為滿足某大型副食品加工園區(qū)綜合排水作為流域景觀水補(bǔ)水需求，研究以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，采用新型A2/O+人工濕地系統(tǒng)對(duì)園區(qū)實(shí)際低C/N綜合廢水進(jìn)行處理，深度去除廢水中氮磷污染物。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高1效節(jié)能的脫氮除磷效果，以及較強(qiáng)的運(yùn)行達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性。重1點(diǎn)針對(duì)系統(tǒng)氮磷去除效能與規(guī)律、污泥特性演變及穩(wěn)定調(diào)控策略進(jìn)行了分析。

東北某大型食品工業(yè)園區(qū)集乳品、畜禽、果蔬等加工于一體，園內(nèi)各企業(yè)產(chǎn)生的高濃度行業(yè)污水經(jīng)預(yù)處理后，與生活污水混合排至園區(qū)綜合污水處理廠進(jìn)行集中處理。該綜合廢水主要污染物為有機(jī)物（COD）、氨氮（NH4+-N）和總磷（TP），C/N低，水量、水質(zhì)隨季節(jié)變化大。該綜合廢水經(jīng)污水廠處理后主要作為納污河流域補(bǔ)水。“十三五”環(huán)境規(guī)劃中，國(guó)1家提出了該園區(qū)納污河流域的綜合整治目標(biāo)，即要求其達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）景觀Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。為滿足這一要求，需對(duì)園區(qū)綜合廢水進(jìn)行深度處理。

前期研究表明，筆者開(kāi)發(fā)的新型末端間歇曝氣A2/O（PIA-A2/O）工藝，將節(jié)能的短程脫氮和反硝化除磷過(guò)程高比例地耦合于連續(xù)流A2/O中，在降低碳源消耗的同時(shí)，可提升氮、磷去除率，適合于低C/N廢水的處理。該工藝污泥齡（SRT）長(zhǎng)，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，適應(yīng)水質(zhì)水量波動(dòng)情況。然而，獨(dú)立的二級(jí)生物處理工藝往往不能實(shí)現(xiàn)污水深度凈化。人工濕地作為一種自然、節(jié)能、高1效的新興污水處理技術(shù)，已廣泛用于對(duì)二級(jí)生物處理的補(bǔ)充，尤其是潛流濕地，北方使用更多。本研究采用PIA-A2/O+垂直潛流人工濕地系統(tǒng)深度處理該園區(qū)綜合廢水，考察了系統(tǒng)的脫氮除磷效能，并探索了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行控制策略。

1材料與方法

1試驗(yàn)裝置

反應(yīng)裝置如圖1所示。其中，PIA-A2/O反應(yīng)器總有效體積為180L；通過(guò)控制排泥口1和排泥口2的啟閉，調(diào)控反應(yīng)器的SRT。人工濕地段由4個(gè)垂直潛流濕地模塊組成，基質(zhì)為火山巖和礫石，植物為香蒲，可以通過(guò)在不同級(jí)段出口監(jiān)測(cè)水質(zhì)，確定系統(tǒng)達(dá)標(biāo)所需的水力負(fù)荷率（HLR）。垂直潛流濕地模塊長(zhǎng)、寬、高分別為50cm×40cm×30cm，孔隙度約30%。

1—進(jìn)水；2—攪拌槳；3—蠕動(dòng)回流泵；4—硝化液回流；5—厭氧段；6—缺氧段；7—好氧1段；8—好氧2段；9—間歇曝氣段；10—擋泥板；11—微孔曝氣盤(pán)；12—集泥管；13—沉淀池；14—人工濕地模塊；15—空壓機(jī)；16—氣體流量計(jì)；17—微電腦控制器；18—電磁閥；19—排泥口1；20—排泥口2；21—污泥回流；22—出水。

圖1PIA-A2/O+人工濕地系統(tǒng)裝置

2試驗(yàn)水質(zhì)與污泥

試驗(yàn)廢水取自該園區(qū)綜合污水處理廠，其水質(zhì)見(jiàn)表1。通過(guò)投加CH3COONa、NH4Cl和KH2PO4改變污染物濃度。接種污泥取自北京某污水廠硝化回流渠，污泥硝化和沉淀特性良好。

表1試驗(yàn)廢水水質(zhì)

3分析方法

總凱氏氮（TKN）采用德國(guó)貝爾DigiPREP500凱氏定氮儀測(cè)定；DO和溫度采用WTWmulti340i型多參數(shù)測(cè)定儀在線檢測(cè)；COD、TP、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS、SV30、SVI等指標(biāo)的測(cè)定依據(jù)國(guó)1家環(huán)保總局編制的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》；污泥的反硝化除磷率（DPAO/PAO）采用A.Wachtmeister等推薦的方法測(cè)定。

4操作過(guò)程及方法

系統(tǒng)各階段運(yùn)行工況如表2所示。共分為8個(gè)階段，每個(gè)階段均連續(xù)運(yùn)行1個(gè)SRT天數(shù)以上。階段Ⅶ時(shí)重新接種污泥啟動(dòng)運(yùn)行。PIA-A2/O反應(yīng)器中好氧1段和2段DO分別為1.5、1.0mg/L。

表2PIA-A2/O+人工濕地系統(tǒng)各階段運(yùn)行工況

2結(jié)果與討論

1污染物去除及優(yōu)化調(diào)控

系統(tǒng)沖擊負(fù)荷分別考慮進(jìn)水污染物濃度和流量的增加。階段Ⅰ~Ⅵ主要考察濃度沖擊負(fù)荷情況，階段Ⅶ~Ⅷ考察流量沖擊負(fù)荷情況。

（1）COD去除及優(yōu)化

首先考察了不同運(yùn)行階段出水COD的變化。結(jié)果表明，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，COD逐級(jí)降解，其濃度沿程降低，其中約85%以上的COD在PIA-A2/O段被去除，其次為一、二級(jí)濕地段，分別削減COD5%和2.5%左右，三、四級(jí)濕地段對(duì)COD的去除很少。各階段中，各濕地模塊處理效能基本固定?？梢钥闯?，該系統(tǒng)中PIA-A2/O段是污染物去除的控制段，具有調(diào)控潛力，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行的關(guān)鍵。

在階段Ⅰ~Ⅵ，由于受濃度沖擊，PIA-A2/O段出水COD升高。其中，階段Ⅲ中，當(dāng)Fr增至1.0kg/（m3˙d）時(shí)，出水COD超過(guò)GB18918—2002一級(jí)A的50mg/L限值，后通過(guò)階段Ⅳ延長(zhǎng)SRT為26d，又使COD恢復(fù)至50mg/L以下。階段Ⅴ中，繼續(xù)增加Fr至1.2kg/（m3˙d），并進(jìn)一步延長(zhǎng)SRT至28.5d，出水COD仍在50mg/L以下。分析認(rèn)為SRT延長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)MLSS增加，Ns降低（見(jiàn)表2），系統(tǒng)去除污染物總量增加，出水水質(zhì)得到保障。值得注意的是，PIA-A2/O工藝可在長(zhǎng)SRT條件下維持污泥良好性能，這要得益于間歇曝氣段的污泥篩選功能。此階段濕地各級(jí)出水COD也保持在較低水平，平均COD分別為31、24、19、17mg/L。然而，當(dāng)進(jìn)入階段Ⅵ后，繼續(xù)增加Fr，并延長(zhǎng)SRT至30d，出水COD陡增到65mg/L，后續(xù)各級(jí)濕地出水COD也相應(yīng)升高。這主要因?yàn)镾RT過(guò)長(zhǎng)，間歇曝氣池內(nèi)積累MLSS過(guò)高，污泥淘洗功能喪失，絲狀膨脹所致。

在階段Ⅶ~Ⅷ，保持進(jìn)水COD不變，增大流量沖擊負(fù)荷。在階段Ⅶa，流量由13.4L/h增加到16.8L/h，HRT降低，各級(jí)出水COD上升。但階段Ⅶb通過(guò)增大內(nèi)、外回流比，PIA-A2/O段出水COD回落到50mg/L以下。同樣情況出現(xiàn)在階段Ⅷ。分析原因，內(nèi)、外回流比的增加有利于保證污水與污泥足夠的接觸時(shí)間，同時(shí)為缺氧段提供碳源，使COD充分降解，從而保證系統(tǒng)出水穩(wěn)定。

（2）TP去除及反硝化除磷特性

系統(tǒng)不同階段沿程出水TP的變化如圖2所示。

圖2PIA-A2/O+人工濕地系統(tǒng)不同階段沿程出水TP變化

隨著Fr的增加，在階段Ⅲ時(shí)，PIA-A2/O段出水TP明顯升高，達(dá)0.9mg/L，這使后續(xù)各級(jí)濕地出水TP隨之增加，至少需要3級(jí)濕地（HLR=0.53m/d）凈化才可達(dá)標(biāo)。該段TP去除率雖低，但反硝化除磷率（見(jiàn)表3）則變化不大，這可能是因?yàn)榉聪趸走m合的低碳源、低DO、長(zhǎng)SRT環(huán)境未明顯改變。

表 3 PIA-A2/O反應(yīng)器各階段TP去除率及反硝化除磷率 

階段Ⅳ延長(zhǎng)SRT，反應(yīng)器內(nèi)生物量增加，Ns降低，PIA-A2/O段出水TP回落至0.5mg/L左右，濕地段的TP達(dá)標(biāo)處理負(fù)荷又恢復(fù)到HLR=0.81m/d（二級(jí)濕地出口）。該階段雖TP去除率增加，但反硝化除磷率仍降低，這是系統(tǒng)內(nèi)總生物量積累的結(jié)果。階段Ⅵ，由于SRT過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)絲狀膨脹，PIA-A2/O段出水TP嚴(yán)重超標(biāo)，反硝化除磷率同步下降，后續(xù)4級(jí)濕地（HLR=0.4m/d）也難以使出水TP穩(wěn)定在0.4mg/L以下。因此，F(xiàn)r升高和SRT過(guò)度延長(zhǎng)均不利于反硝化除磷。分析原因，一方面有機(jī)物濃度增加會(huì)對(duì)反硝化除磷產(chǎn)生抑制；另一方面SRT過(guò)長(zhǎng)，亞硝酸鹽氧化菌（NOB）生長(zhǎng)加快，NO3--N濃度升高，NO3--N比NO2--N的電勢(shì)高，較難被反硝化。流量沖擊負(fù)荷階段Ⅶ和Ⅷ，回流比增加，反硝化除磷率有所上升，這是因?yàn)橄趸夯亓骷哟鬄槿毖醵畏聪趸拙峁┝烁嚯娮邮荏w。

（3）氮素去除及亞硝化效果

系統(tǒng)不同階段沿程出水氮濃度變化見(jiàn)圖3。

圖3PIA-A2/O+人工濕地系統(tǒng)不同階段沿程

GB3838—2002規(guī)定NH4+-N和TN的Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)均為小于2.0mg/L，因此，系統(tǒng)的深度脫氮是穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。從圖3可知，濕地具有良好的硝化性能，即使前段PIA-A2/O段出水NH4+-N增大到5mg/L出水氮污染物濃度變化以上，后續(xù)都可通過(guò)三級(jí)濕地（HLR為0.67~0.72m/d）降至2.0mg/L以下。系統(tǒng)各階段出水TN沿程降低，PIA-A2/O出水TN以NO2--N為主，這是由于該工藝啟動(dòng)了亞硝化。進(jìn)入濕地段，NO2--N濃度沿程逐級(jí)降低，NO3--N濃度增大，TN濃度下降。這是因?yàn)闈竦厍岸薈OD充足，NO2--N被反硝化去除，一部分被氧化成NO3--N，TN呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。到后2級(jí)濕地，碳源消耗殆盡，NO3--N和TN變化很小，應(yīng)主要為植物吸收作用。綜合以上COD、TP和TN運(yùn)行結(jié)果，認(rèn)為人工濕地選取HLR=0.53m/d是合適的。

PIA-A2/O中NO2--N與NOx--N的質(zhì)量比反映了系統(tǒng)的亞硝化率，較高的亞硝化率對(duì)提高氮、磷去除和降低能耗是有利的。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Fr的增加、SRT的延長(zhǎng)、內(nèi)外回流比的提高，亞硝化率不斷降低。這是因?yàn)椋海?）進(jìn)水COD增加會(huì)導(dǎo)致異養(yǎng)菌大量繁殖，與AOB產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)；（2）SRT延長(zhǎng)可促使NOB生長(zhǎng)，使出水NO3--N濃度增加；（3）內(nèi)外回流比的提高實(shí)質(zhì)也是SRT的延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致出水NO3--N濃度增加。

2PIA-A2/O污泥特性演變

對(duì)PIA-A2/O工藝各階段污泥沉淀性能的變化進(jìn)行了考察，結(jié)果表明，PIA-A2/O中MLSS隨污染物濃度和流量負(fù)荷的增加而增加，這與污染物輸入增多和SRT延長(zhǎng)有關(guān)。生物量富集利于系統(tǒng)緩沖調(diào)控能力。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT不斷延長(zhǎng)時(shí)，污泥沉淀性能逐漸下降，SVI在階段Ⅴ漲至205mL/g，SV30為96%。鏡檢發(fā)現(xiàn)，污泥內(nèi)部有大量菌絲，污泥發(fā)生微量絲狀膨脹。然而，系統(tǒng)出水水質(zhì)并未受到影響。JianhuaGuo等曾在城市污水處理廠的運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，定義為污泥微膨脹（LFB）。系統(tǒng)中絲狀菌并未過(guò)度增殖應(yīng)得益于間歇曝氣段的周期性淘洗。階段Ⅵ的SRT過(guò)長(zhǎng)，其篩選功能喪失，污泥嚴(yán)重膨脹。

LFB菌膠團(tuán)內(nèi)絲狀菌菌絲短，向內(nèi)盤(pán)繞生長(zhǎng)，污泥成團(tuán)狀，使其具有較好的沉淀性能。而嚴(yán)重膨脹污泥，菌絲外擴(kuò)生長(zhǎng)，污泥沉淀性差。通過(guò)高通量測(cè)序和Eikelboom手冊(cè)鑒定，LFB主導(dǎo)菌為H.hydrossis，與營(yíng)養(yǎng)物去除有關(guān)。

3結(jié)論

采用新型A2/O+人工濕地系統(tǒng)深度處理副食品加工園區(qū)綜合廢水，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的脫氮除磷效果及抗沖擊負(fù)荷能力。系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)控關(guān)鍵是對(duì)出水TN的控制，可通過(guò)維持PIA-A2/O段穩(wěn)定的Ns和充足HRT實(shí)現(xiàn)。當(dāng)遇進(jìn)水污染物濃度沖擊時(shí)，在0.65kg/（m3˙d）≤Fr≤1.30kg/（m3˙d）條件下，可適當(dāng)延長(zhǎng)該段SRT為23.5~28.5d，降低濕地段的HLR（≥0.53m/d），以使系統(tǒng)出水滿足GB3838—2002中Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)遇進(jìn)水流量沖擊時(shí)，在0.8kg/（m3˙d）≤Fr≤1.1kg/（m3˙d）條件下，在延長(zhǎng)SRT和降低HLR同時(shí)，增加內(nèi)外回流比分別不超過(guò)95%和400%，仍可保證達(dá)標(biāo)運(yùn)行。Fr不宜大于1.35kg/（m3˙d）。PIA-A2/O工藝長(zhǎng)SRT低DO可以啟動(dòng)以H.hydrossis為主導(dǎo)的污泥微膨脹，并促進(jìn)基于亞硝酸鹽的反硝化除磷，有效提升了系統(tǒng)的脫氮除磷效能。