AA-BAF连续流反硝化除磷系统的运行性能
张为堂1，侯锋2，刘青松1，邵彦青2，薛晓飞1, 2，彭永臻1
(1. 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复重点试验室，北京，100124；
2. 北京北华清创环境科技有限公司，北京，100124)
摘要：以生活污水为处理对象，通过室温下的50 d连续运行试验，考察厌氧/缺氧过程耦合曝气生物滤池的双污泥反硝化除磷系统(AA-BAF)的除污染物效能以及运行稳定性。研究结果表明：AA-BAF系统对COD、氨氮和TN具有很好的去除效果，而除磷性能在后期出现恶化。试验期间COD、氨氮和TN的平均去除率分别为87%，99%和79%；试验初期(1~30 d) PO43--P的去除率约为80%，之后迅速降低至试验末的40%以下。进水中的大部分可利用的COD在AA反应器中得到了有效利用，并且BAF出水回流液中的NO3--N在缺氧区内被完全去除。AA反应器出水COD和NO3--N平均质量浓度分别为50 mg/L和0.3 mg/L。当AA反应器出水中NO3--N质量浓度小于0.3 mg/L时，出水PO43--P质量浓度大于0.5 mg/L。完全依靠反硝化除磷的AA-BAF连续流系统处理实际生活污水时，不仅不能保证磷的达标排放，而且不能稳定运行。
关键词: 反硝化除磷; 双污泥系统; 污泥沉降性；生活污水
中图分类号：X703.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)11-4087-06
Performance of a continuous denitrifying phosphorous removal system: Anaerobic/anoxic process integrated with BAF(AA-BAF)
ZHANG Weitang1, HOU Feng2, LIU Qingsong1, SHAO Yanqing2, XUE Xiaofei1, 2, PENG Yongzhen1
(1. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,
Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Beijing Beihuaqingchuang Environmental Science and Technology Co. Ltd., Beijing 100124, China)
Abstract: A two-sludge system integrated anaerobic/anoxic process with biological aerated filter (AA-BAF) was used to treat real domestic wastewater. To evaluate nutrients removal performance and operational stability, AA-BAF system was operated at room temperature for 50 d continuously. The results show that as high as 87% COD, 99% NH4+-N and 79% TN are removed successfully throughout the experiment. While the obvious deterioration of phosphate removal is observed, decreasing from approximately 80% (1-30 d) to less than 40%. All soluble influent COD is completely consumed in AA reactor for nutrients removal. NO3--N in nitrified liquor from BAF recycled to the anoxic zone is wholly removed. The mean effluent COD and NO3--N are as low as 50 mg/L and 0.3 mg/L respectively. Moreover, when NO3--N concentrations in AA effluent is less than 0.3 mg/L, the effluent PO43--P concentration is above the limit value of 0.5 mg/L. Totally through denitrifying phosphate removal pathway, AA-BAF continuous denitrifying phosphorous removal system treating domestic wastewater can not ensure long term stable operation and efficient phosphate removal.
Key words: denitrifying phosphorous removal; two-sludge system; sludge settleability; domestic wastewater
生活污水中的碳氮质量比(m(C)/m(N))一般都很低，依靠传统的生物脱氮除磷(BNR)系统对其进行处理时很难达到日益严格的污水排放标准。如何实现污水处理厂的节能高效运行，已经成为国家节能减排管理的一项重要内容。很多研究表明，脱氮除磷系统内富集大量的反硝化聚磷菌(DPAOs)，不仅能够减缓反硝化菌与聚磷菌对可利用碳源的竞争，而且能够降低曝气费用，减少污泥产量[1-3]。因此，在传统BNR系统中引入反硝化除磷技术是实现污水处理厂脱氮除磷稳定达标，且大幅度降低运行费用的有效方法之一。反硝化聚磷菌能够利用硝态氮(NO3--N)作为电子受体，在同一个过程中同时完成脱氮和除磷[4-5]。所以，理论上讲，基于DPAOs的厌氧和缺氧工艺能够实现稳定高效的脱氮除磷效果。张耀斌等[6]利用有效容积为 2 L的序批式移动床生物膜反应器，采用厌氧缺氧模式处理模拟污水时发现，该系统对PO43--P和NO3--N的去除率分别达到了82%和81%。王振等[7]采用模拟废水和SBR反应器，发现该反硝化除磷系统能够高效稳定运行。Kapagiannidis等[8]利用厌氧缺氧连续流反硝化除磷工艺处理模拟废水，取得了良好效果。目前，利用连续流脱氮除磷工艺处理实际生活污水时，关于厌氧缺氧反硝化除磷技术能否稳定高效运行的研究较少。AAO-BAF是一种运行稳定，处理效果好的强化反硝化除磷系统，该组合系统中AAO单元的好氧反应区仅占AAO单元总容积的2/9[9-10]。Zhang等[11]通过研究发现，AAO-BAF系统的除磷污泥中DPAOs占总聚磷菌的比例，最大可达74%。取消AAO-BAF系统中反硝化除磷单元的好氧反应区，仅依靠氧利用率非常高的曝气生物滤池完成氨氮的氧化[12]，完全依靠反硝化除磷技术实现实际生活污水的高效脱氮除磷，将最大限度的节约曝气能耗。本文作者以实际生活污水为处理对象，通过50 d连续运行试验，考察AA-BAF双污泥反硝化除磷系统的除污染物效能以及运行稳定性，以期为该反硝化除磷系统的优化设计和节能高效稳定运行提供试验依据。
1 材料和方法
1.1 试验装置与运行
AA-BAF强化反硝化除磷系统由AA反硝化除磷反应器、沉淀池和硝化型曝气生物滤池顺序连接组成，如图1所示，该系统进水为实际生活污水。
厌氧缺氧反硝化除磷反应器(AA)包括9个依次连接的格室，有效容积为30 L。前2个格室为厌氧区，其他为缺氧区。在厌氧和缺氧区内安装机械搅拌器。BAF里填充直径为3~4 mm的轻质陶粒。AA反应器的功能是通过厌氧释磷和反硝化除磷反应，实现同步除磷和脱氮，并且完成有机物的去除；上向流BAF单元的主要功能为硝化，将NH4--N转化为NO3--N，其出水回流至AA反应器的缺氧区，为反硝化除磷反应提供电子受体。系统的进水流量、污泥回流量、硝化液回流量、曝气生物滤池进水流量均由蠕动泵控制。
在进行试验前，本反硝化除磷组合系统按AAO-BAF模式已经稳定运行100多d，对COD，NH4+-N，PO43--P和TN具有很好的去除效果，系统内的反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例在70%左右[9]。本试验中，AA反应器的总水力停留时间(HRT)为8 h，污泥停留时间(SRT)为30 d，BAF出水回流比和污泥回流比设为300%和100%。试验在室温下进行。
1.2 试验用水水质
试验中所用生活污水取自北京工业大学教师生活区的1个化粪池。该污水属于典型的低碳氮质量比的生活污水，其水质指标见表1。
图1 AA-BAF反硝化除磷系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of AA-BAF denitrifying phosphorous removal system
表1 进水水质
Table 1 Characteristics of influent wastewater
1.3 分析方法
NH4+-N、NO3--N、NO2--N由流动注射分析仪测定 (Lachat Quik-Chem8000，Lachat Instrument， Milwaukee，USA)。ρ(COD)，ρ(MLSS)和沉降比SV按照标准方法测定[13]； TN质量浓度采用TN/TOC分析仪(MultiN/C3100，Analytik Jena, AG)测定；温度由WTW pH/Oxi 340i (WTW Company, Germany)测定仪测定。
2 结果和讨论
2.1 AA-BAF系统对COD和氮的去除效果
AA-BAF系统时COD的去除效果如图2所示。由图2可以看出：当进水COD质量浓度为285~331 mg/L时，该组合系统对COD质量的去除率在87%左右，平均出水COD质量浓度为39 mg/L，满足国家一级A标准的要求(小于50 mg/L)。AA反应器出水COD平均质量浓度仅为55 mg/L，说明进水中有限的有机物在AA反应器内得到了充分有效利用。这是因为DPAOs能够在厌氧反应区将可利用有机物合成为体内的PHB，然后在缺氧区为反硝化除磷反应提供电子供体，实现一碳两用[4, 14]。与传统脱氮除磷工艺不同的是，COD主要是通过反硝化脱氮和好氧降解去除的。需要指出的是，AA反应器出水COD质量浓度出现了略微上升的趋势，这对BAF的硝化是不利的。
图2 AA-BAF系统对COD的去除行为
Fig. 2 COD removal in AA-BAF system
图3所示为AA-BAF系统在50 d内对氮的去除情况。试验期间，原水氨氮平均质量浓度为66.7 mg/L。BAF进水氨氮平均质量浓度为16.2 mg/L，氨氮的平均去除率达99%，氨氮几乎完全转化为硝态氮。BAF高效的硝化能力得益于AA反应器出水中较低的可利用有机物，强化了比增长速率较低的自养型硝化菌的竞争优势[15]。由图3可知：AA-BAF系统对TN的去除率呈现略微下降的趋势，但是，在试验条件下TN的平均去除率依然达到了79%。这应归功于AA反应器内DPAO的高丰度和高活性，而DPAO降低了反硝化和除磷间对COD的竞争，进水中的COD得到充分有效的利用[16]；另外，BAF反应器内也应该存在一定的同步硝化反硝化现象。AA反应器出水NO3--N质量浓度仅为0.3 mg/L(见图3)，说明回流至缺氧区的硝态氮通过反硝化除磷过程，得到了完全去除。
2.2 组合系统对磷的去除效果
AA-BAF系统对磷的去除情况见图4。从图4可以看出：在经历长期的无好氧环境后，该双污泥系统除磷效率逐渐恶化。系统运行30 d后，除磷效率迅速下降。试验期间进水磷质量浓度比较稳定，平均为5.3 mg/L。由图4(a)可以看出，AA-BAF系统的除磷性能逐渐变差，对PO43--P的去除率由最初的80%降低到了试验末的40%以下。相应地，BAF出水PO43--P质量浓度由1.0 mg/L增加到3.5 mg/L。
图3 AA-BAF系统对氨氮和TN的去除效果
Fig. 3 NH4+-N and TN removal in AA-BAF system
图4 AA-BAF系统对磷的去除行为
Fig. 4 PO43--P removal performance in AA-BAF system
在第45天，BAF进水(沉淀池出水)PO43--P质量浓度大幅度增加至3.9 mg/L(见图4(b))。对比AA反应器出水和BAF进水，可以发现沉淀池出现了释磷情况，并且释磷量逐渐变大，使BAF单元的进水PO43--P质量浓度由0.4 mg/L左右增大到3.5 mg/L左右。由图4(b)还可以看出：试验期间厌氧区磷浓度也出现了逐渐下降的趋势。
为进一步分析AA反应器内出水PO43--P质量浓度较高(大于0.5 mg/L)的原因，对AA反应器沿程COD，NO3--N和PO43--P的质量浓度进行监测，结果如图5所示。由图5可知：缺氧反应区磷浓度出现先下降后升高的现象，从缺氧区1到缺氧区3，PO43--P质量浓度由5.8 mg/L降低到0.1 mg/L；但是，从缺氧区3到缺氧区7，PO43--P质量浓度由0.1 mg/L逐渐增加到了1.9 mg/L。这是缺氧反应区末端缺少电子受体NO3--N，又存在可利用COD的情况下出现了二次释磷的缘故[17]。从缺氧区4到缺氧区7，NO3--N质量浓度约为0 mg/L。
图5 第33天AA反应器各反应区COD, NO3--N和PO43--P质量浓度变化
Fig. 5 Variation profiles of COD, NO3--N and PO43--P along AA reactor on day 33th
将试验期间AA反应器出水NO3--N和PO43--P质量浓度的关系见图6。从图6可以看出：当AA反应器出水中NO3--N质量浓度小于0.3 mg/L时，出水PO43--P质量浓度大于0.5 mg/L，不能达到国家一级A排放标准。这从另一个侧面说明AA反应器末端保持一定质量浓度的NO3--N能够有效抑制磷的无效释放，而AA反应器内的二次释磷使AA反应器出水PO43--P不能达一级A标准。
图6 AA反应器出水NO3--N和PO43--P质量浓度的关系
Fig. 6 Correlation of NO3--N with PO43--P concentration in AA effluent
试验结果表明：尽管初始运行时在这个双污泥系统中含有很高比例的DPAOs，由于电子受体NO3--N的限制以及污泥浓度的降低，AA-BAF反硝化除磷系统处理实际生活污水时，不能保证磷的高效稳定去除。需要在反硝化除磷反应器的后端设置一定的好氧曝气区，通过效率较高的好氧吸磷保证出水磷的达标排放[18-19]，同时，吹脱反硝化除磷产生的氮气，改善污泥的沉降性能。
2.3 AA-BAF系统污泥的沉降性能
图7所示为AA反应器内污泥30 min沉降比SV30，污泥容积指数(SVI)和MLSS的变化。伴随着污泥回流的不畅以及污泥的流失，AA反应器内污泥质量浓度逐渐降低，由第3天的约2 300 mg/L降低到了第50天的1 600 mg/L左右。这主要是污泥流动性变差，而使回流污泥浓度逐渐降低至0 mg/L的缘故。相应地，试验期间污泥混合液的污泥容积指数(SVI)由最低100 mL/g逐渐增加到119 mL/g，远远大于AAO-BAF模式运行时的SVI (80 mL/g左右)[20]。试验结果表明，反硝化除磷产生的氮气必须得到有效吹脱，才能维持较低的SVI，改善污泥的流动性，促使沉淀池内污泥的更新，才能保证系统的稳定运行。
图7 AA反应器内污泥SV30，SVI和MLSS的变化
Fig. 7 Variation of SV30, SVI and MLSS in AA reactor
需要指出的是：由于反硝化除磷过程产生的氮气对污泥絮体的气浮作用，试验期间记录的30 min沉降比SV30中包含100 mL量筒中的上浮污泥部分，非常松散。以第3天的SV30为例，沉降30 min后，下部沉淀污泥沉降比约为14%，而上浮污泥约为10%。
3 结论
1) AA-BAF系统对COD、氨氮和TN具有比较稳定的去除效果，AA反应器出水COD浓度略微上升，并且大部分COD和几乎全部的回流至缺氧区的NO3--N在AA反应器内得到了有效去除。
2) 连续运行50 d的过程中，AA-BAF系统的除磷性能逐渐变差，对PO43--P的去除率由最初的80%降低到试验末的40%以下。AA反应器末端保持一定质量浓度的NO3--N(大于0.3 mg/L)，能够有效抑制反硝化除磷区内磷的排放。
3) 反硝化除磷产生的氮气必须得到有效吹脱才能维持污泥良好的沉降性能和流动性能，保证污泥回流的通畅。
参考文献：
[1] Murnleitner E, Kuba T, van Loosdrecht M C M, et al. An integrated metabolic model for the aerobic and denitrifying biological phosphorus removal[J]. Biotechnology Bioengineering, 1997, 54(5): 434-450.
[2] Kerrn-Jespersen J P, Henze M. Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic condition[J]. Water Research, 1993, 27(4): 617-624.
[3] Zeng R J, Lemaire R, Yuan Z G, et al. Simultaneous nitrification, denitrification, and phosphorus removal in a lab-scale sequencing batch reactor[J]. Biotechnology Bioengineering, 2003, 84(2): 170-178.
[4] Kuba T, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system[J]. Water Research,1996, 30(7): 1702-1710.
[5] Mino T, Van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process[J]. Water Research, 1998, 32(11): 3193-3207.
[6] 张耀斌, 邢亚斌, 荆彦文, 等. 厌氧-缺氧下反硝化除磷对低碳污水的处理性能研究[J]. 环境科学, 2010, 31(10): 2360-2364.
ZhANG Yaobin, XING Yabin, JING Yanwen, et al. Treatment of wastewater with low carbon source using denitrifying phosphorus under anaerobic-anoxic conditions[J]. Environmental Science, 2010, 31(10): 2360-2364.
[7] 王振, 袁林江, 刘爽. A/A系统反硝化除磷的强化及其稳定性研究[J]. 环境科学, 2009, 30(10): 2975-2980.
WANG Zhen, YUAN Linjiang, LIU Shuang. Improvement of denitrifying dephosphatation in an anaerobic/anoxic sequencing batch reactor and its stability[J]. Environmental Science, 2009, 30(10): 2975-2980.
[8] Kapagiannidis A G, Zafiriadis I, Aivasidis A. Effect of basic operating parameters on biological phosphorus removal in a continuous-flow anaerobic-anoxic activated sludge system[J]. Bioprocess Biosystems Engineering, 2012, 35(3): 371-382.
[9] Chen Y Z, Peng C Y, Wang J H, et al. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic/anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) system[J]. Bioresources Technology, 2011, 102(10): 5722-5727.
[10] WANG Jianhua, PENG Yongzhen, CHEN Yongzhi. Advanced nitrogen and phosphorus removal in A2O-BAF system treating low carbon-to-nitrogen ratio domestic wastewater[J]. Frontiers of Environmental Science and Engineering in China, 2011, 5(3): 474-480.
[11] Zhang W, Peng Y, Ren N, et al. Improvement of nutrient removal by optimizing the volume ratio of anoxic to aerobic zone in AAO-BAF system[J]. Chemosphere, 2013, 93(11): 2859-2863.
[12] Canler J P, Perret J M. Biological aerated filters: Assessment of the process based on 12 sewage treatment plants[J]. Water Science and Technology, 1994, 29(10/11): 13-22.
[13] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002: 15-25.
State Environmental Protection Administration of China. Monitoring and analysis methods of water and wastewater[M]. 4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002: 15-25.
[14] 李凌云, 彭永臻, 李论, 等. 活性污泥系统比耗氧速率在线检测与变化规律[J]. 化工学报, 2010, 61(4): 995-1000.
LI Lingyun, PENG Yongzhen, LI Lun, et al. On-line determination and variations of specific oxygen uptake rate in activated sludge system[J]. CIESC Journal, 2010, 61(4): 995-1000.
[15] 吴昌永, 彭永臻, 彭轶. A2O工艺处理低C/N比生活污水的试验研究[J]. 化工学报, 2008, 59(12): 3126-3131.
WU Changyong, PENG Yongzhen, PENG Yi. Biological nutrient removal in A2O process when treating low C/N ratio domestic wastewater[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2008, 59(12): 3126-3131.
[16] Zhou Y, Pijuan M, Yuan Z G. Development of a 2-sludge, 3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms[J]. Water Research, 2008, 42(12): 3207-3217.
[17] Mulkerrins D, Jordan C, McMahon S, et al. Evaluation of the parameters affecting nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/oxic (A/A/O) biological nutrient removal systems[J]. Journal of Chemical Technology Biotechnology, 2000, 75(4): 261-268.
[18] Ahn J, Daidou T, Tsuneda S, et al. Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay[J]. Water Research, 2002, 36(2): 403-412.
[19] Chung J, Kim Yo, Lee D-J, et al. Characteristics of denitrifying phosphate accumulating organisms in an anaerobic-intermittently aerobic process[J]. Environmental Engineering Science, 2006, 23(6): 981-993.
[20] 李欣, 彭永臻, 王建华, 等. A2O-BAF与A2O工艺处理较高C/N比生活污水时的污泥沉降性对比分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(3): 1198-1203.
LI Xin, PENG Yongzhen, WANG Jianhua, et al. Comparative analysis of sludge settleability of A2O-BAF process and A2O process treating higher C/N ratio domestic sewage[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(3): 1198-1203.
(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-11-19；修回日期：2014-03-10
基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2012AA063406)；北京市教委科技创新平台项目(2014) (Project(2012AA063406) supported by the National High Technology Research and Development Program (“863” Program) of China; Project(2014) supported by the Scientific Research Base-scientific Innovation Platform of Beijing Municipal Education Commission)
通信作者：彭永臻(1949-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，从事污水生物处理理论与应用研究；电话：010-67392627；E-mail: pyz@bjut.edu.cn
