1 引言
近年來，氮磷等營養物質的過多排放造成了緩流水體富營養化程度加劇.污水處理技術已從過去的有機污染物去除階段轉入兼顧脫氮除磷深度處理階段，經濟高效的脫氮除磷技術已成為當前研究開發的重點.因此，研究人員不斷對傳統工藝進行升級改造，出現了一系列改進工藝，如改良UCT、Dephanox、改良A2O等工藝.Biolak工藝作為一種傳統工藝，具有投資省、運行簡便、多級A/O的特點，已廣泛應用于我國中小城鎮污水的處理，但其脫氮除磷的效果尚無法達到日趨嚴格的污水排放標準.Biolak型A2O工藝是在Biolak工藝基礎上提出的一種新型高效節能脫氮除磷的改進工藝，該工藝已在多座城市污水處理廠得到應用.
基于此，本文對承德市某污水處理廠的Biolak型A2O工藝運行情況進行生產性試驗研究.該工藝由在線溶解氧儀監測好氧區中的DO，根據DO的變化來控制風機運行.鑒于溶解氧對微生物生長影響較大，是影響系統硝化-反硝化效能的重要指標，好氧段曝氣量的多少也影響到厭氧段ORP值從而影響厭氧段的除磷能力，同時，曝氣量的大小直接影響污水處理廠的運行費用和處理效果.因此，本文研究了好氧區不同DO對系統脫氮除磷效果的影響，以期為Biolak工藝的工程改造和運行提供參考依據.
2 材料及方法
2.1 污水處理廠工藝簡介
該污水處理廠設計規模為2.00萬m3 · d-1.工藝流程由預處理段、生物處理段、深度處理段和污泥處理段組成.
污水經粗格柵除去粗大雜物后，經泵房提升進入細格柵間，去除細小雜物.之后進入沉砂池，污水經沉砂池后，進入生化綜合池(Biolak型A2O工藝).處理后的水進入深度處理區(絮凝反應池+V型濾池)，進一步去除水中的懸浮物及總磷，濾池出水繼而進入消毒渠，經消毒后出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準.剩余污泥排入貯泥池，經帶式壓濾脫水后外運.工藝流程見圖 1.
圖 1 Biolak型A2O工藝流程圖
工藝設計參數：厭氧池水力停留時間(HRT)2.20 h，缺氧池水力停留時間(HRT)3.50 h，Biolak池水力停留時間(HRT)13.0 h，系統泥齡 15.0 d，污泥濃度3500 mg · L-1.試驗開展時間為2013年6月7日—9月16日.
2.2 Biolak型A2/O工藝原理與特點
Biolak型A2/O工藝是在傳統Biolak池前端增加厭氧池及污泥回流渠，提高了系統除磷能力.曝氣池采用懸掛鏈曝氣裝置(Biolak曝氣器)，曝氣器的不規則運動造成了曝氣池內曝氣區域與不曝氣區域間隔存在，通過對曝氣池內的溶解氧調控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級A/O段.
2.3 水質情況
該污水處理廠接納的污水約70.0%為生活污水，30.0%為工業廢水，工業廢水以食品加工廢水為主.設計進水水質及實際進水水質見表 1.
2.4 分析方法
試驗中的主要分析項目包括MLSS、DO、ORP、COD、TN、TP、NH3-N、NO-3-N等.其中，DO、ORP采用HACH系列儀器進行在線檢測，其余項目測定采用國標方法.
表1 進出水水質特性
3 結果與討論
3.1 溶解氧變化對COD去除的影響
溶解氧變化對COD去除的影響見圖 2.試驗期間DO為0.40~4.50 mg · L-1，進水COD為174 ~ 657 mg · L-1，平均值為369 mg · L-1，出水COD在10.6~42.3 mg · L-1之間，平均值為26.4 mg · L-1，出水COD值優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準規定值，COD的平均去除率達到了92.0%.由圖 2可知，試驗期間進水COD波動較大，在174~688 mg · L-1之間，而系統生化段出水COD均能低于50.0 mg · L-1，處理效果較好，說明系統具有一定的抗沖擊負荷能力.試驗初期低DO條件下(6月7日—7月3日，DO<0.80 mg · L-1)，系統COD的去除率為93.4%，略高于試驗期間COD平均去除率.低溶解氧污泥微膨脹理論認為，低DO條件下對COD的去除率略高的原因是在低DO下系統內繁殖的絲狀菌具有較強的降解低濃度底物能力(郭建華等，2008).試驗結果表明，DO的變化對COD的處理效果影響不大.
圖 2 溶解氧對COD去除的影響
圖 3 溶解氧(a)和溫度(b)對氨氮去除的影響
3.2 溶解氧變化對氨氮去除的影響
試驗期間不同DO下，進、出水氨氮情況和去除效果如圖 3a所示.6月29日—9月4日(DO的變化范圍為0.80~3.50 mg · L-1)，系統水溫為22.0~31.0 ℃，氨氮去除率為93.3%，出水氨氮為2.17 mg · L-1.當DO值在0.80 mg · L-1以下時(6月7—29日)，氨氮的去除率略有下降，為90.4%，出水氨氮為2.90 mg · L-1.過低的DO抑制了硝化菌的活性，硝化效率有小幅下降，但氨氮去除率降低的較少，對出水氨氮基本無影響.Hanaki等研究發現，在低DO條件下盡管有機物氧化菌對硝化菌有抑制作用，但由于氨氧化菌的繁殖速率提高了近1倍，可補償DO降低所造成的活性下降，故系統的硝化效率仍然較高.如圖 3b所示，9月5—16日，系統DO為3.50~4.50 mg · L-1，生化段水溫下降至21.5~18.2 ℃，氨氮的進水負荷也隨之降低，氨氮的去除率并為因為負荷的下降而增加，反而，氨氮去除率平均為91.4%，較上一工況氨氮去除率有所下降.說明硝化作用受系統溫度的影響要高于進水負荷的影響，低溫條件不利于消化反應進行，這也證實了我國北方污水處理廠冬季氨氮去除效果變差的原因.試驗表明，系統DO的變化對本工藝氨氮的去除率影響不大，氨氮的平均去除率為92.4%，生化段出水氨氮均值為2.40 mg · L-1.
3.3 溶解氧變化對TN去除的影響
不同DO條件下總氮去除情況如圖 4所示，試驗期間進水總氮在36.0 mg · L-1左右.由圖可知，DO對出水總氮影響較大，當DO過低時(0.40~0.80 mg · L-1)，硝化菌活性受到抑制，好氧區硝化不完全，氨氮去除率下降為90.4%，此時TN去除率為61.4%;當DO上升至0.80~1.50 mg · L-1時，氨氮去除率上升至92.8%，同時，TN去除率達到試驗期間最高值(69.5%)，脫氮效果最佳，總氮去除率穩定，出水總氮<15.0 mg · L-1，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準對TN的要求.DO控制在0.80 ~1.50 mg · L-1時系統具有較高TN去除率主要歸因于工藝本身的優勢特點和微環境理論.Biolak工藝曝氣區懸浮式移動曝氣器的不規則運動，造成了曝氣池內曝氣區域與不曝氣區域間隔存在，通過對曝氣池內溶解氧的調控可以造成好氧與缺氧的間隔交替存在，即形成多級A/O段.在低溶解氧的狀態下有利于增強不曝氣區的缺氧程度，真正意義上形成多級A/O段.另外，由于氧擴散限制及外部DO大量消耗使微生物絮體內產生了缺氧區，從而形成有利于實現好氧硝化段同時硝化反硝化(SND)的微環境.隨著DO值增加，污泥絮體內部DO濃度增大，絮體內部缺氧區消失，使反硝化過程受到抑制，TN去除率逐漸下降.當DO升至3.50 ~4.50 mg · L-1時，TN去除率僅為47.3%.Oh的研究表明，好氧區過度曝氣導致硝化回流液攜帶過高DO至缺氧區，是引起缺氧區反硝化效果下降的主要原因.
圖 4 溶解氧對總氮去除的影響
3.5 系統氮物料平衡分析
根據葛士建等建立的物料衡算方程，在不同溶解氧條件下對系統進行氮平衡分析(圖 5，包括缺氧區脫氮、同化作用脫氮、好氧區脫氮、出水總氮、其他未計算的氮).由圖可知，低DO(DO為1.00 mg · L-1時最佳)運行條件下系統曝氣區存在明顯的同步硝化反硝化現象，好氧脫氮占總氮的20.0%左右.當DO過高時，破壞了Biolak好氧段的多級A/O系統，同時破壞了污泥絮體內部的微缺氧環境，系統好氧段脫氮率低于5.0%.當系統溶解氧維持在1.00 mg · L-1時，系統內23.7%的氮通過好氧段的多級A/O反硝化脫氮去除.
圖 5 系統在不同溶解氧條件下氮分布情況
3.6 溶解氧變化對TP去除的影響
圖 6為DO對生化段出水TP、總出水TP的影響.當曝氣段DO過低時(<1.00 mg · L-1)，TP去除率為66.5%，聚磷菌的吸磷作用不明顯.王曉蓮等的研究表明，在低缺氧狀態下聚磷菌比吸磷速率僅為好氧狀態下的60.0%.隨著DO增加至3.00 mg · L-1時，TP去除率為65.3%.好氧段過度曝氣導致回流液中含氧量過高，破壞前段的厭氧環境，導致釋磷不充分從而影響好氧段聚磷菌的除磷效果.另外，回流液中硝酸鹽氮含量隨著DO的增加而增加，導致厭氧區的硝酸鹽氮濃度過高.當厭氧區硝酸鹽氮含量過高時，反硝化菌與聚磷菌競爭易降解的低分子脂肪酸，而反硝化菌的競爭能力遠遠大于聚磷菌，厭氧狀態下優先進行反硝化，從而破壞了磷的釋放.當DO>3.00 mg · L-1時，試驗測得厭氧區的硝酸鹽氮大于1.50 mg · L-1，影響生化段出水TP的去除.Henze等研究發現，當厭氧區硝酸鹽氮濃度小于1.00 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應較為明顯;當硝酸鹽氮濃度大于1.50 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應明顯減弱;當硝酸鹽氮濃度大于2.00 mg · L-1時，聚磷菌的釋磷反應基本沒有發生.DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內波動時，生化段出水TP去除率較高(74.0%).由于Biolak工藝曝氣段經過多級A/O段，聚磷菌的比吸磷速率較低，且多級A/O屬于低污泥負荷范疇，排泥量較傳統工藝小，磷的去除將受影響，僅僅通過生化除磷出水難以達標.因此，需增加深度處理段(如增設濾池)，通過化學除磷，使出水TP<0.50 mg · L-1.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
圖 6 溶解氧對總磷去除的影響
4 結論
1)通過對Biolak型A2O工程進行為期4個月的調試運行，考察了DO變化對系統脫氮除磷的影響，結果發現，DO在0.400~4.50 mg · L-1變化時，Biolak型A2O工藝對生活污水具有良好的脫碳效果，COD平均去除率為93.0%;DO變化對氨氮去除率的影響較小，氨氮去除率可達到90.0%以上.COD及氨氮的出水水質完全達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB1891822002)一級A標準.
2)DO為0.80~1.50 mg · L-1時，TN去除率達到試驗期間最高值(69.5%)，此時脫氮效果最佳，TN去除率穩定，出水TN<15 mg · L-1.隨著DO的增加，TN去除率逐漸下降，當DO升至3.50~4.50 mg · L-1時，TN去除率僅為47.3%.低溶氧條件有利于Biolak 型A2O工藝好氧區多級A/O的形成.系統氮物料平 衡分析結果表明，當DO為1.00 mg · L-1時，系統23.7%的氮通過好氧段多級A/O反硝化脫氮去除.DO升高不利于Biolak型A2O工藝好氧段反硝化脫氮.
3)DO在1.00~3.00 mg · L-1范圍內波動時，生化段出水TP去除率較高，為74.0%.
4)DO控制在1.00~1.50 mg · L-1之間時，系統脫氮除磷效果最佳.此時，TN、TP的去除率分別為68.9%、73.7%，出水TN、TP分別為12.2、0.95 mg · L-1.
