近年来,随着社会经济的快速发展和城镇化进程加快,我国污水产生量逐年上升,根据环境统计公报显示,2013 年中国各行业污水排放量已达到695.4亿m^3[1]。 同时,传统的污水生物处理工艺(如A/O,A²/O,CAST等)需要占据较大的土地面积,进一步加重了我国人多地少土地利用现状的困境。因此,开发高效污水污染物去除技术,提高单位土地利用面积的水体污染物去除负荷,成为当前水处理领域一个重要的研究方向。

　　 井型曝气反应工艺在国内外得到了广泛发展,其优点包括:①低占地面积,提高了单位土地利用面积的污染物去除负荷;②较大的高径比大大提高了井型曝气池内氧分压,提高了的氧传质效率;③可承载高进水有机负荷;④ 出水水质稳定^[2,3]。当前国内该领域相关研究主要针对井型曝气工艺对不同底物(进水水质变化)的处理效能分析,例如屠宰加工废水^[4]、制药废水^[5]、印染废水^[6]等,关注点主要集中于不同污染水体有机污染物(COD,BOD₅)的去除降解效能,当前有关利用缺氧—厌氧耦合井型曝气工艺,实现实际生活污水中碳素、氮素与磷素同步去除的研究仍处于较低水平。

　　 本研究利用实验室规模的缺氧-厌氧-井型曝气工艺(anoxic-anaerobic-shaft type aeration process,AASTAP)研究了其对实际生活污水中营养物的去除效能,分别考察了厌氧缺氧段进水分配比、固体停留时间(SRT)以及井型曝气池溶解氧(DO)对AASTAP的运行效果影响,同时对AASTAP工艺在实际工程中应用进行经济性分析,为其实际应用并大规模推广奠定技术性和经济性基础。

　　 如图1 所示,本研究所用AASTAP试验装置包含两个脱气池(各为3.2L)、缺氧池(9.6L)、厌氧池(9.6L)、井型曝气池(19.2L),脱气池2连接于井型曝气池与二沉池之间,用于降低井型曝气池出水中的高DO,硝化液经蠕动泵回流至脱气池1,降低DO后进入缺氧池进行反硝化脱氮,污泥回流由二沉池经脱气池1和缺氧池,进入厌氧池进行厌氧释磷。井型曝气池底部置有曝气头,由曝气泵连接,为系统进行供氧。AASTAP系统污泥龄(SRT)由二沉池定期排泥决定,水力停留时间(HRT)由进水量决定。 系统运行时由缺氧段和厌氧段同时进水。

　　 试验进水来源于哈尔滨工业大学二校区家属区实际生活污水,具体水质指标:COD为255~442mg/L,NH₃-N为29~55 mg/L,TN为35~59mg/L,TP为3.3~5.4mg/L,SS为54~78mg/L,pH为7.4~7.9。

　　 接种污泥来源于哈市文昌污水处理厂二沉池的回流污泥,接种污泥性质:MLSS为7 200mg/L,MLVSS为5 700mg/L,SVI为95mL/g,SV₃₀为69%。

　　 试验开始于2014 年8 月,启动时污水的水温为(22 ± 2)℃。为了得到适合试验条件的污泥,先在井型曝气池里面闷曝。将接种污泥去除掉杂质后投入到曝气池中,投加量为井型曝气池总体积的40%,剩余60% 添加实际污水。加污水后闷曝21h,后静沉2h,排水1h,排出池内上清液,继续添加新的污水,如此反复。当污泥量达到3 500mg/L左右时,采用连续进水方式运行AASTAP系统,并监测COD、氨氮、TN、TP及硝化效果,10d后,达到比较理想的污染物去除效果,同时,取适当污泥混合液用光学显微镜观察发现活性污泥中出现较多的丝状菌以及浮游动物,说明该反应器启动成功。

　　 每天从进水、缺氧段、厌氧段、好氧段、二沉池出水进行取样,采用国家标准方法对水样中COD、氨氮、总氮、总磷进行检测^[7],pH、温度、DO等指标等利用WTW(pH/oxi340i)手提式多参数测定仪测定。

　　 厌氧段与缺氧段的进水比对反应器的处理效果有着重要的作用,是重要的运行参数。随着厌氧段与缺氧段进水比的改变,改变了总进水的碳源在厌氧段与缺氧段的分布,同时也可以改变厌氧段与缺氧段的水力停留时间。因此厌氧段与缺氧段的进水比对污染物的去除影响很大,本试验设计进水流量为4L/h,环境温度保持(22±2)℃,依次采取厌氧段与缺氧段进水比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3来观察反应器内的污染物的去除情况,每一进水比下AA-STAP运行30d,计算各污染物的平均去除率。试验的其他运行条件如下:污泥回流比例为50%,消化液回流比例为200%,SRT为13d,缺氧段与厌氧段DO通过搅拌桨的搅拌速度控制,具体水平如下,厌氧段为0.2 mg/L以下,缺氧段为0.3~0.5mg/L,好氧段在3.0mg/L左右。

　　 图2显示AASTAP在不同进水分配比下COD的平均去除情况,厌氧段缺氧段进水比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3时对应出水COD平均浓度分别为45.07mg/L、44.82mg/L、33.27mg/L、32.09mg/L、28.51mg/L,系统对COD的平均去除率分别约为86.44%、88.60%、89.45%、90.61%、91.22%。

　　 总的来看,随着厌氧段缺氧段进水比的增加,COD的去除效果逐渐变差,在进水COD大致不变的情况下,随着厌氧段缺氧段进水比的增加,出水COD逐渐增加,但都能达到GB 18918-2002一级A排放标准,因此,厌氧段缺氧段进水比对COD去除的影响不大,不是其控制因素。 在该工艺中,厌氧段和缺氧段同时进水,厌氧段的出水直接进入好氧池,缺氧段出水进入厌氧池,后继续进入好氧池,当厌氧段缺氧段进水比比较小时,缺氧段进水量大,即为反硝化提供了更多的碳源,剩余的碳源继续进入厌氧池供除磷菌储碳释磷,使碳源得到了充分利用,同时增加了污水在工艺中的停留时间。

　　 图3显示AASTAP在不同进水分配比下氨氮的平均去除情况,厌氧段缺氧段进水比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3时对应系统出水氨氮浓度分别为4.62mg/L、4.74 mg/L、4.15 mg/L、3.29 mg/L、3.27 mg/L,去除率分别89.54%、90.44%、91.45%、92.24%、91.95%。总的来看,随着进水比的变化,氨氮出水的去除率变化不大,都可以满足一级A排放标准,因此,厌氧段缺氧段进水比对氨氮去除的影响不大,主要因为氨氮的去除主要在好氧段转化为亚硝氮和硝态氮,改变进水比,并不影响污水在好氧段的停留时间,因此对氨氮的去除没有太大影响。厌氧段和缺氧段氨氮大幅度减少可能是因为硝化液回流以及污泥回流的稀释作用。

　　 图4显示AASTAP在不同进水分配比下TN的平均去除情况,厌氧段缺氧段进水比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3时出水TN浓度为14.8 mg/L、13.7mg/L、13.1 mg/L、11.1 mg/L、11.3 mg/L,TN去除率分别71.42%、75.44%、75.83%、77.44%、78.82%。总的来看,随着厌氧段缺氧段进水比的减少,TN的去除率逐渐变大。当进水比为1∶2、1∶3时,TN去除率基本保持不变,5种进水比情况下出水均能达到一级A排放标准。

　　 TN的去除主要是在缺氧段和好氧段,因此出水TN的变化其主要原因可能是,当缺氧段进水量比较大时,缺氧段内碳源增加了反硝化脱氮所需碳源,脱氮效果变好。另外,由于两个脱气池中DO较高,也可能同样存在脱氮反应,进行部分氮的转化。

　　 图5显示AASTAP在不同进水分配比下TP的平均去除情况,厌氧段缺氧段进水比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3时对应系统出水TP浓度分别为0.27mg/L、0.31 mg/L、0.33 mg/L、0.32 mg/L、0.35mg/L,对应去除率分别为94.95%、94.37%、94.21%、93.27%、93.31%,TP去除效果良好,随着厌氧段缺氧段进水比的减小,TP去除率稍有下降,出水TP无太大变化,并且出水均能满足一级A排放标准。

　　 综合上述研究结果,厌氧段缺氧段最佳工况点确定为1∶3。

　　 在污水处理中,脱氮和除磷存在着污泥龄的矛盾。硝化细菌增长缓慢,世代周期长,SRT较长时脱氮效果好。聚磷菌世代周期短,磷的去除是通过排除富含磷的污泥,SRT较短时除磷效果好,SRT过长时甚至会出现磷的二次释放。因此如何调整SRT使得脱氮除磷的整体效果达到最佳,最大限度地缓解污泥龄的矛盾,是试验的重要部分。本试验中通过改变剩余污泥的排放量来控制SRT,分别为7d、10d、13d、16d来考察系统对污染物的去除效果。试验的其他运行条件如下:厌氧段缺氧段进水比为1∶3,污泥回流比例为50%,硝化液回流200%,DO控制水平如下,好氧段在3mg/L左右,厌氧段0.2mg/L以下,缺氧段0.3~0.5mg/L。

　　 从表1可以看出,在不同的SRT情况下,系统对有机物始终保持一个较高的去除率,出水维持在27.7~32.4mg/L,去除率保持在89.4%以上,SRT对有机物去除的影响比较小。

　　 随着SRT的增加,系统的氨氮去除率逐渐增加,当SRT为7d时,出水氨氮不能达标。主要是因为SRT比较短时不利于硝化细菌的生长,而且SRT短时污泥浓度比较低,影响了硝化效果。

　　 随着SRT的升高,系统的TN去除率先增加后降低。TN的去除受硝化作用和反硝化作用两方面影响。当SRT为7d时,TN出水不达标,随着SRT增加至13d,TN去除率保持上升。这与氨氮的硝化效果逐渐变好相关。而且随着SRT的增加,反硝化细菌的污泥浓度也在上升,同样对TN的去除有利。继续增加SRT至16d,TN去除效果基本维持在80% 以上,没有呈现显著上升趋势,说明SRT维持在13~16d范围,系统对氮素达到了最佳运行效果^[8]。

　　 随着SRT变化,系统对TP的去除效果呈现先增加后降低趋势。当SRT为7d时,因为排泥量加大,反应器内污泥量较小,TP去除效果稍微有下降。当SRT上升至16d时,出水TP已经不能满足一级A排放标准。磷的去除依赖定期排放富含磷素的剩余污泥,当SRT增加时,排泥量减小,导致除磷效果变差。大量的富含磷素的剩余污泥在有机质匮乏且污泥浓度比较高的情况下,可能发生污泥“自溶”,造成二次释磷。因此为了保证系统良好的除磷效果,SRT不易太长。

　　 综合考虑污染物的去除效果,特别是解决脱氮和除磷的污泥龄矛盾,选择SRT为13d时,此时出水的COD、氨氮、TN、TP均能满足一级A排放标准。

　　 在污水处理中,参与污染物降解的微生物大多数是以好氧呼吸的好氧菌。因此,在曝气池中必须有充足的溶解氧才能发生污染物去除的效果,包括碳氧化、硝化效果、聚磷菌过量吸磷等。溶解氧不足,必将影响微生物正常的生理活动,从而影响甚至破坏污水的处理进程。然而当溶解氧满足要求时,过量曝气会造成不必要的能源浪费,甚至引起污泥膨胀。本试验中,调整曝气池中DO为2 mg/L、3mg/L及4 mg/L,分别考察COD、氨氮、TN和TP的去除效果。

　　 如图6所示,好氧池DO为2mg/L、3mg/L及4mg/L时对应系统的COD出水浓度分别为58.13mg/L、44.37 mg/L、36.77 mg/L,去除率分别为81.10%、87.50%、88.53%,可知,当好氧池DO为2mg/L时COD处理效果比较差,此时好氧池内溶解氧无法满足系统好氧微生物的需求,当溶解氧增大至3mg/L时,COD去除效果明显变好,继续增大至4mg/L后,COD去除效果变化不大。说明此时好氧池内溶解氧已经满足系统对COD的降解需求。

　　 如图7所示,好氧池DO为2mg/L、3mg/L及4mg/L时对应系统的氨氮出水浓度分别为9.11mg/L、4.14 mg/L、3.86 mg/L,去除率分别为80.31%、90.68%、92.89%。

　　 当好氧池DO为2mg/L时氨氮处理效果比较差,出水不达标。此时好氧池内溶解氧无法满足系统的硝化作用的需求,当溶解氧增大至3mg/L时,氨氮去除效果明显变好,继续增大至4mg/L后,氨氮去除效果继续变好,但并不明显,去除率由90.68%增至92.89%。

　　 如图8所示,好氧池DO为2mg/L、3mg/L及4mg/L时对应系统出水的TN浓度分别为18.91mg/L、12.14 mg/L、10.75 mg/L,去除率分别为68.29%、77.05%、80.18%。

　　 TN的去除效果和氨氮一样,当好氧池DO为2mg/L时TN处理效果比较差,出水不能满足一级A排放标准。当溶解氧增大至3mg/L时,TN去除效果明显变好,继续增大至4mg/L后,TN去除效果继续变好,但并不明显,去除率由77.05% 增至80.18%。主要是因为TN的去除是在氨氮完成硝化的基础上完成反硝化而转化成氮气脱离系统的,所以好氧段的溶解氧含量直接影响了TN的去除效果。

　　 如图9所示,好氧池DO为2mg/L、3mg/L及4mg/L时出水TP为0.42 mg/L、0.31 mg/L、0.26mg/L,出水去除率分别为90.49%、93.66%、95.45%,出水达标。TP的去除效果随着好氧池溶解氧的升高而变好。好氧池溶解氧的增加有利于好氧吸磷。当溶解氧为2~3mg/L时,TP出水可达标。

　　 好氧池溶解氧变化可以对系统脱氮除磷效能产生较大影响。溶解氧增大,出水COD、氨氮、TN、TP逐步变好。当好氧池DO为3mg/L时,出水各项指标就已经能达到一级A排放标准,溶解氧值过高,不仅会造成能源的浪费,还可能导致污泥结构变松散,产生污泥膨胀现象。因此,从处理效果和资源节约两方面来考虑,选定最佳好氧池溶解氧值为3mg/L。

　　 以当前城市污水处理厂普遍推广的A²/O工艺作为参照,AASTAP工艺的技术特点与推广应用性分析见表2与表3。

　　 (1)AASTAP工艺的污水处理部分核心工艺利用竖向反应器对污水进行深曝气好氧生物处理,使其反应池体积更小,占地面积大大减小,达到了向空间要效率的目的。二级处理工艺节省占地约80%,整个工艺流程相对于方案二,其占地面积可以节省约50%。

　　 (2)AASTAP工艺其核心工艺是竖向发展的工艺,其具有耐低温特点,解决了污水处理厂冬季水温低影响生物生长的难题,特别适合中国东北地区的污水处理厂。

　　 (3)本文中的变参数运行试验和高压曝气试验表明,井型曝气池溶解氧利用率高,污染物降解能力强,经井型曝气强化脱氮除磷工艺处理后,出水水质完全可以达到预期的处理效果。

　　 (4)运行功率小、年运行成本低,单位处理费用只需约0.91元/m³,而且运行操作灵活,对自控、设备要求低。

　　 综合考虑以上因素,本工程推荐采用AASTAP工艺。该工艺可以在出水达标的基础上,缓解水厂选址地区用地面积紧张的现状,运用该工艺后污水处理厂占地为28 600m³,约是普通工艺的50%,二级处理工艺相比于其他工艺可节省占地约80%。该工艺也可以大大减少水厂的运行成本,按照处理规模为50 000 m³/d来计算,一年中该工艺相比于其他工艺可节省运行费用约136.88万元。

　　 (1)缺氧/厌氧-井型曝气工艺(AASTAP)对生活污水具有良好高效的脱氮除磷效果,出水水质保持稳定。环境温度在22±2 ℃时,COD去除率基本在90%以上,氨氮去除率在85% 以上,TN去除率在80%以上,TP去除率维持在90%以上。

　　 (2)通过AASTAP的变参数运行,对其运行条件进行优化,本研究中最佳工况是:厌氧缺氧分段进水比为1∶3(进水流量为4L/h),SRT确定为13d,井型曝气池DO确定为3mg/L左右。

　　 (3)与传统A²/O工艺相比,AASTAP占地面积更小,操作运行成本降低,更适合于处理缺少占地面积的城镇污水。