生物產(chǎn)氣、重力等綜合作用使得活性污泥在厭氧缺氧環(huán)境中循環(huán)流動；微觀上，逐漸形成的顆粒污泥內外存在著溶解氧梯度，進一步強化了厭氧缺氧的微環(huán)境。

原標題:沈耀良教授 | ABR相分離條件下耦合MBR工藝反硝化除磷可行性