A2O-HPB工藝應用于污水廠提標擴容的中試研究
鐘言1，韓紅波1，易境1，柴曉利1，2，戴曉虎2*
(1. 湖南三友環(huán)保科技有限公司，長沙，410205；2. 同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海，200092；)
摘要：針對某污水處理廠存在的進水碳源不足、水量沖擊、無新建用地等問題，采用A2O-HPB工藝進行現(xiàn)場中試，考察該組合工藝的處理效果和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在不投加碳源和除磷藥劑的條件下，出水COD、NH3-N、TN和TP分別為5.02～15.19 、0.05～0.37、3.9～5.73、0.12～0.27mg/L，COD、NH3-N和TN的去除率相比現(xiàn)狀污水處理廠分別提升了1.25%、13.28%和23.56%；日處理水量翻倍，出水COD、NH3-N、TN和TP分別為5.7～16.46、0.07～0.21、2.55～4.03和0.08～0.18mg/L，穩(wěn)定優(yōu)于湖南地標一級。復合粉末載體的投加和載體分離回收系統(tǒng)的使用，提升了系統(tǒng)內(nèi)的微生物總量，克服了脫氮和除磷菌泥齡矛盾，強化了污泥的沉降性能，大幅提高了系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力。可見，A2O-HPB工藝適用于該污水處理廠的提標擴容。近年來，隨著城市化進程的不斷加快和污水排放標準的日益嚴苛，許多城市污水廠需進行提標擴建，然而改造工程存在無新建用地等問題，因此，如何實現(xiàn)生化池的原池提標擴容尤為關(guān)鍵。HPB技術(shù)通過向生化池投加復合粉末載體，為微生物提供豐富的附著點位，提高生化池中的有效生物量；同時通過載體回收分離單元，實現(xiàn)雙泥齡，同步提升脫氮除磷的效率。高濃度復合粉末載體生物流化床(HPB)技術(shù)具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐沖擊負荷強、占地省等優(yōu)點，可實現(xiàn)生化池原池提標擴容，并在工程項目中得到驗證。湖南省某污水處理廠設計總規(guī)模為15萬m3/d，主體工藝為粗格柵+細格柵+旋流沉砂池+二段式生物接觸氧化池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池+紫外消毒池，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準。隨著環(huán)保要求的不斷提高，需對該廠進行提標擴容，改造后總處理規(guī)模將達到20 萬m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB43/T 1546-2018)一級標準（簡稱：湖南地標一級）。然而，其提標擴建面臨進水碳源不足、水量沖擊、無新建用地等問題，擬采用A2O-HPB工藝進行現(xiàn)場中試，研究組合工藝的脫氮除磷效果及適宜的運行參數(shù)，為該污水處理廠的提標擴容提供技術(shù)支撐。
A2O-HPB中試系統(tǒng)由A2/O生化池、二沉池、載體分離回收裝置組成，A2/O生化池有效容積為44.75m3，二沉池有效容積為19.88m3，如圖1所示。其中，A2/O生化池中厭氧：缺氧：好氧容積之比為1：1.1：2.2，厭氧池、缺氧池和好氧池均設置有攪拌器，好氧池采用微孔曝氣裝置進行曝氣。載體分離回收系統(tǒng)由加壓泵和復合粉末載體水力旋分器組成，通過載體分離回收系統(tǒng)進行排泥，利用密度差將復合粉末載體和附著微生物與懸浮微生物及雜質(zhì)分離，實現(xiàn)對剩余污泥中的載體和附著微生物回收循環(huán)利用。通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)運行參數(shù)的設置和調(diào)控。
圖1 A2O-HPB工藝流程圖
1.2試驗材料與分析檢測方法
復合粉末載體主要包括基礎粉末載體硅藻土（Diatomaceous earth，簡稱 DE）和功能性超細粉末載體硫鐵礦（Pyrite，簡稱 PY）。試驗進水采用污水廠曝氣沉砂池出水，其水質(zhì)特征為：COD為64～318mg/L；氨氮（NH3-N)濃度為4.84～11.77mg/L；總氮(TN)濃度為10.76～20.56 mg/L；總磷(TP)濃度為0.88～4.32mg/L；pH為6.9～7.6。COD采用快速消解比色法測定；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；MLSS和MLVSS采用烘干稱量法測定；SVI值采用靜置沉降法測定；pH和溶解氧采用電極法測定；載體形貌特征通過普通光學顯微鏡與掃描電子顯微鏡測定。
1.3試驗方法
中試試驗分為3個階段，具體見表1。階段I為啟動階段，向裝置內(nèi)投加復合粉末載體提升污泥濃度，維持現(xiàn)狀污水處理廠相同的HRT進行載體掛膜，同步啟動載體分離回收單元進行排泥，實現(xiàn)復合粉末載體的回收循環(huán)，后續(xù)運行過程中復合粉末載體每日補充量控制在5mg/L；階段II為穩(wěn)定測試階段，主要考察A2/O-HPB工藝在設計工況下的運行效果；階段III為水量沖擊階段，水力停留時間縮短至5.37h，日處理水量翻倍，考察系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力。
表 1不同工藝階段運行參數(shù)
采用掃描電子顯微鏡對掛膜前后載體的微觀形貌進行分析。由圖2a可知，DE呈圓篩狀和原柱狀，殼體表面較為光滑，分布著大量孔徑大小不一的多孔狀結(jié)構(gòu)。DE具有較大的比表面積和良好的生物親和性，可為附著型微生物的生長繁殖提供棲息場所。PY呈不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，粒徑分布在1～10um，可作為自養(yǎng)反硝化的電子供體，通過共沉降均勻負載于DE表面 (圖2b)。從圖2c可以發(fā)現(xiàn)，污泥絮體與載體緊密結(jié)合，富集了大量的絲狀菌、桿菌、球菌等微生物，提高了系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù)量，有利于污染物的去除。
圖2 載體掛膜前后的SEM圖象
測試期間廠區(qū)和中試系統(tǒng)的COD變化情況如圖3所示。進水COD為77.2～293.72mg/L，波動較大，廠區(qū)出水COD為9～29.75mg/L，平均去除率為88.84%。中試系統(tǒng)出水COD的變化規(guī)律分為3個階段，階段I出水COD為5.05～15.92mg/L，平均去除率為92.11%，該階段載體處于掛膜狀態(tài)，COD去除率提升主要歸因于復合粉末載體具有較大的比表面積，可通過吸附作用實現(xiàn)污染物的快速富集，同時載體在系統(tǒng)內(nèi)處于全流化狀態(tài)，增加了微生物、溶解氧和污染物的接觸幾率，有利于系統(tǒng)對COD的去除。而階段II和階段III，水力停留時間縮短至7.16h和5.37h，出水COD分別為5.02～15.19mg/L和5.7～16.46mg/L，平均去除率相較于階段I分別提升了1.25%和3.11%，可穩(wěn)定達標湖南地標一級，表明系統(tǒng)具有良好的抗水質(zhì)水量沖擊能力。載體掛膜后系統(tǒng)對COD的去除進一提升，分析原因為載體投加提升了系統(tǒng)內(nèi)的微生物量，同時有利于某些泥齡較長的專性微生物富集，在生長代謝過程中消耗更多COD。
圖3對COD的去除效果
2.3 NH3-N的去除效果分析
由圖4可知，進水NH3-N為4.84～12.46 mg/L，廠區(qū)出水NH3-N為0.43～2.03mg/L，平均去除率為84.90%，以湖南地標一級分析，在統(tǒng)計的44d運行數(shù)據(jù)中，NH3-N超標率為22.73%，造成NH3-N超標的主要原因為進水營養(yǎng)相對匱乏，接觸氧化池中填料掛膜效果較差，硝化細菌總量不足。中試系統(tǒng)從階段I到階段III，水力停留時間從10.74h逐步縮短至5.37h，出水NH3-N穩(wěn)定低于0.5mg/L，平均去除率高達98.07%，遠優(yōu)于湖南地標一級。由此可知，系統(tǒng)具有良好的硝化活性，分析原因：（1）復合粉末載體的投加，為世代周期較長的硝化菌生長繁殖提供了棲息場所，提升了系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的數(shù)量；（2）復合粉末載體的投加提升了系統(tǒng)內(nèi)的生物量，微生物的生長代謝可利用部分NH3-N ；（3）載體分離回收系統(tǒng)的水力剪切作用可將活性較差的絮體污泥篩選淘汰，而活性較強的的硝化污泥附著在載體表面通過回收在系統(tǒng)內(nèi)富集，因此系統(tǒng)具有良好的抗沖擊性能，實現(xiàn)對NH3-N的穩(wěn)定去除。
圖4 NH3-N去除效果
2.4 TN的去除效果分析
由圖5可知，進水TN為10.76～20.56mg/L，廠區(qū)出水TN為6.55～9.61mg/L，平均去除率為46.62%，出水TN偏高，存在一定的超標風險，表明現(xiàn)狀污水廠的反硝化能力不足。中試系統(tǒng)階段I出水TN為5.43～9.87mg/L，平均去除率為46.45%，波動較大。隨著系統(tǒng)的運行，載體掛膜完成，中試系統(tǒng)對TN去除逐步提升。階段II和階段III出水TN下降至3.9～5.73mg/L和2.55～4.03mg/L，平均去除率分別提升至70.01%和79.50%。通常認為進水水質(zhì)滿足COD/TN≥8時，脫氮反應才能完全進行，試驗期間COD/TN僅為3～7.5，全過程未投加碳源，出水TN遠低于設計值的10mg/L。A2/O-HPB工藝可強化脫氮原因如下：（1）復合粉末載體的投加和載體分離系統(tǒng)的使用，增加了系統(tǒng)內(nèi)硝化和反硝化菌的數(shù)量和活性；（2）復合粉末載體中的PY可為自養(yǎng)反硝化提供電子供體，在系統(tǒng)內(nèi)形成異養(yǎng)-硫自養(yǎng)反硝化，減少對有機碳源的依賴，提高了系統(tǒng)的的脫氮效果；（3）復合粉末載體可于污泥絮體結(jié)合形成更緊密的結(jié)構(gòu)，有利于在好氧區(qū)形成好氧/缺氧的微環(huán)境，為同步硝化反硝化創(chuàng)造了條件。
圖5 TN去除效果
2.5 TP的去除效果分析
測試期間廠區(qū)和中試系統(tǒng)的TP變化情況如圖6所示。進水TP為0.88～4.32mg/L，廠區(qū)出水TP為0.1～0.19mg/L，平均去除率為93.92%，現(xiàn)狀污水處理廠通過絮凝劑的投加實現(xiàn)了出水TP的穩(wěn)定達標。中試系統(tǒng)各階段的出水TP分別為0.1~0.24 mg/L、0.12～0.27mg/L和0.08～0.18mg/L，平均去除率分別為89.55%、92.2%和95.5%，未投加除磷藥劑，可穩(wěn)定達標湖南地標一級。分析原因如下：（1）載體分離回收系統(tǒng)將載體和附著微生物進行回收利用，將富磷剩余污泥及時排出系統(tǒng)，在生化段實現(xiàn)了雙泥齡，強化了脫氮除磷的效果；（2）PY在微生物和溶解氧的作用下，產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+可與磷酸鹽發(fā)生化學反應形成難溶的磷酸鹽沉淀；（3）此外，部分Fe3+在水解作用下形成含鐵的羥基絡合物，通過吸附架橋及卷掃作用加快磷的去除。
圖6 TP去除效果
2.6 污泥特性分析
通過對MLSS、MLVSS和SVI在中試系統(tǒng)變化規(guī)律的分析來考察復合粉末載體投加對污泥特性的影響，MLSS和MLVSS是表征污泥中活性組分的重要參數(shù)，SVI則可較好的反映污泥沉降性能。由圖7可知，接種污泥的MLSS和MLVSS分別為4.22g/L和2.11g/L，相應的MLVSS/MLSS為0.50。階段I通過連續(xù)投加復合粉末載體快速提升污泥濃度，階段I結(jié)束時MLSS和MLVSS分別為7.97g/L和2.92g/L，MLVSS/MLSS下降至0.37 ，MLVSS含量升高從側(cè)面反映出復合粉末載體的投加有利于促進系統(tǒng)內(nèi)微生物的增值。隨著系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)內(nèi)的MLVSS/MLSS占比趨于穩(wěn)定，這是因為載體分離回收系統(tǒng)實現(xiàn)了大部分載體及附著微生物的回收。此外，可以發(fā)現(xiàn)接種污泥的SVI為83.04mL/g，復合粉末載體投加后SVI值出現(xiàn)明顯下降，運行第44d，SVI下降至61.96mL/g。通常情況下，SVI值下降，污泥沉降速度加快，這表明復合粉末載體的投加可有效改善污泥的沉降性能。分析認為，復合粉末載體具有較大的比表面積，易于活性污泥中的菌膠團結(jié)合，改善絮凝體結(jié)構(gòu)；載體本身可作為增重劑，增加絮體的強度和密度，降低污泥塑性，提高污泥沉降速率。
圖7 MLSS、MLVSS及SVI的變化規(guī)律
（1）采用A2/O-HPB工藝進行污水處理廠提標擴建中試，在水力停留時間為7.16 h、內(nèi)外回流比為100%、好氧區(qū)的DO為1.5～2 mg/L，出水COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為93.36%、98.18%、70.01%和92.2%，出水濃度分別為5.03～15.19mg/L、0.05～0.37mg/L、3.9～5.73mg/L和0.12～0.27mg/L，穩(wěn)定達標湖南地標一級。
（2）A2/O-HPB工藝具有良好抗水量沖擊能力，日處理水量翻倍，出水COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率仍高達95.22%、98.07%、79.5%和95.5%。
（3）復合粉末載體的投加為微生物生長提供棲息場所，促進了系統(tǒng)內(nèi)的微生物生長，提高了系統(tǒng)內(nèi)的微生物總量；復合粉末載體投加后可明顯改善污泥的沉降性能，SVI值由83.04下降至61.96mL/g，提高了A2/O-HPB工藝的污水處理能力。
（4）A2/O-HPB工藝可在不投加碳源和除磷藥劑、日處理水量翻倍的工況下，實現(xiàn)出水TN和TP的穩(wěn)定達標，有效降低項目的投資及運營成本，可應用于該污水處理廠的提標擴容。
