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COD/N比与硝酸盐回流比对厌氧/缺氧/好氧(A2/O)-生物曝气滤池(BAF)系统脱氮除磷的综合影响
Yongzhi Chena,b, Baikun Lic, Liu Yea, Yongzhen Penga,lowast;
摘要
在实验室生物曝气滤池（BAF）系统的厌氧/缺氧/好氧条件下研究了化学需氧量（COD）与总氮比（COD/N）和硝酸盐循环比（R）。单独COD/N比的变化对COD去除和硝化没有显著影响，其中COD的浓度为37mg/L，铵浓度低于检测水平。然而，在A2/O的厌氧区，由于缺氧条件下缺乏碳源和氧气（溶解氧浓度：0.31-0.72mg/L），具有高R（200-600％）的低COD/N比率（3.0）劣化了总氮（TN）去除率。在COD/N比为4.0时，当R从100％增加到400％时，TN去除效率从66％稳定增加到81％，但在最高R（600％）时降低到70％。在5.5的高COD/N比下，随着R从100增加到600％，TN去除效率从68％增加到90％。A2/O的厌氧区磷释放量从16.2 mg/L增加到55mg/L，COD/N比从3.0增加到5.5。低的COD/N比（3.0和4.0）对除磷效果影响不大，而高的COD/N比（5.5）导致沉淀池中磷的释放，这是由于残余碳的影响。
1 介绍
为了防止天然水资源中的富营养化，废水处理厂（WWTPs）必须同时去除生物营养物（BNR）（特别是氮（N）和磷（P））和化学需氧量（COD）[1–4]。已经开发了几种BNR和COD去除工艺，例如：厌氧/缺氧/好氧（A2/ O）工艺，开普敦大学（UCT）工艺，改良开普敦大学（MUCT）工艺。
A2/O工艺是污水处理厂中最常用的同步脱氮除磷工艺，这是一个单一的活性污泥系统序批式进入厌氧，缺氧和好氧区。然而，A2/O工艺存在两个主要操作问题：（1）不同的硝化细菌需要不同的污泥停留时间（SRT）（需要长SRT）和聚磷菌（PAOs，需要短SRT）[5]；（2）回流污泥中NO3--N对厌氧区磷释放的抑制作用，其中反硝化细菌与PAOs竞争碳源，直到反硝化结束才有净磷释放[6]。
生物曝气滤池（BAF）可能是A2/O工艺的一个解决方案。由于粒状滤料为生物体生长提供了高表面积，BAF可以在较小的占地面积内实现硝化反应[7,8]。BAF将过滤和生物反应结合在一个反应器中。当水头损失达到一定水平时，BAF需要反冲洗，因为附着的固体会降低滤料孔隙度[5]。
A2/O与BAF的组合系统有望解决这个A2/O固有的问题。在A2/O中发生磷的去除和反硝化脱氮，而在BAF中发生硝化反应，后接沉淀池，这延长了BAF的操作时间。 在A2/O中应用短SRT（10天），并且在BAF中应用相对较长的SRT（30天）以富集硝化物和PAO[9,10]。NO3--N从BAF再循环到A2/O的缺氧区而不是厌氧区，因此可维持良好的严格的厌氧环境用以释磷[11]。此外，A2/O厌氧/缺氧区消耗大量的COD，BAF的上清液中的COD/N比有利于生物膜上硝化细菌的生长，增强了硝化作用。
以前的研究表明，通过调节硝酸盐循环比率（R），A2/O-BAF组合系统可同时进行营养物和COD去除[12–14]。A2/O-BAF组合系统有两个关键因素：COD/N比（COD与总氮比）和硝酸回收率（R）[15–18]。低COD/N比导致不完全的反硝化，而高的COD/N比抑制了硝化并引起磷的二次释放。另一方面，高R使来自BAF的大量溶解氧（DO）进入A2/O的缺氧区域，从而抑制了反硝化过程。低R降低返回的硝酸盐，并降低总氮（TN）去除效率。在大多数污水处理厂中，废水的COD/N比值从2到11不等[15]，并影响BNR和COD的去除。COD/N比和Rs的变化可能对A2/O-BAF系统的整体性能产生影响。因此，阐明COD/N和R对同步BNR和COD去除的综合影响至关重要。
基于在不同的Rs下A2/O-BAF系统的成功运行[12,13]，本研究旨在确定处理生活污水的A2/O-BAF系统中COD/N比和R对BNR（脱氮除磷）和COD去除的综合效果。进行了长期实验（120天），以确定不同COD/N比和Rs下TN去除效率和P去除效率的变化，以及BAF在整个过程中的作用。根据运行结果，提出了COD/N比和R的优化运行方案，以保持较高的BNR和COD去除率。
2 材料和方法
2.1 实验系统
实验室的A2/O-BAF系统（总体积：43 L）由配水池，A2/O，沉淀池和BAF组成（图1）。A2/O反应器由透明有机玻璃制成，九个隔室（每个3.3L）由隔板分隔以实现厌氧/缺氧/好氧环境。第一个隔室是厌氧的，其后是六个缺氧隔室和两个好氧隔间。 较长的缺氧水力停留时间（HRT）将导致更好的脱氮和更高的反硝化聚磷菌（DNPAO）的活性[19–22]。带有矩形桨的机械搅拌器安装在厌氧和缺氧室内。好氧室由位于系统底部的多孔石墨扩散器曝气。将来自A2/O体系的混合液置于一个工作体积为20L的圆柱形沉淀罐中进行沉淀。沉淀出水流入BAF（工作体积：13L，直径：10cm，高度：200cm，由透明有机玻璃制成）中。BAF内装有轻质陶粒作为生物载体（直径：2-4厘米，深度：167厘米）。BAF专门用于发生硝化反应。
图1.A2/O-BAF组合系统示意图
A2/O接种取自北京高碑店污水处理厂（中国北京）的活性污泥。A2/O的SRT为10天。进水流量为90 L/d。总悬浮固体（TSS）为2.8-4.5g/L，挥发性悬浮固体（VSS）为1.9-3.6g/L。回流污泥比保持在100％。压缩空气供给A2/O和BAF的好氧区，DO浓度分别为2.0mg/L和6.0mg/L。整个系统运行了50天以达到稳定状态。全部实验都在环境温度（19-35℃）下进行。
2.2 实验设计
A2/O-BAF系统达到稳定状态后开始连续实验。设置有三个COD/N比（3.0,4.0和5.5，称为三种工况（工况1，工况2和工况3））,对每个COD/N比设有五个Rs（100％，200％，400％，500％和600％）（表1）。该系统在每个条件下运行40天。用乙酸钠调整COD/N比，并用蠕动泵的转速调整R。每天采集各个隔室的进水、出水及废水水样，进行COD，TN，P和N素（NH4 -N，NO2-minus;N和NO3-minus;N）的分析。系统的工作性能根据其COD和营养物的去除效率进行评估。
表1
C/N比和Rs的实验设计
|
工况 |
C/N |
R (%) |
||||
|
1 |
3.0 |
100 |
200 |
400 |
500 |
600 |
|
2 |
4.0 |
100 |
200 |
400 |
500 |
600 |
|
3 |
5.5 |
100 |
200 |
400 |
500 |
600 |
系统中的生活污水每天从北京工业大学住宅区（中国北京）收集。该污水的主要参数描述于表2。
表2
污水的主要参数
|
工况 |
CODa (mg/L) |
NH4 -N (mg/L) |
NO2--N (mg/L) |
NO3--N (mg/L) |
TN (mg/L) |
PO43--P (mg/L) |
T(◦C) |
pH |
|
1 |
220plusmn;18 |
70.6plusmn;0.2 |
0.06plusmn;0.01 |
0.2plusmn;0.2 |
73.6plusmn;0.4 |
5.60plusmn;0.16 |
18plusmn;2 |
7.3plusmn;0.5 |
|
2 |
292plusmn;19 |
70.0plusmn;2.0 |
0.01plusmn;0.01 |
0.4plusmn;0.1 |
73.1plusmn;1.3 |
5.62plusmn;0.23 |
22plusmn;3 |
7.3plusmn;0.2 |
|
3 |
403plusmn;22 |
70.4plusmn;1.0 |
0.06plusmn;0.01 |
0.7plusmn;0.1 |
73.2plusmn;1.3 |
5.63plusmn;0.11 |
20plusmn;3 |
7.4plusmn;0.3 |
aCOD：这是添加乙酸钠作为外部碳源后的测量值。
2.3 分析方法
COD，铵（NH4 -N），亚硝酸盐（NO2--N），硝酸盐（NO3--N），正磷酸盐（PO43--P），TSS和VSS的分析采用标准方法[23]。使用Multi N/C 3100分析仪（德国Jena）测定TN。 TSS和VSS用于计算每个工况中的生物量同化。用0.45mu;m滤纸过滤后分析所有样品。 使用DO/pH/温度计（WTW Multi 340i，德国）在线监测DO、pH和温度（T）。
图2.随时间变化的不同C/N比的A2/O-BAF系统的COD变化
3 结果与讨论
3.1 A2/O-BAF系统中COD的去除
以前的研究表明，在Rs（100-400％）下运行的A2/O-BAF系统实现了高COD去除效率（gt; 85％）[10,11]。这项研究的结果证实了这种组合系统实现了良好的COD去除效率（图2）。尽管在工况1-3中COD浓度从220mg/L上升到403mg/L，但平均的COD浓度为36.5plusmn;4.0mg/L。当COD/N比为3.0，4.0和5.5时，COD的平均去除率分别为83.2％，87.2％和90.3％。
plusmn;
与传统的BNR工艺相比，未在厌氧/缺氧区消耗的有机底物最终会在A2/O和BAF的好氧区中降解。由于A2/O出水含有少量可生物降解的有机物质，因此硝化细菌的生长在BAF中不受抑制。此外，随着COD/N比的增加，COD去除率呈上升趋势，但不受R影响（图2）。
TSS和VSS在每次运行中保持相对稳定（表3），随着COD/N比率的增加而略有增加。主要原因是该系统中普通异养生物（OHOs）占主导地位，高COD负荷加速了OHOs的生长。该结果与计算的理论值一致：
其中XH代表VSS浓度（g/L），Y<su
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