A/O池处理化工污水的运行效能论文_王向军

摘要：目前，污水处理的普及率越来越高，而污水处理的能耗问题也愈发突出，在典型的污水好氧生物处理系统中，COD 的去除是通过曝气实现的，通常需要高于 2.0 mgL-1 的溶解氧来降低污水中的 COD，而曝气是污水处理系统中能源消耗最多的部分，据统计，约占总电量消耗的 50%~60%。在曝气阶段，污水中的 COD 被转化为 CO2 排放到大气中[1]，常规活性污泥法中，二氧化碳的总排放量为 0.544~0.616 kgm-3，有机质没有被有效利用[2]。

关键词：A/O池；低浓度化工污水；水力停留时间

与好氧生物处理技术相比，A/O工艺无需曝气，可通过厌氧微生物将污水中的COD 转化为甲烷和二氧化碳等，节省能耗的同时可产生清洁能源甲烷，甲烷是一种非常有价值的碳氢化合物生物燃料，其热值高达 36.5 MJm-3。传统的A/O工艺主要集中于高浓度废水，如食品废水、养殖废水、酒精废水等，对于低浓度的化工污水研究较少，其原因是在常温和低浓度条件下厌氧微生物生长缓慢，而随着能源的日益紧缺及A/O工艺的不断发展和完善，越来越多的研究者把目光转向低浓度污水的厌氧生物处理，通过分离水力停留时间和污泥停留时间维持系统内的微生物数量来克服厌氧微生物生长缓慢，反应速率低的缺点。

A/O池是一种内部填充固体滤料的反应器，微生物在滤料表面附着生长，形成厌氧生物膜，通过生物膜内微生物的生化反应及滤料层的吸附截留作用降解转化污染物。厌氧生物滤池微生物量高、抗冲击负荷能力强，可以有效的分离水力停留时间与污泥停留时间（SRT），运维成本较低[14]，是一种理想的厌氧反应器形式。

1A/O池概述

1.1反硝化

反硝化脱氮作用是在溶氧浓度极低的环境由异养细菌通过利用NO2ˉ、NO3ˉ作为分解代谢过程中的最终电子受体来获得能量，而废水中的有机物则作为电子的载体将硝化过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程。简单地说，反硝化反应是利用反硝化菌将硝化过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的过程。有机物以甲醇为例其反应式为：

NO3ˉ+1.08CH3OH+0.24H2CO3—0.056C2H7O2W+0.47N2↑+1.68H2O+HCO3ˉ

由此可见反硝化过程具有以下主要特征：

1）NO3ˉ被还原成氮气并移入空气中。

2）基本没有氧气存在（缺氧状态）。

3）废水的有机物其浓度和生物降解性是反应速度的限制参数。

4）1mgNO3-N作为电子受体相当于2.85mgO2。

5）1mgNO3-N脱氮产生0.03mg/L的碱度。

1.2硝化

废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形式存在，废水生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理中，在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化和反硝化菌的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化的作用还原为氮气。

硝化作用在好氧状态下，由于亚硝酸菌和硝酸菌的作用，使氨氮被氧化为硝态氮和亚硝态氮的过程。这两类细菌均为自养型微生物，以无机物为营养源，对有机物质非常敏感。

1）硝化是由自养型细菌按如下的方式来完成的：

NH4ˉ+1.5O2 →NO2ˉ+2H+H2O（亚硝化单胞菌层）

NO2ˉ+0.5O2→NO3ˉ（硝化菌层）

这些反应的特征是：1）耗氧量较大：4.6mgO2/mgNH4+—N。

2）以无机碳为营养源。

3）每处理1g氨氮将消耗7.14gCaCO3。

有机物对硝化作用主要影响有两种：一是竞争性抑制——由于在生化处理好氧系统中，降解有机物的异养菌繁殖速度快在系统中占绝对优势，抑制硝化菌的生长。二是毒性抑制——当有机物浓度过大时使细菌中毒而降低硝化反应。

硝化菌在实际生长的过程中，还受到以下几个方面的影响：

1）由于产生酸而使碱度减少，使偏碱性的硝化菌生长受到抑制。

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2）硝化细菌的最大增长率特别低，这要求有较长的污泥龄。

3）硝化细菌的实际生长速度受到氧、温度和进水条件等因素的影响。

2实验材料与方法

2.1实验装置

本研究采用A/O池。反应器主体由有机玻璃制成，滤柱内径 18cm，总高 195.4cm，其中滤料层高 110cm，有效容积为 28L。本实验所用滤料为火山岩滤料，直径为 3~5 mm。滤柱每隔 20 cm 设 1 个取样口，共 6 个取样口。反应器主体缠绕加热带并包裹保温棉，维持反应器内温度为 35℃1℃。

2.2反应器的启动与运行控制

反应器在HRT=24h 的条件下启动，进水COD 浓度为110.7~404 mgL-1，平均浓度为244.6 mgL-1，运行 28d 后，COD 去除率可稳定达到 75%以上，此后进入 HRT 优化期，共分为 5 个不同阶段，分别为 24h、18h、12h、5h（第 98~136d）和 2.5h，以达到低 HRT 条件下化工污水厌氧生物处理。每次HRT 的改变均在前一阶段运行稳定后进行。

2.3常规分析方法

水质分析方法：COD 采用快速消解分光光度法测定。扫描电镜方法：首先将滤料样品置于 2.5%戊二醛中，于 4℃冰箱中固定 1.5 h，用磷酸缓冲液冲洗 3 次后分别用 50%、70%、80%、90%、和 100%乙醇进行脱水，每次 10～15 min。然后分别用 100%乙醇/乙酸异戊酯（1：1）、纯乙酸异戊酯各置换一次，每次 15 min。干燥喷金后采用扫描电镜（Hoskin Scientific，Tokyo，Japan）对样品进行观察。挥发性脂肪酸和气态甲烷用装有氢火焰离子化检测器的Agilent 7890A 系列气相色谱进行分析，挥发性脂肪酸分析测定前水样经 0.45μm 滤膜过滤。

2.4分子生物学分析方法

为了表征反应器中菌群结构变化，对接种污泥以及不同 HRT 条件下稳定期的生物膜样品进行 DNA 提取和实时荧光定量 PCR分析。为了考察不同高度滤料层菌群结构的特征，在第Ⅳ阶段（HRT=5h），从反应器上这 3 个位置取生物膜样品进行 DNA 提取和QPCR 分析。

通过振荡将生物膜与滤料分离，并在冻干机中冷冻干燥。使用用于土壤的快速 DNA 提取试剂盒从冻干样品中提取 DNA。提取后用NanoDrop One测量 DNA 浓度和纯度。对反应器中 4 种关键的产甲烷菌进行QPCR 分析。

3结果与讨论

COD 去除率基本稳定在 75%以上，这表明反应器内微生物菌群已经逐渐适应低浓度生活污水的条件。每次 HRT 改变后的一段时间内，反应器会出现“不稳定期”，COD 的去除率比前一阶段有明显下降，然后 COD 去除率开始逐渐回升，进入“稳定期”。HRT 发生变化时，会诱导反应器内微生物种群的变化，导致系统处于不稳定状态，需要一段时间的适应过程[5]，这在本研究HRT 由 12h 降至 5h 的过程中表现的尤为明显：HRT 降至 5h 后，COD 的去除率明显下降，一周后开始逐渐回升，在第 17d 基本进入“稳定期”，“稳定期”COD 去除率为77.14%~87.18%，平均去除率为 82.44%，出水 COD 浓度为 35.48~79.03 mgL-1，平均浓度为55.88 mgL-1。本研究中，每阶段“稳定期”的平均 COD 去除率分别为 73.43%、78.81%、78.51%、82.44%和 75.12%。HRT 由 24h 逐步缩短至 5h 的过程中，COD 去除率逐渐升高，在厌氧反应器中，污水和微生物之间的物质传递在有机物降解过程中发挥极其重要的作用，随着反应器 HRT 的降低，一方面有机负荷有较大的提升；另一方面较大的上升流速增强了微生物与污水之间的物质传递，提高了反应器的处理效果。微生物与底物的接触程度对于底物的充分转化有重要的影响，以中等混合程度为最佳[17]。当 HRT 由 5h 缩短至 2.5h 时，微生物与底物之间的接触时间过短，最终导致了处理效果的下降。

结束语：

本研究以实际污水为研究对象，采用火山岩为滤料，对A/O池处理低浓度化工污水的可行性进行了研究，利用小试反应器探究了在不同水力停留时间下，反应器的处理效果以及主要的产甲烷菌群的变化，以期为A/O池工艺在化工污水厌氧处理的应用与推广中提供指导。

参考文献：

[1]陈洪斌，戴晓虎，李辰，et al. 污水AO-MBR处理与回用[C]// 中国土木工程学会全国排水委员会年会. 2012.

[2]某污水厂AO和倒置AO工艺脱氮除磷性能分析[J]. 环境工程学报，2015，9（5）：2185-2190.

[3]佚名. 一种改良节能AO生活污水处理系统：，CN107162189A[P]. 2017.

论文作者:王向军

论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期

论文发表时间:2019/7/30

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