目前，國(guó)內(nèi)主要針對(duì)A2/O工藝進(jìn)行研究UCT工藝作為一種新型脫氮除磷工藝，對(duì)其關(guān)注較少。本實(shí)驗(yàn)主要研究了UCT工藝污泥接種后的啟動(dòng)運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)COD、NH4+-N和TP的去除情況，從而考察該工藝對(duì)高氨氮污水的處理效果。
一、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 材料與儀器
生活污水，取于某大學(xué)家屬區(qū)，水質(zhì)見(jiàn)表1，屬于典型低C/N值的城市生活污水；接種污泥，取自北京市某污水處理廠污泥濃縮池，MLSS約為10g/L。
JMP-5000變頻潛水泵；CM-05多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀；TU-1810分光光度計(jì)；Mu/Li3620IDS水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀；MilwaukeepH56筆式酸度計(jì)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
工藝流程示意見(jiàn)圖1。
實(shí)驗(yàn)裝置主體由PE材料制成，裝置為圓形結(jié)構(gòu)，直徑為180cm，設(shè)計(jì)處理水量為5m3/d，水力停留時(shí)間(HTR)24h，厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)HRT為1：2：5，好氧區(qū)采用微孔曝氣的方式。在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)內(nèi)均設(shè)置豎向插板，污水在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)呈推流狀態(tài)，大大增加了污泥的碰撞幾率，有利于提高污泥濃度(MLSS)，提高處理效果。
系統(tǒng)的曝氣采用空氣泵，其出口流量為250L/min，流量采用LZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，曝氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程為8m3/h，氣提轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程為4m3/h。調(diào)節(jié)罐內(nèi)放置了兩臺(tái)JMP-5000變頻潛水泵，最大流量為5000L/h，最大揚(yáng)程為6m，潛水泵一用一備。污泥回流、硝化液回流和缺氧混合液回流均采用氣提技術(shù)，通過(guò)控制氣量控制回流量，每個(gè)回流量所對(duì)應(yīng)的氣量均由相應(yīng)的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。
實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)生活污水的水溫為(24±3)℃，接種污泥的體積為3m3。污泥接種后悶爆Ah后，2m3的生活污水填滿系統(tǒng)，由于污泥濃度大，活性好，因此采用連續(xù)培養(yǎng)的方式進(jìn)行污泥培養(yǎng)與馴化，以縮短污泥培養(yǎng)的時(shí)間。
系統(tǒng)的啟動(dòng)與運(yùn)行參數(shù)如下:在啟動(dòng)階段，進(jìn)水量為0.21m3/h，曝氣量為8m3/h；硝化液回流比為100%，污泥回流比為100%，缺氧混合液回流比為100%；在運(yùn)行階段，硝化液回流比為200%，通過(guò)調(diào)整曝氣量控制好氧區(qū)溶解氧濃度為1?2mg/L，SV值為30%?40%。
1.3 分析方法
水質(zhì)指標(biāo)主要采用水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。COD采用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TP采用鉬酸銨分光光度法，MLSS采用重量法。
二、結(jié)果與討論
2.1 UCT工藝的啟動(dòng)
2-1-1 COD去除率
由圖2可知，在啟動(dòng)階段，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果良好。第1?3d，出水COD平均濃度為55mg/L，對(duì)COD的平均去除率達(dá)到80%以上，這與接種污泥的數(shù)量與濃度有很大關(guān)系，使系統(tǒng)剛啟動(dòng)，就具有了高效的COD去除性能。在3?11d，出水COD平均濃度為41mg/L，達(dá)到GB18918-2002出水一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。隨著污泥繼續(xù)培養(yǎng)，COD的去除效果進(jìn)一步提升，出水COD的濃度逐漸降低，從第11d開(kāi)始，去除率緩慢上升，最高達(dá)96.41%，平均出水濃度為16mg/L，同時(shí)，好氧區(qū)的菌膠團(tuán)密實(shí)，出現(xiàn)了大量輪蟲(chóng)，說(shuō)明出水水質(zhì)良好。當(dāng)COD去除率高于80%，啟動(dòng)馴化階段結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)入下一階段研究。
2.1.2 NH4+-N去除率
啟動(dòng)期間NH4+-N濃度的變化見(jiàn)圖3
由圖3可知，在1~9d，進(jìn)水NH4+-N平均濃度為85.1mg/L，出水NH4+-N平均濃度為25.5mg/L，平均去除率為70.04%，這可能與進(jìn)水NH4+-N濃度高有關(guān)，高氨氮污水對(duì)硝化細(xì)菌的活性有影響，硝化速度慢，無(wú)法在限定的水力停留時(shí)間內(nèi)完成大量NH4+-N的轉(zhuǎn)化。再者，系統(tǒng)啟動(dòng)培養(yǎng)時(shí)間短，而硝化細(xì)菌的污泥齡較長(zhǎng)，接種污泥中硝化細(xì)菌數(shù)量少且對(duì)高氨氮污水要有適應(yīng)生長(zhǎng)期。在9~19d，NH4+-N的去除效率顯著提升，平均去除率為96.03%，最高去除率達(dá)到99.73%，出水NH4+-N濃度顯著降低，出水NH4+-N最低濃度為0.25mg/L，在最高去除率情況下，出水NH4+-N實(shí)現(xiàn)零排放。培養(yǎng)馴化階段，裝置對(duì)NH4+-N的平均去除率達(dá)到83.04%，這說(shuō)明硝化細(xì)菌培養(yǎng)馴化已完成，適應(yīng)了高氨氮生活污水的抑制作用，細(xì)菌菌群活性較好;同時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)馴化，系統(tǒng)中富集了大量的硝化細(xì)菌，使系統(tǒng)可在高氨氮的情況下完成硝化。
2.2 UCT工藝穩(wěn)定運(yùn)行效果
2.2.1 COD去除率
系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果見(jiàn)圖4
由圖4可知，進(jìn)水COD平均濃度為211mg/L，出水COD平均濃度為36mg/L，平均去除率為82.94%，達(dá)到GB18918-2002的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。
進(jìn)水中NH4+-N濃度過(guò)高會(huì)對(duì)COD去除造成影響，使出水COD略高于一般的生活污水處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)中，出水COD平均濃度較低，可能是進(jìn)水中70%的COD在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)被去除，僅有少量的COD在好氧區(qū)被氧化去除。進(jìn)水中TP濃度高，為厭氧釋磷創(chuàng)造了條件，在此過(guò)程中，聚磷菌需要消耗大量的易降解有機(jī)物;在缺氧區(qū)，由于進(jìn)水中NH4+-N濃度較高，使污泥回流中攜帶大量的硝酸鹽氮，反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽為電子受體，COD作為電子供體，使COD從缺氧區(qū)被進(jìn)一步去除，剩余的生化性較差的COD進(jìn)入好氧區(qū)，被好氧區(qū)的微生物降解利用。
2.2.2 NH4+-N去除率
系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果見(jiàn)圖5
由圖5可知，進(jìn)水NH4+-N平均濃度為87.8mg/L，出水NH4+-N平均濃度為1.9mg/L，平均去除率為97.84%。NH4+-N在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)大幅度下降，分析原因：缺氧2的NH4+-N濃度低于進(jìn)水，通過(guò)回流作用，把進(jìn)水的NH4+-N稀釋；同樣，在好氧區(qū)，NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，污泥回流和硝化液回流進(jìn)入缺氧1，其所含NH4+-N含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)水，使進(jìn)入缺氧區(qū)的NH4+-N濃度進(jìn)一步降低。在缺氧區(qū)內(nèi)部，NH4+-N濃度有所下降，但降低幅度比較小，主要是由于微生物生長(zhǎng)對(duì)氮元素的需要所致。
硝化菌是一種自養(yǎng)菌，有機(jī)基質(zhì)濃度不是限制其生長(zhǎng)的因素。但高濃度NH4+-N會(huì)抑制硝化細(xì)菌的活性，影響出水水質(zhì)。范舉紅在研究高NH4+-N對(duì)A2/O系統(tǒng)的影響時(shí)指出，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度增大，工藝運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)異常。為降低高NH4+-N負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的沖擊，系統(tǒng)采用大回流比稀釋的方法，使系統(tǒng)的NH4+-N在進(jìn)水好氧區(qū)之前就大幅度下降，使硝化細(xì)菌保持較好的活性。
2.2.3 TP去除率
系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果見(jiàn)圖6。
由圖6可知，進(jìn)水TP平均濃度為12.81mg/L，出水TP平均濃度為5.34mg/L，平均去除率為58.31%。前21d進(jìn)水TP平均濃度為13.30mg/L，出水TP平均濃度為6.53mg/L，平均去除率為50.90%;第21d，系統(tǒng)排放剩余污泥。在22?29d，進(jìn)水TP平均濃度為11.46mg/L，出水TP平均濃度為2.07mg/L，平均去除率為81.94%。系統(tǒng)排泥后，TP去除效果明顯，出水TP平均濃度由6.53mg/L降低到2.07mg/L，去除率提高了31%左右。第21d后，系統(tǒng)不排泥，出水TP濃度逐漸增大，由此可見(jiàn)，排泥可以提高系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果，污泥齡對(duì)于TP的去除至關(guān)重要，不排泥使TP在系統(tǒng)中循環(huán)往復(fù)的釋放和吸收。在A2/O工藝中，回流污泥含有大量的硝態(tài)氮，破壞了厭氧環(huán)境，影響厭氧釋磷效果。在UCT工藝中，污泥先回流到缺氧區(qū)，再由缺氧區(qū)回流到厭氧區(qū)，從而避免了硝態(tài)氮對(duì)聚磷菌的影響。在UCT工藝研究中發(fā)現(xiàn)了反硝化除磷現(xiàn)象，系統(tǒng)流程TP變化見(jiàn)圖7。
在UCT工藝中，厭氧區(qū)為聚磷菌提供了良好的釋磷環(huán)境，使聚磷菌在厭氧區(qū)充分利用易于生物降解的有機(jī)物進(jìn)行PHB的合成與儲(chǔ)存，釋放磷的含量大約為2mg/L。隨后在缺氧區(qū)反硝化除磷菌以硝態(tài)氮為電子受體，以體內(nèi)的PHB作為能量，過(guò)量吸收磷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)硝態(tài)氮的去除。在缺氧區(qū)，吸磷量大約為7mg/L。缺氧區(qū)出水剩余的TP在好氧區(qū)繼續(xù)被吸收，好氧吸磷量大約為3mg/L。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，出水的磷濃度大于好氧區(qū)，主要是因?yàn)槌恋沓匚勰酀舛容^高，消耗大量溶解氧，造成沉淀區(qū)溶解氧不足，污泥在沉淀池釋磷，同時(shí)伴隨著反硝化脫氮的進(jìn)行，造成污泥上浮。鑒于此，應(yīng)減少沉淀區(qū)MLSS，或者增加后續(xù)化學(xué)除磷工藝。同時(shí)，對(duì)于實(shí)際工程而言，沉淀區(qū)的MLSS不能過(guò)大，否則會(huì)造成沉淀區(qū)釋磷或者“跑泥”現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
研究發(fā)現(xiàn)，在普通的活性污泥系統(tǒng)確實(shí)存在反硝化除磷現(xiàn)象。吳昌永等利用實(shí)驗(yàn)室裝置研究了A2/O工藝中的反硝化作用，系統(tǒng)中缺氧區(qū)吸磷量占總吸磷量的36%。呂亮研究硝化液回流對(duì)反硝化除磷的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝化液回流比為300%，反硝化除磷效果最好。系統(tǒng)的除磷率為94.5%，系統(tǒng)的反硝化除磷占總除磷量的比例為98.4%。
三、結(jié)論
(1)UCT工藝啟動(dòng)運(yùn)行周期短，在啟動(dòng)運(yùn)行初期中，對(duì)COD和NH4+-N平均去除率為86.17%和83.04%左右，出水COD和NH4+-N平均濃度滿足GB18918-2002一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)。
(2)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段，對(duì)COD、NH4+-N和TP的平均去除率分別為82.94%，97.84%和58.31%，出水平均濃度分別為36，1.9，5.34mg/L。
(3)70%的COD在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)消耗，進(jìn)入好氧區(qū)的COD較少，同時(shí)系統(tǒng)回流比較大，避免了進(jìn)水中較高濃度的NH4+-N對(duì)COD去除效果的影響。
(4)依靠大曝氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)NH4+-N的去除，硝化效果較好，NH4+-N最高去除率為99.73%，基本實(shí)現(xiàn)NH4+-N零排放。
(5)高NH4+-生活污水有利于缺氧區(qū)的反硝化除磷，排泥能降低出水TP濃度。
(6)對(duì)于高氨氮生活污水，需要加大硝化液回流比和增加缺氧區(qū)體積，以強(qiáng)化反硝化除磷效果
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