多點(diǎn)交替進(jìn)水階式A2/O工藝(Commutative multiinfluent cascade A2/O，CMICAO)是東南大學(xué)借鑒UNITANK與A2/O工藝的優(yōu)點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的生物硝化反硝化脫氮、好氧吸磷、厭氧釋磷原理，應(yīng)用同步硝化反硝化、反硝化除磷等氮磷去除技術(shù)，研發(fā)的新型生活污水活性污泥脫氮除磷工藝[12]。該工藝在常溫下的除磷率和脫氮率分別達(dá)到90%和74%以上[1]，但實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，在低溫下未實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷。

　　摘 要：研究了低溫下多點(diǎn)交替進(jìn)水階式A2/O(CMICAO)工藝階段運(yùn)行時(shí)間對(duì)污染物去除率的影響，探討了DO、ORP以及pH狀態(tài)參數(shù)與污染物去除率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，水溫8～10 ℃，泥齡13 d，水力停留時(shí)間16 h，污泥濃度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%，階段1至6的運(yùn)行時(shí)間為3、2.5、2、3、2.5、2 h時(shí)，工藝出水TN、氨氮、NO3--N和TP濃度的平均值分別為10.1、11、74和08 mg/L。硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)，pH由下降轉(zhuǎn)為上升，ORP上升趨于平緩，DO上升趨緩;反硝化結(jié)束時(shí)，ORP曲線明顯跌落，pH由上升趨于平緩并略有下降;釋磷結(jié)束后ORP曲線由下降趨于平緩。降低前好氧池DO濃度，有助于同步硝化反硝化作用的發(fā)生，從而提高脫氮效率，節(jié)省能耗。

　　關(guān)鍵詞：中級(jí)工程師的論文,多點(diǎn)交替進(jìn)水階式A2/O, (CMICAO)工藝,硝化,反硝化,污水處理

　　pH、 ORP(OxidationReduction Potential)、DO(Dissolved Oxygen)以及OUR(Oxygen Uptake Rate)等控制參數(shù)通常用于營(yíng)養(yǎng)物的生物去除過(guò)程[3]。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些控制參數(shù)，可以確定硝化和反硝化過(guò)程的終點(diǎn)[49]。Wang等[10]報(bào)道 ORP、pH及DO的變化與營(yíng)養(yǎng)污染物中的動(dòng)力學(xué)變化有極好的相關(guān)性，因此可采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化運(yùn)行。

　　CMICAO工藝的各反應(yīng)池從階段1至階段6執(zhí)行不同功能[1]，氮磷去除效果受階段運(yùn)行時(shí)間變化的影響較大，筆者研究低溫下階段運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化設(shè)置，探討各階段各反應(yīng)池水質(zhì)變化與pH、ORP、DO等狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性，尋找各階段反應(yīng)始末對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量特征點(diǎn)，提出適合本工藝的優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)有效脫氮除磷。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)用水與裝置

　　試驗(yàn)用水取自常州市清潭污水處理廠進(jìn)水集水井，COD、TN、氨氮和TP濃度分別為163.2～382.7、34.0～57.9、25.2～42.1和2.6～4.8 mg/L。

　　試驗(yàn)裝置如圖1，5個(gè)反應(yīng)池容積均為47 L。裝置運(yùn)行由PLC控制，分上下2個(gè)對(duì)稱的半周期，分別由階段1至3和階段4至6組成[1]。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)條件：水溫8～10℃，水力停留時(shí)間16 h，泥齡13 d，氣水比24，污泥濃度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%。采用所設(shè)置的階段運(yùn)行時(shí)間(見(jiàn)表1)，研究其對(duì)污染物去除率的影響，以及水質(zhì)參數(shù)變化與狀態(tài)參數(shù)變化的相關(guān)關(guān)系。每次調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，每隔30 min取各池混合液，用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定TN、氨氮、NO3--N和TP，分析水質(zhì)隨階段1運(yùn)行時(shí)間的變化，并記錄各池DO、ORP、pH的變化。

　　1.3 分析方法

　　分析項(xiàng)目有COD、BOD5、TN、TP、氨氮、NO3--N、NO2--N、MLSS，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析法測(cè)定[11];DO 采用便攜式溶氧儀(DO24P， DKKTOA Co.， Japan)測(cè)定，ORP、pH采用便攜式pH、ORP測(cè)量?jī)x(HM21P， DKKTOA Co.， Japan)測(cè)定。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 階段1和階段4運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化

　　1#池在階段1進(jìn)水、缺氧反硝化。如圖2(a)所示，由于初始DO濃度高，發(fā)生硝化作用，氨氮上升較慢。當(dāng)DO降到0.5 mg/L以下，氨氮上升趨勢(shì)快于TN，且NO3--N濃度急劇下降，反硝化作用明顯，并產(chǎn)生堿度，硝態(tài)氮被還原為氮?dú)�，pH曲線緩慢上升;反硝化結(jié)束時(shí)，NO3--N與pH變化趨于平穩(wěn)，同時(shí)ORP明顯跌落。由1#池階段1運(yùn)行曲線可知，1#池完成反硝化功能適宜的運(yùn)行時(shí)間為150～180 min。

　　2#池在階段1進(jìn)水、厭氧釋磷。如圖2(b)所示，2#池進(jìn)入階段1后，DO始終為0，ORP下降并保持在-100 mV以下，釋磷過(guò)程中ATP在有關(guān)酶的催化下水解生成ADP，放出H3PO4和能量。階段末TP濃度穩(wěn)定在6 mg/L左右，釋磷結(jié)束，ORP曲線下降趨緩。由2#池階段1運(yùn)行曲線可知，2#池完成釋磷功能較為適宜的運(yùn)行時(shí)間為120～150 min。

　　3#池在階段1的功能是好氧硝化及去除有機(jī)物。如圖2(c)所示，在起始60 min內(nèi)TN下降，氨氮也快速下降，發(fā)生同步硝化反硝化過(guò)程[1214]。之后由于2#池進(jìn)水流入3#池，TN逐漸回升。但120 min后2#池TN、氨氮濃度仍不斷提高，而3#池氮的3項(xiàng)指標(biāo)基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明階段1后期進(jìn)入的氮基本是通過(guò)同步硝化反硝化作用去除的。100 min左右NO3--N曲線上升趨緩，TP曲線下降趨緩，硝化和吸磷結(jié)束，pH曲線由下降轉(zhuǎn)為逐漸上升，同時(shí)ORP和DO由上升趨于平穩(wěn)。若以3#池完成硝化和吸磷為標(biāo)準(zhǔn)，階段1的運(yùn)行時(shí)間為90～120 min。

　　4#池在階段1功能是進(jìn)一步缺氧反硝化。DO為0.5 mg/L左右時(shí)，4#池硝化作用很弱，故4#池TN和氨氮濃度的同時(shí)降低主要是由于3#池推流進(jìn)水的稀釋作用，而非同步硝化反硝化作用。由于3#池推流進(jìn)水中NO3--N 濃度后期穩(wěn)定在6 mg/L以上，且回流污泥帶入大量NO3--N，而4#池中NO3--N 濃度變化很小，故4#池中存在較強(qiáng)的反硝化作用。4#池ORP在階段一持續(xù)穩(wěn)定下降，缺氧條件較好。 　　綜合考慮階段1各池功能，并附加30 min左右的保護(hù)時(shí)間應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化，在試驗(yàn)水質(zhì)條件下，階段1、階段4較為適宜的階段運(yùn)行時(shí)間為3 h。

　　2.2 階段2和階段5運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化

　　1#池在階段2的功能為進(jìn)水、厭氧釋磷。如圖3(a)，DO保持為0，厭氧環(huán)境好，120 min TP曲線上升趨緩，基本完成釋磷，ORP曲線由下降轉(zhuǎn)為平緩，可作為釋磷完成的標(biāo)志。若以1#池釋磷結(jié)束為功能完成標(biāo)志，階段2的時(shí)間應(yīng)為120～150 min。

　　2#池在階段2的功能為好氧硝化、去除有機(jī)物。在120 min前氨氮和TN濃度均迅速下降，如圖3(b)，且2#池中無(wú)TN積累，說(shuō)明DO較高時(shí)仍可去除部分TN。故本工藝發(fā)生的同步硝化反硝化作用一方面可能是由于DO濃度低，導(dǎo)致污泥絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度，形成好氧缺氧微環(huán)境，在絮體外緣進(jìn)行好氧硝化反應(yīng)，同時(shí)在絮體內(nèi)部進(jìn)行缺氧反硝化反應(yīng)[1516]，另一方面也可能存在好氧反硝化菌[17]。120 min NO3--N上升趨緩，硝化基本完成。由于硝化作用時(shí)氨氮被氧化，并消耗堿度和DO，故硝化結(jié)束時(shí)，ORP和DO曲線由上升趨于平緩，pH也由下降轉(zhuǎn)為緩慢上升。從2#池完成硝化的功能來(lái)看，階段2的階段時(shí)間應(yīng)在120 min以上。

　　3#池在階段2的功能是進(jìn)水、缺氧反硝化。如圖3(c)所示，由于上一階段3#池好氧，階段2初期池中DO較高，在起始30 min氨氮上升較慢，NO3--N濃度基本沒(méi)有降低，故發(fā)生硝化作用。隨著DO下降，硝化現(xiàn)象減弱，反硝化逐漸增強(qiáng)，大量NO3--N被還原為氮?dú)�，并產(chǎn)生堿度。120 min后NO3--N濃度基本不變，反硝化完成，ORP曲線明顯跌落，pH曲線開(kāi)始下降。若以3#池完成反硝化為階段結(jié)束標(biāo)志，則階段2時(shí)間應(yīng)在120 min以上。

　　4#池在階段2的功能是厭氧釋磷。由于有機(jī)物濃度很低，故釋磷現(xiàn)象不明顯。但在前90 min，氨氮和TN濃度均下降，而NO3--N濃度無(wú)明顯上升，故存在同步硝化反硝化。當(dāng)DO降至0，TN和氨氮濃度開(kāi)始因3#池推流進(jìn)水而緩慢回升。 150 min TP上升趨緩，釋磷結(jié)束，ORP和pH下降趨緩。若以4#池完成釋磷為標(biāo)志，則階段2時(shí)間應(yīng)在150 min左右。

　　綜合考慮階段2各池功能的要求，并附加30 min左右的保護(hù)時(shí)間應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化，在試驗(yàn)水質(zhì)條件下，階段2、階段5較為合適的階段時(shí)間為2.5 h。

　　2.3 階段3和階段6運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化

　　階段3為過(guò)渡階段，主要作用是使各池順利轉(zhuǎn)換到下半周期，并使1#池達(dá)到出水前池的狀態(tài)和水質(zhì)要求，為向階段4轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

　　1#池在階段4為出水前池，須在階段3使水質(zhì)指標(biāo)和狀態(tài)參數(shù)達(dá)到出水前池的要求。如圖4(a)，

　　由于1#池在此階段不進(jìn)水，通過(guò)曝氣，氨氮、TP濃度迅速下降，TN也明顯下降，說(shuō)明出現(xiàn)同步硝化反硝化作用。各污染物指標(biāo)在90～120 min趨于平緩，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別與5#池各污染物濃度十分相近，故可轉(zhuǎn)換為出水前池。90 min后NO3--N曲線上升趨緩，硝化基本結(jié)束，pH由下降轉(zhuǎn)為平緩上升;DO和ORP達(dá)到了作為出水前池的標(biāo)準(zhǔn)，因此階段3的階段時(shí)間應(yīng)大于90 min。

　　2#池在階段3功能為進(jìn)水缺氧反硝化。由于上一階段2#曝氣和本階段1#池好氧，且回流污泥帶入高DO的混合液，使得前60 min 2#池硝化作用較明顯，如圖4(b)。當(dāng)DO降到0.5 mg/L 時(shí)，NO3--N下降速度增大，120 min后反硝化基本結(jié)束，ORP曲線突然跌落。2#池在本階段主要是為了向下半周期轉(zhuǎn)變，僅需要達(dá)到缺氧狀態(tài)，故階段時(shí)間控制在90～120 min左右。

　　3#池在階段3的功能為厭氧釋磷。如圖4(c)所示，2#池推流進(jìn)水中TN和NO3--N濃度高于3#池，但3#池氮的各指標(biāo)濃度變化不大，故3#池中存在反硝化現(xiàn)象。由于上一階段為進(jìn)水池，積累的有機(jī)物對(duì)釋磷較有利，但因池內(nèi)仍有殘余DO，故TP在60 min后才明顯上升，120 min后基本完成釋磷，ORP曲線由穩(wěn)定下降趨于平緩，pH曲線緩慢下降。3#池在本階段主要是為了向下半周期轉(zhuǎn)變，僅需要達(dá)到厭氧狀態(tài)，故階段時(shí)間控制在90 min以上。

　　4#池在階段3功能為厭氧釋磷。但由于本階段僅從2#池進(jìn)水，4#池所能獲得的有機(jī)物極少，故反硝化、釋磷的作用在本階段中均沒(méi)有體現(xiàn)。各狀態(tài)參數(shù)也基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，無(wú)較大波動(dòng)。但可順利向階段4的厭氧進(jìn)水轉(zhuǎn)變。

　　綜合考慮階段3各池向階段4狀態(tài)轉(zhuǎn)換的要求，并附加30 min左右的保護(hù)時(shí)間應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化，在試驗(yàn)水質(zhì)條件下，階段3、階段6較為合適的階段時(shí)間為2 h。

　　2.4 5#池在階段1～3的水質(zhì)變化

　　5#池在階段1～3是沉淀池前的最后一個(gè)反應(yīng)池，功能為好氧吸磷及進(jìn)一步降解有機(jī)物。由圖5知，在階段1運(yùn)行時(shí)間為3 h時(shí)，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為10.2、1.7、7.6、0.7 mg/L;階段2運(yùn)行時(shí)間為2.5 h時(shí)，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為10.0、1.4、7.6、08 mg/L;階段3運(yùn)行時(shí)間為2 h時(shí)，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為101、11、7.4、0.8mg/L。在上半周期內(nèi)，5#池出水水質(zhì)穩(wěn)定，并且池內(nèi)ORP、DO分別保持在120 mV和6 mg/L以上，沉淀池在不攪動(dòng)情況下基本不釋磷，保障出水水質(zhì)。

　　3 結(jié) 論

　　1)水溫8～10℃，在水力停留時(shí)間16 h、泥齡13 d、氣水比24、污泥濃度2 680～3 560 mg/L、污泥回流比30%時(shí)，階段1至階段6的適宜運(yùn)行時(shí)間為3、2.5、2、3、2.5和2 h。進(jìn)水COD濃度163.2～382.7 mg/L、TN濃度34.0～57.9 mg/L、氨氮濃度25.2～42.1 mg/L、TP濃度2.6～4.8 mg/L，出水TN、氨氮、NO3--N和TP濃度的分別為10.1、11、7.4和0.8 mg/L左右。 　　2)裝置中各池反應(yīng)過(guò)程與狀態(tài)參數(shù)相關(guān)性較好。硝化反應(yīng)需要消耗堿度以及DO，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，pH由下降轉(zhuǎn)為上升，ORP上升趨于平緩，DO上升到階段內(nèi)的第2個(gè)平臺(tái)期。反硝化產(chǎn)生堿度，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，pH由上升趨于平緩并略有下降，ORP曲線明顯跌落。釋磷作用一般在ORP低于-100 mV時(shí)出現(xiàn)，釋磷結(jié)束時(shí)ORP曲線由下降趨于平緩。故可根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的變化對(duì)本工藝進(jìn)行階段運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化控制，以達(dá)到更高的脫氮除磷效率。

　　3)降低前好氧池DO濃度，有助于同步硝化反硝化作用的發(fā)生，提高脫氮效率，并節(jié)省曝氣能耗以及減小反應(yīng)池所需容積。

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