劉俊新¹，叢麗²，王寶貞²，J.W.van Groenesin³，H.J.Doddema³
（1.中國科學院 生態環境研究中心，北京 100085；2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.荷蘭應用科學研究院）

　　摘要：常規生物脫氮除磷工藝存在相互影響和制約的因素，因此脫氮和除磷效果難以同時達到最佳。根據研究提出了生物膜與活性污泥結合的新工藝，可同時高效地脫氮、除磷和去除有機物。試驗結果表明，氨氮去除率達99%以上，TN、TP和COD的去除率分別達到85%、95%和95%。
　　關鍵詞：污水處理；生物膜；活性污泥；脫氮；除磷
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2000)12-0001-05

Research on Nitrogen and Phosphorous Removal by Biofilm-Activated Sludge Process
LIU Jun-xin¹，CONG Li²，WANG Bao-zhen²，J.W.van Groenestijn³，H.J.Doddema³
(1.Res.Center for Eco-Environ.Sci.,Chinese Academy of Sci.,Beijing 100085,China;
2.School of Munic.and Environ.Eng.,Harbin Institute.of Tech.,Harbin 150090,China;
3.TNO Institute of Environ.Sci.,Energy Res.and Process Innovation,7300 AH Apeldoorn,the Netherlands)

　　Abstract：Some factors that are mutually affected and restrained exist in traditional processes for biological removal of nitrogen and phosphorus from wastewater.Therefore,it is difficult to obtain the optimum results of nitrogen and phosphorus removal at the same time.A new biofilm-activated sludge process is described in thispaper.The high efficiencies of nitrification,denitrification and phosphorus removal can be simultaneously obtained by the new process.The experimental resultsshowed that the efficiency of ammonia-N removal is over 99%,and the removal fficiencies of TN,TP and COD are 85%、95% and 95% respectively.
　　Keywords: wastewater treatment;biofilm;activated sludge;nitrogen removal;phosphorus removal

　　在常規的生物脫氮除磷工藝(A²/O工藝)中，污泥在厭氧、缺氧和好氧段之間往復循環。該污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其他多種微生物組成，但由于不同菌群的最佳生長環境不同，脫氮與除磷之間存在著矛盾^［1］，實際應用中經常出現脫氮效果好時除磷效果較差，而除磷效果好時脫氮效果不佳的情形^［2］。某些研究發現，如果厭氧和缺氧段內污泥量占工藝總污泥量的40%以上，要達到完全硝化是很困難的，但此時卻有非常好的除磷效果；要保持良好的硝化作用，厭氧和缺氧段的污泥占工藝總污泥量的比例則不能超過40%^［3］。此外，回流到厭氧段污泥中的硝酸鹽含量也影響磷的釋放和超量磷的攝取，導致磷的去除率下降^［4］。影響該工藝有效運行的相互影響和制約的因素主要表現為：①厭氧和缺氧段內污泥量被限定后，厭氧與缺氧段污泥量的分配比將影響磷釋放或硝態氮反硝化的效果。厭氧段污泥量大則磷釋放效果好，但反硝化效果差；反之，則反硝化效果好，而磷釋放效果差。②原水經厭氧段進入缺氧段，磷釋放與硝態氮反硝化爭奪碳源。當原水中碳源不足時，磷釋放或反硝化不完全。③硝化菌世代繁殖時間長，要求較長的泥齡，但磷從系統中被去除主要是通過剩余污泥的排放，因此要提高除磷效率則要求縮短泥齡。
　　生物膜與活性污泥結合工藝則針對常規生物脫氮除磷工藝存在的問題，將其相互影響和制約的因素分解，使不同的菌類生長在各自最佳環境條件下，因而使脫氮和除磷效果可以同時達到最佳，而且工藝的可控性增強。

　　1 工藝特點

　　根據生物脫氮除磷原理，硝化菌和反硝化菌可以分別放置在好氧和缺氧裝置內，而含氮液體在它們之間循環，這樣可使硝化菌和反硝化菌分別在各自的最佳環境中充分發揮作用，同時除磷菌在厭氧和好氧之間循環以完成磷的釋放和超量吸收。綜合考慮生物脫氮除磷對環境條件的要求，以及生物膜法和活性污泥法的各自特點，確定試驗工藝流程如圖1所示。

　　本工藝特點：①缺氧段采用生物膜法，反硝化菌均勻分布在整個缺氧池內，不需要污泥攪拌設備，操作簡便。由于反硝化菌被固定在缺氧段，缺氧段的污泥量不再受到限制，反硝化更加充分。②好氧和厭氧段采用活性污泥法便于對泥齡進行控制，有利于硝化菌和除磷菌的生
長繁殖。③原水進入缺氧段，有機物主要被用于反硝化，因此反硝化效率提高。④二沉池污泥進入厭氧段釋放磷。由于污泥濃度高，因此受硝酸鹽氮的影響很小，而且厭氧釋放磷不需要外加碳源，污泥本身吸附的有機物可保證磷釋放。⑤含有高濃度磷的濃縮液從工藝系統內
被分離出來，并通過化學法除磷。因此，泥齡不再是影響除磷效率的主要因素，而排放的剩余污泥是經釋放磷的污泥，減少了污泥處理過程中產生的磷的二次污染。

　　2 試驗條件與方法

　　試驗裝置用不銹鋼制成，缺氧、好氧和厭氧池的容積分別為165L、480L和120L；二沉池和污泥濃縮池的總容積分別為145L和50L(包括泥斗)。厭氧池內安裝攪拌器，二沉池和污泥濃縮池內安裝刮泥設備。
本試驗研究主要在荷蘭應用科學研究院(荷蘭Delft市)進行，部分試驗在原哈爾濱建筑大學完成。試驗用水為城市污水(水質見表1)，由于雨水和季節的影響，水質變化幅度較大。試驗裝置連續運行，在正常運行期間，系統的總水力停留時間(HRT)為20～25h。缺氧池內反硝化菌附著生長在填料上，污泥量為10 g/L，比較穩定，無需特殊管理。濃縮池回流污泥濃度(VSS)達到15～20g/L，SVI為30～50mL/g。好氧池污泥濃度保持在2～4g/L，SVI保持在50～80mL/g，沒有出現污泥膨脹現象。

　　3 試驗結果與分析

　　3.1 總氮的去除
　　總氮包括氨氮、有機氮和硝態氮，在本試驗條件下，氨氮去除率在99%以上，出水中氨氮濃度＜2mg/L。氨氮轉化為硝態氮只是氮的形態的轉變，就總氮而言并沒有減少，只有將硝態氮回流到缺氧池反硝化，最終以N₂的形式從污水中逸出，才能使總氮含量降低。當缺氧池內硝態氮負荷＜0.4kg/(m³·d)時，反硝化效率＞90%。圖2是回流比保持在3～6時，對總氮去除的試驗結果。

　　由圖2可見，系統對總氮的去除效率保持在75%～85%。雖然提高回流比可進一步提高總氮的去除率，但回流所需動力消耗及運行費用增加較大，因此通常控制回流比為3～4。
　　3.2 總磷的去除
　　厭氧條件下釋放的磷排出工藝系統后，可采用化學法去除，因此除磷效率較高。試驗工藝進、出水的總磷含量及其去除率如圖3所示。

　　由圖3可見，在表1的水質條件下，系統出水中平均TP濃度為0.76mg/L，平均去除率在94%以上。在厭氧池內，磷能夠被有效地釋放，污泥濃縮池出水中總磷濃度為40～100mg/L。因為濃縮池出水流量很小，便于化學法除磷，而且投藥量低于傳統化學除磷工藝的投藥量。
　　3.3 COD的去除
　　根據生物脫氮除磷理論，反硝化和磷的釋放都需要有機物作為能源，因此脫氮、除磷和去除COD可同時完成。圖4為系統對COD去除的試驗結果。
　　在系統運行期間，進水COD濃度120～900mg/L，平均為462mg/L；出水COD濃度20～80mg/L，平均為45mg/L；COD去除率為85%～95%，平均90%以上。

　　根據對試驗結果的統計，缺氧池、好氧池和厭氧池對COD的去除量分別占總去除量的60%、35%和5%。因此，COD的去除主要在缺氧池和好氧池內完成，厭氧去除的COD很少，此結果也表明原水中的有機物主要被缺氧池內硝態氮的反硝化所利用。

　　4 控制條件

　　4.1 厭氧與好氧污泥比
　　根據硝化菌和除磷菌的特性，若好氧池內污泥量遠多于厭氧池時，有利于硝化和磷的吸附，但磷的釋放量將減少，最終也將影響系統對總磷的去除；反之，若厭氧池內污泥量遠多于好氧池，則由于硝化菌被抑制，硝化效率降低，而除磷效率也會由于在好氧池內除磷菌吸磷不充分而下降。因此，只有好氧和厭氧池內污泥量的比例適當時，才能使硝化和除磷同時達到最佳效果。

　　圖5是氨氮的硝化率和總磷的去除率隨厭氧池內污泥量與總污泥量之比變化的情況。
　　根據試驗結果，當厭氧池的污泥量與總污泥量之比很低時，硝化效率很高(≥99%)，但除磷效率較低；隨著厭氧池污泥量比值的增加，除磷效率顯著增加，硝化效率基本不變；當厭氧池污泥量與總污泥量之比為0.5左右時，硝化和除磷效率同時達到最大；厭氧池污泥量與總污泥量之比＞0.5時，硝化效率明顯降低，除磷效率由于好氧池內污泥對磷的吸收不充分而略有降低。因此控制厭氧池污泥量與總污泥量之比在0.5左右時，即厭氧池內污泥量與好氧池內污泥量之比為1∶1時，脫氮除磷的效果最佳。
　　4.2 好氧停留時間
　　圖6是好氧池在不同水力停留時間(HRT)時，二沉池出水中氨氮的變化情況。

　　由圖6可見，當進水氨氮濃度在80～110mg/L，好氧池HRT＞14h時，氨氮完全被硝化，出水中氨氮濃度＜0.5mg/L；當好氧池HRT＜14h時，出水中氨氮隨HRT的減少而增加；當好氧池HRT＜12h時，出水中氨氮濃度≥10mg/L。因此，好氧池HRT的確定應考慮出水水質要求。
　　4.3 厭氧條件下磷的釋放
　　將VSS濃度為7.3g/L的二沉池污泥分別裝入2個2.5L的瓶子內，采用磁力攪拌器攪拌，并分別放在5℃和20℃的環境中進行磷釋放試驗。
　　圖7是二沉池污泥在厭氧條件下釋放磷的試驗結果。
　　由圖7可知，隨著厭氧時間的延長，污泥釋放的磷不斷增加，直至污泥所吸附的磷被全部釋放出來。在20℃的條件下，經過30h的厭氧釋放磷，微生物吸附的磷被全部釋放出來，而在5℃時，達到相同的磷釋放量則需要95h。由此可見，厭氧時間影響磷的釋放量，而溫度影響磷的釋放速率，特別是在溫度低于15℃時更為明顯。

　　在實際生物脫氮除磷工藝中，并不需要將污泥中所有的磷全部釋放出來。磷在厭氧池內的釋放量可根據原水中含磷量及出水水質要求而確定，通常只要部分磷被釋放即可達到除磷要求。
　　厭氧池內磷的釋放需要有機物作為能源，有研究表明^［5］，磷的釋放速率與有機物類型有關，低分子有機物質能夠被迅速利用，而葡萄糖和污水中的大分子有機物不能被直接利用，這些有機物必須在厭氧條件下首先轉化為低分子的酸類才能被有效地利用。
　　在本試驗中，厭氧池污泥來自二沉池且沒有原水進入。為明確外加碳源后是否對本試驗的磷釋放有促進作用，又進行了投加葡萄糖、加原水條件下的兩組磷釋放試驗。試驗污泥(VSS為12g/L)被分別裝入3個2.5L的玻璃瓶內，在20℃條件下采用磁力攪拌器攪拌。初始硝態氮濃度為6mg/L左右，單位污泥負荷為0.5mgNOx-N/gVSS，經1.5h厭氧運行，取樣測定時已無硝態氮存在。磷釋放的試驗結果如圖8所示。

　　由圖8可看出，外加葡萄糖和原水對磷的釋放沒有明顯促進作用，這表明厭氧池內的高濃度污泥本身吸附的有機物可以滿足磷釋放的要求。
　　在本試驗中，進入厭氧池的污泥濃度高、硝態氮含量少，因此受硝態氮的影響較小。當進入厭氧池的硝態氮較多時，通過適當延長厭氧停留時間仍可保證磷的釋放。圖9是厭氧池內硝態氮含量與硝態氮消失所需時間的試驗結果。

　　9的試驗溫度為14 ℃，當溫度增加時，所需的反硝化時間將縮短。

　　5 結論

　　試驗結果表明，生物膜與活性污泥結合工藝將常規生物脫氮除磷工藝中存在的相互影響和制約的因素分解，能夠同時有效地從污水中去除氮、磷和有機物。在本試驗條件下，氨氮去除率達99%以上，總氮、總磷和COD的去除率分別達到85%、95%和95%。當厭氧段與好氧段污泥量比為1∶1時，硝化率和除磷效率可同時達到最大。

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作者簡介：劉俊新(1957-)，男，中國科學院生態環境研究中心研究員，博士，主要研究方向：水污染控制技術。
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收稿日期：2000-05-10