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在A2O工艺中污水组成对于脱氮除磷的影响以及控制
１、摘要
用一个有着稳定脱氮除磷性能的实验室厌氧—缺氧—好氧（即A2O）生物反应器来进行测试以确定进水中C/N比（溶解性化学需氧量/总氮）和C/P比（溶解性化学需氧量/总磷）对模拟啤酒废水的生物脱氮除磷的影响，同时，这些系统之中存在的空间型物体像溶解氧、PH、氧化还原电位传感器等都将被研究。结果表明，C/N比对于总氮、总磷的去除效率以及从缺氧段到好氧段的磷的吸收有着显著的影响。当进水中的C/N保持在7.1到5时，总氮和总磷的分别去除效率能够达到最高。此外，当总回流比保持在3.5时，发现从缺氧段到好氧段的磷的吸收比例与进水中的C/N比成线性相关的关系，这个系数为R2（R=0.685）。虽然进水中的C/P比对于总氮的去除效率影响不大，不过它对于总磷的去除效率有重要的影响。此外，在进水中的C/P比为42的时候，总磷的去除效率能够达到最高。另一方面，通过观测一些典型的因素像溶解氧、PH、氧化还原电位传感器，能够发现它们在不同C/N比、C/P比的进水中有着相似的趋势。有人建议使用简单的在线传感器，这样，构筑物的运行状态就很一目了然了。
2、关键词
A2O工艺；C/N比值；C/N比值；溶解氧；PH；氧化还原电位。
3、试验程序
这个研究所用的模拟啤酒废水包含（每公升）：啤酒为（乙醇含量3.5%）2.8–3.4 mL；氯化铵为0.20–0.3 g；磷酸二氢钾为0.02–0.08 g；七水硫酸镁为0.05 g；碳酸氢钠为0.05–0.15 g；二水氯化钙为0.01 g。PH通过加碳酸氢钠和氢氧化钠的手段使之控制在7.2–7.6，温度控制在20–22ｏC。当进水流量为150 L/d，内循环比和污泥回流比分别控制在3.2 和 0.5，溶解氧控制在2–3 mg/L，污泥龄大约为12天时，厌氧、缺氧、好氧反应器中的污泥龄相应为3天，2.4天和6.6天。
在整个实验中，混合液悬浮固体浓度（MLSS）都维持在3,000±500 mg/L。把进水中的C/N比和C/P比分别控制在3到12和18到62之间，因为C/N比和C/P比被认为是在A2O工艺中影响脱氮除磷的两个独立变量。A2O反应器多花了两倍的细胞停留时间来获得稳定的C/N比和C/P比。这个反应器中装着的是从文昌污水处理厂（中国哈尔滨）运来的活性污泥。这个系统花了两个月的时间来获得了一些性质稳定的模拟啤酒废水，这个实验进行了大概一年，并且实验分成了两部分，实验数据见图一中的a、b与表一。
图一：a图与b图

图a.总氮去除效率随进水C/N比的变化曲线 图b.总磷去除效率随进水C/P比的变化曲线
表一：整个实验时期数据

第一部分：C/N比
第二部分：C/P比
3.5
5.0
7.1
9.5
23
34
45
55
COD
(kgCOD/m3day)
0.66
0.87
0.97
1.02
0.96
0.93
0.97
0.99
TN
(kgN/m３day)
0111
0.135
0.173
0.197
0.139
0.140
0.141
0.138
TP
(kgP/m3 day)
0.021
0.021
0.018
0.020
0.041
0.027
0.023
0.018
4、结果与讨论
①　 进水中C/N比对N、P去除的影响
图a、b分别表示了当进水中C/N比保持在40—45时，在不同C/N比的条件下TN和TP的去除效率，从图a中可以看出，当C/N比从3增加到7.1时，总氮的去除效率保持着稳定的增长；当C/N比为7.1时，总氮的平均去除效率能够达到80.3%。然而，当C/N比从7.1增加至12时，总氮的去除效率则逐渐的下降。
在下表二中可以看出，当进水的平均C/N比大约为3.5时，总氮的去除效率为67.2%，出水总氮浓度为24.18mg/L。在这种情况下，有机污染物负荷仅仅只有0.66 mgCOD/(m3/d)，硝酸盐浓度在好氧段末段区域的浓度仅为25.2mg/L，造这种现象的主要原因就是水中原储存的PHB加上外来的碳源进入缺氧区，这样就降低了从好氧区末端循环过来的硝酸盐的相关浓度。
表二：在不同区域不同C/N比条件下总氮、总磷、COD、NO3——N的浓度

在下表三中能够看出，COD/NOx仅为1.64 kgCOD/kgN；然而，为了实现完全的脱氮，没有生物量增长造成的PHB储存的影响，C/N比是理论上的最小值，这个值为2.86 kgCOD/kgN。但是由于微生物的生长繁殖，C/N比通常在4kgCOD/kgN左右，所以，不可能实现完全意义上的脱氮。当进水C/N比从3.5增加至7.1时，相应的总氮去除效率增加了12.99%。因而，进水中C/N比的提高能够使总氮的去除效率提高， 因为相应的COD/NOx从5.42kgCOD/kgN增加至了9.89kgCOD/kgN。但是当进水中的C/N比从7.1增加到9.5时，总氮的去除效率有些轻微的减少，从去除率为80%处（出水浓度为7.5）减少至去除率为76.42%（出水浓度为9,5），即使是在缺氧区相应的COD/NOx比增加到了14.28kgCOD/kgN。结果表明，硝化作用的能力能够在某种程度上被有机负荷达1.02mgCOD/（m3·d）的高浓度进水所抑制。在表二中可知，出水硝酸盐浓度与出水总氮浓度的比例从95.4%（浓度为7.5）减少至81.7%（浓度为9.5）。
另一方面，这样的趋势也能够从图b中看出来，当C/N比从3增加到5时，这导致了总磷的去除效率逐渐的增加，总磷的平均去除效率要大于90%，这就意味着出水总磷的浓度要小于1mg/L。这显示了进水中的C/N比即使很低，不过因为有反硝化聚磷菌的存在，所以C/N比对总磷去除效率的影响也不是很大，然而，当C/N比从5增加至12时，总磷的去除效率有些减少，并且在C/N比高于7.5的时候它几乎是呈直线的减少。
表三：缺氧区在不同进水C/N比条件下C/NOx 比和 C/PO4比

有一些学者指出，在厌氧区，再高的有机负荷，可利用的CAD也不会被聚磷菌完全地利用，多余的COD则被聚糖菌的生长繁殖所利用，这就导致了活性污泥中聚磷菌的减少。根据表二，能够进行如下计算：随着有机负荷的增加，释放每单位磷所要消耗的COD也在逐渐的增加，当进水中C/N比为3.5，5.1，7.1和9.5时，释放每一单位磷所需要的COD值分别为4.94，5.96，7.29和18.24mgCOD/mgP。此外，进水中C/N比越高，由于碳源过多的缘故，硝化作用的效率就越低，同样，因为COD/PO4值过高，导致了缺氧段磷去除的不充分，这个COD/PO4值能够达到26.54 kg COD/kg P（理论上最小的C/P比为18 kg基质COD/kg P），这就减少了磷的去除效率的进一步增加。所以，总磷的去除效率随着C/N比的增加而降低。
②　 进水中C/P比对N、P去除的影响
图二：a图与b图

a：总氮去除效率随进水C/P比的变化曲线 b：总磷去除效率随进水C/P比的变化曲线

从图二可以看出在进水的C/P比不同时，总氮和总磷的去除效率的变化情况，进水中C/N比保持在7—7.5。从图二.a中能够看出来C/P比很难影响到总氮的去除效率，在有机负荷恒定的情况下，且在进水中的C/P比不同的情况下，总氮的去除效率要高于75%。
表四：在不同区域不同C/P比条件下总氮、总磷、COD、NO3——N的浓度

在上表四中可以知道，在缺氧区，当四个C/P比的平均值分别为55,45,34,和23时，NO3——N和的去除效率分别在70%—85%、60%—71%之间。根据表五，进水有机负荷几乎都一样，进入缺氧区的PHB的浓度随着进水中C/P比的增加而减少。然而COD浓度则随着进水中C/P比的增加而增加。结果表明，厌氧池中的大部分的COD都被合成成了PHB，PHB提供了内部碳源来完成C/P比很低的时候的脱氮作用，当情况相反时，即C/P很高时，实验结果与Ma等人的报告结果相一致。另一方面，过量的COD进入缺氧区，造成C/P比很高，这这就抑制了缺氧段磷的吸收，但缺氧区的COD/NOx比值总是大于需求值，正如表五所显示的那样（最小值为6.61kgCOD/kgN大于4kg基质COD/kgN）；脱氮剂被作为外部碳源来快速地完成脱氮作用。因此，进水中C/P比的变化很难影响到总氮的去除效率。然而，当C/P比从21.9增加到42时，总磷的去除效率随着C/P比的增加而增加，在C/P比接近42的时候，总磷的平均去除率要高于97%，然后从图二.b中可以看出，总磷的去除率随着C/P比值的增加（从42增加到66.5）而减少。

表五：不同的进水C/P比值下缺氧段中C/NOx比值、C/PO4比值

Yagci等人说明了在C/P比值比较高的情况下，现存的有机碳（主要为VFA）要多于所必需的碳源的数量，并且要供应所有可以利用的磷，但是因为磷是有限的，这样的结果那就是全部的磷都被去除了。然而，当磷不再受低C/P比的限制时，磷的储存容量还受到缺乏可溶性有机碳的限制，并且强化生物除磷不能去除所有的磷，所以出水中总是会有一定浓度的磷。结果就是，磷的去除效率竟然戏剧性地随着C/P比的增加而减少。基于表五，实验的结果同样与Yagci等人的报告结果相符。能够看出COD/PO4比随着进水中C/P比的增加而增加，当进水C/P比为45时，COD/PO4比为18.63 kgCOD/kgP，这个值要大于Zeynep等人说的必须的最小值：18 kgCOD/kgP。由于可溶性有机碳的缺乏限制了磷的储存容量；结果就是，随着C/P比从42增加到66.5时，总磷的去除效率反而减少。另一方面，菲利普等人观测到，在强化生物除磷工艺系统中，聚糖菌的存在对于磷的去除能力有着重要的影响；在强化生物除磷工艺中，聚磷菌以前的竞争性优势已经没有了，因为聚糖菌在同一条件下使用的是同一种基质（有机酸）；但是强化生物除磷系统中，如果有大量的聚糖菌积累，则有机酸的供应是有限的；对聚磷菌来说，可利用的有机酸的百分比减少了，因而系统去除磷的能力降低了。在表四中能够看出，COD去除效率的趋势与不同进水C/N比值得趋势类似。不管进水的C/P比值是多少，COD的平均去除效率总是高于89%。
5、结论
用一个有着稳定脱氮除磷效果的实验室A2O反应器系统来进行处理模拟啤酒废水的实验，这个实验进行了将近一年的时间，主要用来测试不同进水中的C/N、C/P比值对生物养分去除的效果；同时，在进水中C/N、C/P比值不同的情况下，对这些系统中间的溶解氧、PH以及氧化还原电位感应器进行测试。结果显示，进水中的C/N比对于总氮和总磷的去除效率有重要的影响。当C/N比值在范围5—7.1之间时，能够达到总氮和总磷的最佳去除效率。此外，在总回流比恒定的情况下，发现从缺氧区到好氧区的磷的吸收与进水中的C/N比呈线性关系。进水中的C/N比对于总磷的去除效率有重大的影响，然而对于总磷的去除效率却几乎没有影响。当进水中C/P的比值为42时总磷的去除效率达到最高。同样也发现进水中的C/N、C/P比值对COD的去除效率没有什么影响。另一方面，结果显示，在不同的进水C/N、C/P比值下，一些典型的数据像溶解氧、PH、氧化还原电位感应器都能够被观测到。建议使用简单的在线传感器，这样的话系统的运行状态能够很清楚，那就是，在A2O工艺中使用溶解氧、PH和氧化还原电位感应器，这些传感器都支持建立过程控制系统以便对于系统的运行状态进行及时的调整。