“十三五”规划明确提出要全面落实生态文明理念, 将污水处理作为改善城镇水生态环境的关键环节。目前污水处理厂主要采用生物脱氮除磷工艺, 处理效果受季节交替时水温变化影响很大。如冬季低温会造成微生物活性下降, 影响污染物降解效率, 特别是硝化菌活性抑作用更为明显^[1]。因此, 近年来针对冬季低温的抑制作用和运行优化研究报道较多^[2,3,4], 但对于夏季高温条件下污水处理厂的运行特性关注相对较少。

　　 夏季高温对微生物的脱氮除磷效率均会产生影响, 实际运行中许多污水处理厂均存在夏季出水总磷上升的问题。生物除磷利用聚磷菌 (PAO) 在厌氧/好氧条件下与底物之间的生化作用完成, 该方法面临的最主要问题是存在与PAO代谢机制相似的聚糖菌 (GAO) ^[5]。樊香妮^[6]研究表明温度越高越有利于GAO的生长, 当温度升高到30 ℃时, PAO占总细菌的比例仅8%±3%, 而GAO的比例高达82%±3%, 生物系统除磷效果恶化。但当系统温度长期处于30 ℃时, 除磷能力逐渐恢复。生物脱氮主要由硝化和反硝化两段工艺完成。姜体胜等^[7]研究表明硝化和反硝化速率随温度的升高而加快, 但温度对吸磷和释磷速率的影响不大。戴兴春^[8]研究表明硝化菌群最适宜在25～30 ℃生长繁殖, 但春夏季节交替时气候变化可导致硝化菌群数量及群落结构的改变, 从而引起硝化功能下降。

　　 本研究以采用多模式厌氧/缺氧/好氧 (AAO) 系统的上海某污水处理厂为研究对象, 试从不同角度分析夏季高温对多模式AAO系统运行性能的影响, 以期为污水处理厂在夏季高温条件下的稳定运行提供依据。

　　 上海某污水处理厂总占地面积165 hm², 服务人口712万人, 服务面积1 255 km², 目前拥有设计处理规模240万m³/d的生物处理系统和120万m³/d化学一级强化处理系统。

　　 该厂生物处理采用多模式AAO工艺 (见图1) , 可根据进水水质、处理要求和季节变化以AAO、倒置AAO (RAAO) 和厌氧/好氧 (AO) 除磷模式运行。该系统可通过图1中NR_spliter的流向选择在3种模式间切换:回流至Well_2和Well_3分别为RAAO和AAO模式, 关闭则为AO除磷模式。多模式AAO系统共分为平行运行的12组, 每组处理水量为20万 m³/d, 选择、厌氧、缺氧和好氧水力停留时间 (HRT) 分别为0.3 h、1.3 h、2.3 h和8.1 h。二沉池采用平流式沉淀池, 表面负荷为1.15 m³/ (m²·h) 。

　　 多模式AAO系统的设计运行工况为多点进水 (50%进入选择池, 50%进入缺氧区) , 混合液回流比 (MLR) 和污泥回流比 (RAS) 均为50%, 污泥龄 (SRT) 为15 d, 好氧区溶解氧 (S_O) 为2.0 mg/L。本文按照该厂夏季高温阶段平均水温27.5 ℃, 分析SRT、MLR和RAS对多模式AAO工艺运行特性的影响。

　　 污水处理厂的完整模型通常包括3个子模型^[10,11]:水力模型、沉淀池模型和生化反应模型。在模型构建时, 多模式AAO系统水力模型采用串联反应器模式, 每个反应池由一个独立单元代替^[12]。生化反应模型和沉淀池模型的选择是工艺模拟的关键。生化反应模型选用ASM2d模型的改进版本ASM2dTemp, 该模型可在不同温度下模拟碳氧化、硝化—反硝化以及包括反硝化除磷在内的生物除磷过程等。二沉池模型则选用一维分层模型-双指数模型进行模拟^[13]。本文所用模拟平台为WEST 3.7.5, 模型及其参数校正与验证参见文献[9,14]。

　　 基于ASM的污水处理厂进水组分划分如表1所示^[15]。进水S_O、氮气 (S_N2) 、硝化菌 (X_AUT) 、聚磷酸盐 (X_PP) 和X_PHA输入值均为ASM推荐值0.001 mg/L^[16], 金属氢氧化物 (X_MeOH) 和磷酸盐 (X_MeP) 取0.01 mg/L。动态模拟进水数据以该厂进水监测数据为基础, 参考欧洲COST 624基准Dry-2文件的变化规律, 形成动态进水输入值。

　　 图2为夏季高温运行时多模式AAO系统出水常规指标随SRT的变化。在夏季运行时, 3种模式的出水BOD₅模拟值均低于1.0 mg/L, 而出水COD在32 ～37 mg/L波动, 低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级A标准的限定值。当SRT在5～25 d变化时, 3种模式的出水S_NH均低于1.6 mg/L, 这说明夏季高温运行有利于自养菌的硝化作用^[17]。由图2b可知, RAAO模式的出水S_NH略高于AAO和AO模式。

　　 良好的硝化作用确保了多模式AAO系统的脱氮效率。SRT在5～25 d时3种模式的出水TN均低于14.3 mg/L, 稳定达到GB 18918—2002一级A的要求。由于PAO属于嗜冷性细菌^[18], 因此高温对生物除磷不利。如果按照GB 18918—2002一级A对TP的要求考虑, 高温时AAO和AO模式的SRT应控制在5～12 d 和5～8 d, 而RAAO模式在5～25 d无法达到一级A的要求。

　　 图3为夏季运行的3种模式中好氧段MLSS及功能性微生物浓度随SRT的变化情况。在3种运行模式下, 好氧段的MLSS浓度均随SRT的增长近似呈线性增长, 但MLSS-SRT曲线低于常温运行的对应曲线, 这也说明在高温条件下微生物衰减速率较快。AO模式下好氧段的X_H浓度要高于AAO和RAAO工艺, 在SRT升高时这一趋势尤为明显。RAAO工艺好氧段的X_AUT浓度要低于其他两种工艺, 这也是其硝化效果较差的原因。

　　 在SRT为5～25 d时, 3种模式下好氧段的X_PAO浓度存在明显差异, X_PAO-SRT曲线几乎平行, 3种模式下X_PAO浓度大小依次为AAO>AO>RAAO。这主要是由于AAO模式中X_PAO吸磷消耗的聚β-羟基烷酸 (X_PHA) 量要远高于RAAO和AO模式。另一方面, 夏季高温阶段X_PAO较文献报道的相同工艺中常温阶段的浓度要低50 mg/L左右^[19], 这也说明夏季高温不利于聚磷菌的生长。彭党聪等^[20,21]研究同样发现, 水温高于25 ℃后, 除磷效果不断降低, 释磷速率和吸磷速率逐渐下降。聚磷菌活性的降低主要是由于随着温度的升高, X_PHA的分解速率逐渐超过其合成速率, 所以周期性运行后系统中的X_PHA处于过度消耗状态, 最终会造成聚磷菌体内X_PHA的匮乏而使除磷系统崩溃^[22]。

　　 夏季高温运行时剩余污泥浓度随SRT的变化趋势与常温运行类似, 而AO模式的排泥浓度明显偏低, 如图4a所示。由图4b知, 3种模式的污泥含磷量 (X_PP/TSS) 随SRT增长先升高后降低, 在14～16 d时出现极大值。其中, AAO模式的剩余污泥含磷量明显高于RAAO和AO工艺, 其污泥含磷量极大值出现在16 d左右。

　　 在AAO系统中, RAS和MLR是除了进水流量和SRT外对出水水质和功能性微生物影响最大的操作变量^[23]。由图2模拟结果知, 为实现出水一级A稳定达标, AAO模式优选SRT为8 d。对仅采用增强生物除磷的污水处理系统而言, SRT为8 d是实现一级A达标的重要前提。然而, 短SRT会显著增加污泥产量, 造成污泥处理成本上升, 因此目前污水处理厂一级A升级改造多辅以化学除磷。

　　 图5为夏季高温运行时MLR和RAS对AAO系统出水TN和TP的影响。图5中可划分出一级A操作区和一级B操作区, 而且图5中所有MLR和RAS对应工况均满足二级标准的排放要求。结合成本分析^[19], 可确定夏季高温条件下最佳运行工况为SRT=8 d, MLR=175%, RAS=50%。

　　 由于PAO属于嗜冷菌^[18]而高温有助于硝化^[24], 硝化过程产生的大量硝酸盐通过二沉池回流至前段厌氧池时会对厌氧释磷造成干扰, 因此AAO系统夏季高温运行时通常会出现出水中S_NH很低而除磷效果不佳的现象。因此, 工况优化后SRT由基本运行方案的15 d降低至8 d, 这同样是在寻求系统脱氮与除磷的平衡。由图6可见, 工况优化后AAO系统出水S_NH有所上升但仍远低于5 mg/L, 而出水TP则明显降低。由于优化工况提高了MLR, 系统出水TN值也远低于基本工况。

　　 (1) 由多模式AAO系统夏季高温条件下3种运行模式的对比可知, AAO模式对污染物的去除效率要明显高于RAAO和AO模式, 特别是对于生物除磷而言。

　　 (2) 通过内外回流比优化确定了一级A和一级B约束条件下AAO工艺的达标运行区域, 最佳运行工况为SRT=8 d, MLR=175%, RAS=50%, 优化工况能够显著改善出水水质。

　　 (3) 对仅采用增强生物除磷的污水处理系统而言, SRT为8 d是实现一级A达标的前提。然而, 短SRT会显著增加污泥产量, 因此升级改造多辅以化学除磷。