氮和磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)，其中磷是控制水體富營養(yǎng)化的重要限制因素。隨著含氮、磷污水所帶來的環(huán)境污染問題的日趨嚴重，對污水中營養(yǎng)負荷的削減需求越來越強烈。生活污水中氮、磷含量豐富，據(jù)統(tǒng)計，目前全國每年產(chǎn)生農(nóng)村生活污水約80多億噸，其中96%的農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理直接排放〔1〕，成為我國水體污染的主要污染源之一。為此，廢水脫氮除磷工藝的開發(fā)倍受關(guān)注。筆者結(jié)合ABR反應(yīng)器所具有的能有效去除有機污染物和懸浮物、能耗低、效率高等優(yōu)點〔2〕，將ABR反應(yīng)器和好氧工藝進行優(yōu)化組合用于廢水的脫氮除磷，該組合工藝利用收集曝氣氣體的提升作用取代混合液回流泵實現(xiàn)混合液的回流，降低了動力能耗。本研究在該工藝成功啟動前提下，對其在不同運行條件下的運行效果進行了深入研究，探尋了工藝最優(yōu)生物脫氮除磷的運行條件，以期開發(fā)出能耗低、占地少、運行維護簡單并且處理效果優(yōu)良的污水處理工藝。

1 材料和方法
 
1.1 實驗水質(zhì)
 
反應(yīng)器進水為模擬污水 與某高校生活污水（混合體積比為1∶1）的混合液。模擬污水以葡萄糖（540 mg/L）為主要碳源，氯化銨（115 mg/L）為主要氮源，另外添加尿素（4 mg/L）、蛋白胨（150 mg/L）及乙酸、丙酸、丁酸、戊酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸各0.01 mL/L）。投加NaHCO3（300 mg/L），以保持溶液具有一定的緩沖能力，使其堿度約為COD的0.8倍〔3〕。模擬污水中含有的營養(yǎng)鹽和微量元素〔4〕分別為H3BO3 30 mg/L、ZnCl2 25 mg/L、CuCl2 25 mg/L、AlCl3 25 mg/L、NiCl2 25 mg/L、EDTA 40 mg/L、CaCll2 30 mg/L；Na2SeO3·5H2O 25 mg/L、K2HPO4·3H2O 25 mg/L、FeCl3·6H2O 25 mg/L、MgSO4·7H2O 30 mg/L、CoCl2·6H2O 25 mg/L、MnSO4·H2O 25 mg/L、NaMoO4·2H2O 25 mg/L。蘇州某高校生活區(qū)的污水水質(zhì)：COD 232~459 mg/L，NH4+-N 20~46 mg/L，TN 25~56 mg/L，TP 1~7 mg/L。

1.2 污泥馴化與接種
接種污泥取自蘇州市某城市污水處理廠重力濃縮池。污泥靜置1 周后，加入適量葡萄糖，再靜置 2 d，然后均勻移入ABR 各隔室，總接種泥量約為各隔室有效體積的3/5。用配制的生活污水填滿各隔室，閑置1 d后開始連續(xù)進水。啟動時，ABR 反應(yīng)器各隔室MLSS約為28 g/L，MLVSS/MLSS 約為0. 45。將取自蘇州某污水處理廠氧化溝的活性污泥注入好氧池，投入量占好氧池有效體積的1/2，MLSS 約為7.5 g/L。

1.3 復(fù)合工藝
本實驗所采用的實驗裝置由3 隔室ABR反應(yīng)器和2個好氧池組合而成，為及時和定性觀察反應(yīng)器內(nèi)的運行情況，反應(yīng)器均由透明有機玻璃加工制作。ABR反應(yīng)器、好氧池1和好氧池2的有效容積分別為60 、20 、40 L。實驗裝置如圖 1 所示。

圖 1 實驗裝置示意

好氧池底部布設(shè)穿孔曝氣管，曝氣量可由空氣流量計調(diào)節(jié)，DO控制在2 mg/L左右，總水力停留時間為10 h。通過調(diào)節(jié)混合液出口高度控制回流比R1為100％左右，R2為50%。利用收集曝氣氣體的提升作用取代混合液回流泵，將泥水混合液提升至厭氧區(qū)，實現(xiàn)泥、水的回流。在ABR內(nèi)實現(xiàn)反硝化及反硝化除磷脫氮，同時基于厭氧反硝化脫氮以及厭氧釋磷、好氧吸磷等特性，最終通過沉淀區(qū)排泥來實現(xiàn)磷的去除。部分污泥由沉淀區(qū)下方的斜板回流至好氧區(qū)。

為探尋工藝最優(yōu)生物脫氮除磷的運行條件，設(shè)計了8個運行工況，如表 1所示。

1.4 實驗方案和監(jiān)測方法
 
本實驗在工藝成功啟動后，在進水溫度為25 ℃左右，pH為6.5~8.5的條件下對不同運行條件下該組合工藝的運行效果進行研究。COD、NH4+-N、TN、TP、MLSS、MLVSS等均采用國家標準方法進行測定。

2 結(jié)果與討論
 
2.1 不同運行條件下COD的去除效果法
 
不同運行條件下的COD去除效果如圖 2所示。

圖 2 不同運行條件下的COD去除效果

由圖 2可知，當DO為2 mg/L，R1為200%時，HRT越小，出水COD越大。當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1增大，出水COD略有減小，這可能與回流量增加，微生物能與基質(zhì)接觸更充分有關(guān)。當HRT為7.5 h、R1為200%時，系統(tǒng)出水COD隨DO的增大而減小。總體而言，系統(tǒng)COD去除效果良好，COD去除率高于80%。除HRT為5 h條件外，其他條件下的系統(tǒng)出水COD均低于50 mg/L。實驗結(jié)果表明，當HRT為7.5 h，R1為200%，DO為3 mg/L時，ABR出水COD為101 mg/L，COD去除率為75%，大部分COD在ABR內(nèi)被消耗；好氧池COD去除率為15%，總COD去除率達到90%。

2.2 不同運行條件下NH4+-N的去除效果
不同運行條件下的NH4+-N去除效果如圖 3所示。

圖 3 不同運行條件下的NH4+-N去除效果

由圖 3可知，當DO為2 mg/L，HRT為10 h或7.5 h時，系統(tǒng)出水NH4+-N﹤3.5 mg/L。當HRT為7.5 h時，R1增大，出水NH4+-N略有降低，回流量增大，導(dǎo)致硝化區(qū)有機物濃度因稀釋而減小，有利于自養(yǎng)型硝化細菌在生物群落中進一步繁殖富集，硝化作用增強。當HRT為7.5 h，R1為200%時，出水NH4+-N隨DO的增大明顯減小。當HRT為7.5 h，R1為200%，DO≥3 mg/L時，出水NH4+-N較低。總體而言，組合工藝對NH4+-N的去除效果非常理想，NH4+-N去除率＞81%。

2.3 不同運行條件下TN的去除效果
不同運行條件下的TN去除效果如圖 4所示。

圖 4 不同運行條件下的TN去除效果

由圖 4可知，當DO為2 mg/L，R1相同時，隨HRT的減小，系統(tǒng)出水TN略有增大。HRT大，反硝化菌就有充足的時間將硝態(tài)氮經(jīng)反硝化去除。當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1為200%的系統(tǒng)出水平均TN（14.1 mg/L）小于R1為100%時的系統(tǒng)出水平均TN（15.3 mg/L），TN去除率為72%； 相比于R1為200%，R1為100%時，硝化液回流量減小，因而TN去除率降低。當DO為2 mg/L，HRT為5 h時，系統(tǒng)出水平均TN隨R1的增大而增加，出水平均TN＞15 mg/L；HRT太小，微生物與基質(zhì)接觸不充分，不利于硝化和反硝化反應(yīng)的充分進行，并且硝化液的過度回流影響了反硝化效果，導(dǎo)致出水TN增加。當HRT為7.5 h，R1為200%時，DO為3 mg/L的系統(tǒng)出水平均TN（12.1 mg/L）略小于DO為2 mg/L時的系統(tǒng)出水平均TN，這是由于DO是決定硝化效果好壞的關(guān)鍵因素〔5〕，增加DO，好氧硝化作用更加充分，更多的硝態(tài)氮可經(jīng)反硝化作用得以去除，從而提高了TN去除率。但當DO增加到4 mg/L時，系統(tǒng)出水TN增大，這是由于DO過大，破壞了反硝化所需的缺氧環(huán)境，影響了反硝化脫氮效果，從而降低了TN去除率。實驗結(jié)果表明，當HRT 為7.5 h，R1 為200%，DO為3 mg/L時，該組合工藝對TN的去除效果較好。

2.4 不同運行條件下TP的去除效果
不同運行條件下的TP去除效果如圖 5所示。

圖 5 不同運行條件下的TP去除效果

由圖 5可知，當DO為2 mg/L，HRT為7.5 h時，R1為200%的系統(tǒng)出水平均TP （0.69 mg/L）明顯小于R1為100%時的系統(tǒng)出水平均TP（1.16 mg/L）， TP去除率達82%；R1增大，系統(tǒng)污泥循環(huán)量增加，更多的聚磷菌參與厭氧釋磷和好氧吸磷，出水TP降低。當DO為2 mg/L，HRT為5 h時，系統(tǒng)出水平均TP隨R1的增大而顯著增加，出水平均TP＞0.6 mg/L；HRT太短，并且過多的硝酸鹽回流到ABR厭氧區(qū)，大部分有機物優(yōu)先用于反硝化脫氮過程，致使厭氧釋磷不完全，以致后續(xù)吸磷能力降低〔6〕，最終導(dǎo)致出水TP偏高。當DO為2 mg/L，R1為100%時，系統(tǒng)出水平均TP隨HRT的減小而顯著降低，這是因為隨HRT的減小，各池水流上升速率增大，更多的污泥在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，從而有更多的聚磷菌進行厭氧釋磷和好氧吸磷過程，使得出水TP降低。當HRT為7.5 h，R1為200%時，DO為3 mg/L或4 mg/L的系統(tǒng)出水平均TP小于DO為2 mg/L時的系統(tǒng)出水平均TP；增加DO，使得聚磷菌好氧吸磷更加充分，從而降低了出水TP。與DO為3 mg/L時相比，DO為4 mg/L的系統(tǒng)出水平均TP略有增大，這可能是由于DO過高，減弱了聚磷菌厭氧釋磷效果，從而降低了聚磷菌的吸磷量，使出水TP有所增加。實驗結(jié)果表明，當控制HRT為7.5 h，R1為200%，DO為3 mg/L時，出水TP最低。

2.5 脫氮除磷機理分析
綜上所述，工藝的最佳運行條件：HRT為 7.5 h，R1為 200%，DO為 3 mg/L。在最佳運行條件下，對工藝各單元的運行情況進行了檢測，結(jié)果如表 2所示。

由表 2可知，由于硝化液回流ABR1隔室中NH4+-N迅速下降，而ABR2隔室中的NH4+-N略高于ABR3隔室，這與厭氧條件下，有機含氮污染物通過厭氧微生物作用轉(zhuǎn)化的氨多于厭氧微生物利用氨作為氮源同化作用合成生命物質(zhì)氨基酸所需的氨有關(guān)；另外，厭氧反硝化過程也能夠?qū)�NO3--N通過同化作用還原成NH4+-N，造成ABR2隔室中NH4+-N略有升高。好氧池1內(nèi)NH4+-N急劇減少，表明好氧池1內(nèi)微生物硝化能力較強。在好氧池1內(nèi)沒有去除的NH4+-N，在好氧池2內(nèi)可進一步去除。ABR內(nèi)NO3--N大幅下降表明，反應(yīng)器內(nèi)反硝化菌的反硝化脫氮能力較強。系統(tǒng)出水NO3--N比ABR3隔室增加8.6 mg/L，但是比NH4+-N的減少量（18.8 mg/L）低約10.2 mg/L，說明好氧池內(nèi)存在同步硝化反硝化過程，由同步硝化反硝化作用去除的氮占19%。ABR出水沒有檢測到NO3--N，且系統(tǒng)出水NH4+-N低至0.7 mg/L，可判斷工藝中硝化和反硝化2個過程達到動態(tài)平衡，反硝化脫氮效果良好。生物脫氮主要發(fā)生在ABR內(nèi)，ABR內(nèi)TN去除率為52%，好氧池TN去除率為24%，系統(tǒng)TN去除率為76%。

此外，實驗結(jié)果表明，ABR1隔室首先保證了回流的硝化液與原水混合以快速地完成反硝化過程，由于ABR1隔室硝態(tài)氮降低到了一定濃度，隨即發(fā)生了釋磷現(xiàn)象。ABR2隔室聚磷菌釋磷量增強，TP達12.86 mg/L。ABR3隔室反硝化除磷菌吸磷現(xiàn)象明顯，TP降低至6.73 mg/L。好氧池1 TP顯著降低，說明聚磷菌能過量吸磷，TP降至1.05 mg/L。在好氧池2進一步吸磷后，出水TP降低至0.51 mg/L，系統(tǒng)TP去除率達87％。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論
以ABR-好氧復(fù)合工藝處理生活污水能有效節(jié)能降耗，同時可獲得良好的出水水質(zhì)。綜合考慮其對COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果，可以確定工藝的最佳運行條件：HRT為7.5 h，回流比R1為200%，DO為3 mg/L。此運行條件下，系統(tǒng)出水水質(zhì)良好，出水COD、NH4+-N、TN和TP平均分別為38、0.7、12.1、0.51 mg/L，COD、NH4+-N、TN和TP去除率分別為90%、97%、76%和87%。其中，ABR內(nèi)TN去除率為52%，好氧池同步硝化反硝化強化了脫氮效果，TN去除率達19%。ABR2隔室聚磷菌過度釋磷能力強，ABR3隔室反硝化除磷菌能有效吸磷，好氧池聚磷菌進一步大量吸磷，使TP最終通過排泥得到有效去除。