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. 湖南三友環保科技有限公司，長沙，410205；2. 同濟大學環境科學與工程學院，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工藝進行現場中試，考察該組合工藝的處理效果和穩定性。結果表明，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，穩定優于湖南地標一級。復合粉末載體的投加和載體分離回收系統的使用，提升了系統內的微生物總量，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，如何實現生化池的原池提標擴容尤為關鍵。HPB技術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)技術具有出水水質穩定、耐沖擊負荷強、占地省等優點，可實現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+纖維轉盤濾池+紫外消毒池，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準。隨著環保要求的不斷提高，需對該廠進行提標擴容，改造后總處理規模將達到20 萬m3/d，出水水質執行《湖南省城鎮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工藝進行現場中試，研究組合工藝的脫氮除磷效果及適宜的運行參數，為該污水處理廠的提標擴容提供技術支撐。
A2O-HPB中試系統由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分離，實現對剩余污泥中的載體和附著微生物回收循環利用。通過PLC控制系統實現運行參數的設置和調控。
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，向裝置內投加復合粉末載體提升污泥濃度，維持現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，實現復合粉末載體的回收循環，后續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，考察系統的抗沖擊負荷能力。
表 1不同工藝階段運行參數
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構。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呈不規則塊狀結構，粒徑分布在1～10um，可作為自養反硝化的電子供體，通過共沉降均勻負載于DE表面 (圖2b)。從圖2c可以發現，污泥絮體與載體緊密結合，富集了大量的絲狀菌、桿菌、球菌等微生物，提高了系統內的微生物數量，有利于污染物的去除。
圖2 載體掛膜前后的SEM圖象
測試期間廠區和中試系統的COD變化情況如圖3所示。進水COD為77.2～293.72mg/L，波動較大，廠區出水COD為9～29.75mg/L，平均去除率為88.84%。中試系統出水COD的變化規律分為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，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污染物的快速富集，同時載體在系統內處于全流化狀態，增加了微生物、溶解氧和污染物的接觸幾率，有利于系統對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%，可穩定達標湖南地標一級，表明系統具有良好的抗水質水量沖擊能力。載體掛膜后系統對COD的去除進一提升，分析原因為載體投加提升了系統內的微生物量，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，在統計的44d運行數據中，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穩定低于0.5mg/L，平均去除率高達98.07%，遠優于湖南地標一級。由此可知，系統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，提升了系統內硝化菌的數量；（2）復合粉末載體的投加提升了系統內的生物量，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內富集，因此系統具有良好的抗沖擊性能，實現對NH3-N的穩定去除。
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，表明現狀污水廠的反硝化能力不足。中試系統階段I出水TN為5.43～9.87mg/L，平均去除率為46.45%，波動較大。隨著系統的運行，載體掛膜完成，中試系統對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的使用，增加了系統內硝化和反硝化菌的數量和活性；（2）復合粉末載體中的PY可為自養反硝化提供電子供體，在系統內形成異養-硫自養反硝化，減少對有機碳源的依賴，提高了系統的的脫氮效果；（3）復合粉末載體可于污泥絮體結合形成更緊密的結構，有利于在好氧區形成好氧/缺氧的微環境，為同步硝化反硝化創造了條件。
圖5 TN去除效果
2.5 TP的去除效果分析
測試期間廠區和中試系統的TP變化情況如圖6所示。進水TP為0.88～4.32mg/L，廠區出水TP為0.1～0.19mg/L，平均去除率為93.92%，現狀污水處理廠通過絮凝劑的投加實現了出水TP的穩定達標。中試系統各階段的出水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，可穩定達標湖南地標一級。分析原因如下：（1）載體分離回收系統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，在生化段實現了雙泥齡，強化了脫氮除磷的效果；（2）PY在微生物和溶解氧的作用下，產生的Fe2+和Fe3+可與磷酸鹽發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在中試系統變化規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，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通過連續投加復合粉末載體快速提升污泥濃度，階段I結束時MLSS和MLVSS分別為7.97g/L和2.92g/L，MLVSS/MLSS下降至0.37 ，MLVSS含量升高從側面反映出復合粉末載體的投加有利于促進系統內微生物的增值。隨著系統的運行，系統內的MLVSS/MLSS占比趨于穩定，這是因為載體分離回收系統實現了大部分載體及附著微生物的回收。此外，可以發現接種污泥的SVI為83.04mL/g，復合粉末載體投加后SVI值出現明顯下降，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合，改善絮凝體結構；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、內外回流比為100%、好氧區的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，促進了系統內的微生物生長，提高了系統內的微生物總量；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，實現出水TN和TP的穩定達標，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。
