A 2 O-HPB工艺应用于污水厂提标扩容的中试研究 钟言 1 ，韩红波 1 ，易境 1 ，柴晓利 1，2 ，戴晓虎 2* (1. 湖南三友环保科技有限公司，长沙，410205；2. 同济大学环境科学与工程学院，上海，200092；)
A 2 O-HPB工艺应用于污水厂提标扩容的中试研究
钟言 1 ，韩红波 1 ，易境 1 ，柴晓利 1，2 ，戴晓虎 2*
(1. 湖南三友环保科技有限公司，长沙，410205；2. 同济大学环境科学与工程学院，上海，200092；)
摘要
：针对某污水处理厂存在的进水碳源不足、水量冲击、无新建用地等问题，采用A
2
O-HPB工艺进行现场中试，考察该组合工艺的处理效果和稳定性。结果表明，在不投加碳源和除磷药剂的条件下，出水COD、NH
3
-N、TN和TP分别为5.02～15.19 、0.05～0.37、3.9～5.73、0.12～0.27mg/L，COD、NH
3
-N和TN的去除率相比现状污水处理厂分别提升了1.25%、13.28%和23.56%；日处理水量翻倍，出水COD、NH
3
-N、TN和TP分别为5.7～16.46、0.07～0.21、2.55～4.03和0.08～0.18mg/L，稳定优于湖南地标一级。复合粉末载体的投加和载体分离回收系统的使用，提升了系统内的微生物总量，克服了脱氮和除磷菌泥龄矛盾，强化了污泥的沉降性能，大幅提高了系统的抗冲击负荷能力。可见，A
2
O-HPB工艺适用于该污水处理厂的提标扩容。
近年来，随着城市化进程的不断加快和污水排放标准的日益严苛，许多城市污水厂需进行提标扩建，然而改造工程存在无新建用地等问题，因此，如何实现生化池的原池提标扩容尤为关键。HPB技术通过向生化池投加复合粉末载体，为微生物提供丰富的附着点位，提高生化池中的有效生物量；同时通过载体回收分离单元，实现双泥龄，同步提升脱氮除磷的效率。高浓度复合粉末载体生物流化床(HPB)技术具有出水水质稳定、耐冲击负荷强、占地省等优点，可实现生化池原池提标扩容，并在工程项目中得到验证。湖南省某污水处理厂设计总规模为15万m
3
/d，主体工艺为粗格栅+细格栅+旋流沉砂池+二段式生物接触氧化池+纤维转盘滤池+紫外消毒池，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。随着环保要求的不断提高，需对该厂进行提标扩容，改造后总处理规模将达到20 万m
3
/d，出水水质执行《湖南省城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB43/T 1546-2018)一级标准（简称：湖南地标一级）。然而，其提标扩建面临进水碳源不足、水量冲击、无新建用地等问题，拟采用A
2
O-HPB工艺进行现场中试，研究组合工艺的脱氮除磷效果及适宜的运行参数，为该污水处理厂的提标扩容提供技术支撑。
A
2
O-HPB中试系统由A
2
/O生化池、二沉池、载体分离回收装置组成，A
2
/O生化池有效容积为44.75m
3
，二沉池有效容积为19.88m
3
，如图1所示。其中，A
2
/O生化池中厌氧：缺氧：好氧容积之比为1：1.1：2.2，厌氧池、缺氧池和好氧池均设置有搅拌器，好氧池采用微孔曝气装置进行曝气。载体分离回收系统由
加压泵和复合粉末载体水力旋分器
组成，通过载体分离回收系统进行排泥，利用密度差将复合粉末载体和附着微生物与悬浮微生物及杂质分离，实现对剩余污泥中的载体和附着微生物回收循环利用。通过PLC控制系统实现运行参数的设置和调控。
图1 A 2 O-HPB工艺流程图
1.2试验材料与分析检测方法
复合粉末载体主要包括基础粉末载体硅藻土（Diatomaceous earth，简称 DE）和功能性超细粉末载体硫铁矿（Pyrite，简称 PY）。试验进水采用污水厂曝气沉砂池出水，其水质特征为：COD为64～318mg/L；氨氮（NH
3
-N)浓度为4.84～11.77mg/L；总氮(TN)浓度为10.76～20.56 mg/L；总磷(TP)浓度为0.88～4.32mg/L；pH为6.9～7.6。
COD采用快速消解比色法测定；NH
3
-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定；MLSS和MLVSS采用烘干称量法测定；SVI值采用静置沉降法测定；
pH和溶解氧采用电极法测定；载体形貌特征通过普通光学显微镜与扫描电子显微镜测定。
1.3试验方法
中试试验分为3个阶段，具体见表1。阶段I为启动阶段，向装置内投加复合粉末载体提升污泥浓度，维持现状污水处理厂相同的HRT进行载体挂膜，同步
启动载体分离回收单元进行排泥，实现复合粉末载体的回收循环，后续运行过程中复合粉末载体每日补充量控制在5mg/L；阶段II为稳定测试阶段，主要考察A
2
/O-HPB工艺在设计工况下的运行效果；阶段III为水量冲击阶段，水力停留时间缩短至5.37h，日处理水量翻倍，考察系统的抗冲击负荷能力。
表 1不同工艺阶段运行参数
采用扫描电子显微镜对挂膜前后载体的微观形貌进行分析。由图 2a可知，DE呈圆筛状和原柱状，壳体表面较为光滑，分布着大量孔径大小不一的多孔状结构。DE具有较大的比表面积和良好的生物亲和性，可为附着型微生物的生长繁殖提供栖息场所。PY呈不规则块状结构，粒径分布在1～10um，可作为自养反硝化的电子供体
，通过共沉降均匀负载于 DE表面 (图2b)。从图2c可以发现，污泥絮体与载体紧密结合，富集了大量的丝状菌、杆菌、球菌等微生物，提高了系统内的微生物数量，有利于污染物的去除。
图 2 载体挂膜前后的SEM图象
测试期间厂区和中试系统的 COD变化情况如图3所示。进水COD为77.2～293.72mg/L，波动较大，厂区出水COD为9～29.75mg/L，平均去除率为88.84%。中试系统出水COD的变化规律分为3个阶段，阶段I出水COD为5.05～15.92mg/L，平均去除率为92.11%，该阶段载体处于挂膜状态，COD去除率提升主要归因于复合粉末载体具有较大的比表面积，可通过吸附作用实现污染物的快速富集，同时载体在系统内处于全流化状态，增加了微生物、溶解氧和污染物的接触几率，有利于系统对COD的去除
。而阶段 II和阶段III，水力停留时间缩短至7.16h和5.37h，出水COD分别为5.02～15.19mg/L和5.7～16.46mg/L，平均去除率相较于阶段I分别提升了1.25%和3.11%，可稳定达标湖南地标一级，表明系统具有良好的抗水质水量冲击能力。载体挂膜后系统对COD的去除进一提升，分析原因为载体投加提升了系统内的微生物量，同时有利于某些泥龄较长的专性微生物富集，在生长代谢过程中消耗更多COD
。
图 3 对 COD的去除效果
2.3 NH 3 -N的去除效果分析
由图4可知，进水NH 3 -N为4.84～12.46 mg/L，厂区出水NH 3 -N为0.43～2.03mg/L，平均去除率为84.90%，以湖南地标一级分析，在统计的44d运行数据中，NH 3 -N超标率为22.73%，造成NH 3 -N超标的主要原因为进水营养相对匮乏，接触氧化池中填料挂膜效果较差，硝化细菌总量不足。中试系统从阶段I到阶段III，水力停留时间从10.74h逐步缩短至5.37h，出水NH 3 -N稳定低于0.5mg/L，平均去除率高达98.07%，远优于湖南地标一级。由此可知，系统具有良好的硝化活性，分析原因：（1）复合粉末载体的投加，为世代周期较长的硝化菌生长繁殖提供了栖息场所，提升了系统内硝化菌的数量；（2）复合粉末载体的投加提升了系统内的生物量，微生物的生长代谢可利用部分NH 3 -N ；（3）载体分离回收系统的水力剪切作用可将活性较差的絮体污泥筛选淘汰，而活性较强的的硝化污泥附着在载体表面通过回收在系统内富集，因此系统具有良好的抗冲击性能，实现对NH 3 -N的稳定去除。
图4 NH 3 -N去除效果
2.4 TN的去除效果分析
由图5可知，进水TN为10.76～20.56mg/L，厂区出水TN为6.55～9.61mg/L，平均去除率为46.62%，出水TN偏高，存在一定的超标风险，表明现状污水厂的反硝化能力不足。中试系统阶段I出水TN为5.43～9.87mg/L，平均去除率为46.45%，波动较大。随着系统的运行，载体挂膜完成，中试系统对TN去除逐步提升。阶段II和阶段III出水TN下降至3.9～5.73mg/L和2.55～4.03mg/L，平均去除率分别提升至70.01%和79.50%。通常认为进水水质满足COD/TN≥8时，脱氮反应才能完全进行，试验期间COD/TN仅为3～7.5，全过程未投加碳源，出水TN远低于设计值的10mg/L。A
2
/O-HPB工艺可强化脱氮原因如下：（1）复合粉末载体的投加和载体分离系统的使用，增加了系统内硝化和反硝化菌的数量和活性；（2）复合粉末载体中的PY可为自养反硝化提供电子供体，在系统内形成异养-硫自养反硝化，减少对有机碳源的依赖，提高了系统的的脱氮效果
；（3）复合粉末载体可于污泥絮体结合形成更紧密的结构，有利于在好氧区形成好氧/缺氧的微环境，为同步硝化反硝化创造了条件
。
图 5 TN去除效果
2.5 TP的去除效果分析
测试期间厂区和中试系统的TP变化情况如图6所示。进水TP为0.88～4.32mg/L，厂区出水TP为0.1～0.19mg/L，平均去除率为93.92%，现状污水处理厂通过絮凝剂的投加实现了出水TP的稳定达标。中试系统各阶段的出水TP分别为0.1~0.24 mg/L、0.12～0.27mg/L和0.08～0.18mg/L，平均去除率分别为89.55%、92.2%和95.5%，未投加除磷药剂，可稳定达标湖南地标一级。分析原因如下：（1）载体分离回收系统将载体和附着微生物进行回收利用，将富磷剩余污泥及时排出系统，在生化段实现了双泥龄，强化了脱氮除磷的效果；（2）PY在微生物和溶解氧的作用下，产生的Fe
2+
和Fe
3+
可与磷酸盐发生化学反应形成难溶的磷酸盐沉淀；（3）此外，部分Fe
3+
在水解作用下形成含铁的羟基络合物，通过吸附架桥及卷扫作用加快磷的去除
。
图 6 TP去除效果
2.6 污泥特性分析
通过对 MLSS、MLVSS和SVI在中试系统变化规律的分析来考察复合粉末载体投加对污泥特性的影响，MLSS和MLVSS是表征污泥中活性组分的重要参数，SVI则可较好的反映污泥沉降性能
。由图 7可知，接种污泥的MLSS和MLVSS分别为4.22g/L和2.11g/L，相应的MLVSS/MLSS为0.50。阶段I通过连续投加复合粉末载体快速提升污泥浓度，阶段I结束时MLSS和MLVSS分别为7.97g/L和2.92g/L，MLVSS/MLSS下降至0.37 ，MLVSS含量升高从侧面反映出复合粉末载体的投加有利于促进系统内微生物的增值
。随着系统的运行，系统内的 MLVSS/MLSS占比趋于稳定，这是因为载体分离回收系统实现了大部分载体及附着微生物的回收。此外，可以发现接种污泥的SVI为83.04mL/g，复合粉末载体投加后SVI值出现明显下降，运行第44d，SVI下降至61.96mL/g。通常情况下，SVI值下降，污泥沉降速度加快，这表明复合粉末载体的投加可有效改善污泥的沉降性能。分析认为，复合粉末载体具有较大的比表面积，易于活性污泥中的菌胶团结合，改善絮凝体结构；载体本身可作为增重剂，增加絮体的强度和密度，降低污泥塑性，提高污泥沉降速率
。
图 7 MLSS、MLVSS及SVI的变化规律
（1）采用A 2 /O-HPB工艺进行污水处理厂提标扩建中试，在水力停留时间为7.16 h、内外回流比为100%、好氧区的DO为1.5～2 mg/L，出水COD、NH 3 -N、TN和TP的平均去除率分别为93.36%、98.18%、70.01%和92.2%，出水浓度分别为5.03～15.19mg/L、0.05～0.37mg/L、3.9～5.73mg/L和0.12～0.27mg/L，稳定达标湖南地标一级。
（2）A 2 /O-HPB工艺具有良好抗水量冲击能力，日处理水量翻倍，出水COD、NH 3 -N、TN和TP的平均去除率仍高达95.22%、98.07%、79.5%和95.5%。
（3）复合粉末载体的投加为微生物生长提供栖息场所，促进了系统内的微生物生长，提高了系统内的微生物总量；复合粉末载体投加后可明显改善污泥的沉降性能，SVI值由83.04下降至61.96mL/g，提高了A 2 /O-HPB工艺的污水处理能力。
（4）A 2 /O-HPB工艺可在不投加碳源和除磷药剂、日处理水量翻倍的工况下，实现出水TN和TP的稳定达标，有效降低项目的投资及运营成本，可应用于该污水处理厂的提标扩容。
