MAAO系统由原水箱、反应器、终沉池三部分连接组成.原水箱容积75 L.MAAO系统由有机玻璃构成,有效容积14 L,共分为4级,每一级由厌氧、缺氧、好氧3个区域组成,厌氧/缺氧/好氧体积比为1:2:4,从第一级到第四级共分为12个区域.二沉池为竖流式,总体积为9 L.系统通过反应器好氧区底部安装的砂芯曝气头进行鼓风曝气,通过调整玻璃转子流量计来调整曝气量.各池顶部设有恒速搅拌装置.搅拌电机为24 V直流电机,转速为200 rpm.进水和分流通过小型蠕动泵控制,污泥回流由蠕动泵控制.

如图1所示,系统共有4级进水,3级分流,进水比为本级进水量与整个系统的总进水量之比,分流比为去往下一级厌氧池的污泥量与本级缺氧池总流出污泥量之比.

图1 MAAO工艺原理(A、A'、O分别为厌氧区、缺氧区、好氧区)
Fig.1 Schematic diagram of MAAO step feed process(A、A'、O means anaerobic zone, anoxic zone, aerbic zone)

用于MAAO反应器接种的活性污泥取自西安市某处理厂二期工程(MAAO工艺)的第四级好氧区污泥进行自然驯化.污水处理厂长期运行稳定,进水为城市生活污水,出水水质长期达到一级A标准.驯化三周后反应器二沉池出水悬浮物(SS)小于20 mg·L^-1,系统达到稳定.实验使用人工配水模拟生活污水,总体上保持进水基质浓度为定值,配水使用无水乙酸钠和葡萄糖按照提供COD 1:1的比例做为碳源,以氯化铵为氮源,磷酸二氢钾为磷源,具体配水水质为见表1.每升配水中添加0.4 mL微量元素^[13].

NH4⁺-N、NO^-₂-N、NO^-₃-N、TP按照标准方法测定^[14],COD由快速消解仪(哈希,美国)测定.DO由便携式溶氧仪(HQ40 d,哈希,美国)测定,温度由酒精温度计测定.

MAAO系统在室温(19～22 ℃)条件下运行.整个实验期间总进水流量为28.8 L·d^-1,污泥龄控制为10 ～12 d,污泥回流比为100%,混合液回流比为75%.具体运行条件见表2.厌氧、缺氧段DO控制在0～0.35 mg·L^-1,好氧区DO维持在0.5～1.2 mg·L^-1.

表1 原水水质
Tab.1 Raw water quality

系统通过SND(Simultaneous nitrification and denitrification)途径去除的氮量和SND率可以通过公式(1)～(4)计算.

N_SND=N_in-N_de-N_ass-N_eff(1)

N_de=N_dn1+N_dn2+N_dn3+N_dn4+N_sec(2)

N_ass=MLSS_waste*f_VSS/SS*V_waste*f_N/bio(3)

SND_efficiency=(N_SND)/(N_in)*100%(4)

式中:N_SND、N_de、和N_ass分别为系统每天通过同步硝化反硝化、反硝化过程和同化作用去除的氮量,g·d^-1; N_in和N_eff为每天进入和排出系统的氮量,g·d^-1; N_dn1、N_dn2、N_dn3、N_dn4、N_sec分别为各段缺氧池和二沉池反硝化作用去除的氮量,g·d^-1; MLSS_waste为剩余污泥浓度,g·L^-1; f_VSS/SS为挥发性污泥浓度与MLVSS与MLSS的比值; V_waste是每天的剩余污泥排放量,L; f_N/bio为活性污泥中氮的含量,取12.39%^[11].

表2 实验运行工况及运行参数
Tab.2 Operation conditions and parameters

各种工况条件下进出水氮浓度和去除率见图2.5种工况下的平均出水氨氮浓度分别为4.41 mg·L^-1、0.45 mg·L^-1、9.65 mg·L^-1、8.03 mg·L^-1、0.74 mg·L^-1,去除率分别为91.4%、99.2%、81.0%、84.9%、98.6%.其中工况一、工况二和工况五的出水氨氮较低,符合国家一级A标准,而工况二和工况五的氨氮去除率最高,出水氨氮量接近于零,硝化反应彻底.对比表2可以看出,从工况五到工况二,总好氧区HRT变化为从125 ～113 min,实际出水氨氮浓度相差不大,系统可以实现对氨氮的高效去除,说明工况五浪费了一定的剩余硝化容量.而工况三和工况四的总好氧区HRT则下降至101 min,由于水力停留时间的限制,使得好氧区微生物没有足够的时间对进水中的氨氮进行完全的氨化作用,导致出水氨氮浓度较高.

图3为沿程各种存在形式的氮在工艺中的沿程浓度变化,表3为五种工况下的氮元素物料衡算结果.工况三和工况四的第一级和最后一级进水量均为25%,从图3(c)～(d)可以看出,最后一级的好氧区无法氧化较多的氨氮,导致出水氨氮含量较高,而硝氮含量比起其他工况则没有很大的变化,所以出水总氮含量偏高是由于系统最后一级硝化能力不足引起的.同时工况三的总氮去除率也明显高于工况四,这说明在第一级的分流比增大时,对于MAAO系统的总体脱氮是有负面影响的.当第一级进水量上升为30%,第四级进水

图2 5种工况下的氮元素变化趋势
Fig.2 Variation profiles of netrogen element with five conditions

表3 五种工况下的氮元素物料衡算结果
Tab.3 Results of nitrogen element material balance under different condition

从图3中可以看出,MAAO系统中除了传统的硝化反硝化过程和微生物的同化作用脱氮以外,在好氧区存在明显的总氮损失,好氧区氨氮的氧化量远远大于硝氮的产生量,因此MAAO系统存在一定的同步硝化反硝化现象.如表3所示,系统通过传统的硝化反硝化过程去除的氮量在21%～39%,5种工况条件下的SND作用去除的氮含量占进水总氮比例依次为28%、25%、10%、7%、29%.即在各个工况下,系统均出现明显的SND现象,而且在SND效率较高时,系统的总氮去除量也较高,可见SND在一定程度上有利于总氮的去除.同时本研究发现,同化作用在MAAO系统中占比也较大,分别为27%、30%、28%、32%、18%.

目前对SND理论有宏观缺氧理论、微观缺氧理论和生物学理论.而本研究中出现SND现象的原因可能有以下2点:(1)由于好氧池物理外形为长条形,在单点曝气的情况下,存在曝气不均匀现象,这会在一定的程度上使得好氧池存在局部区域DO较低甚至处于缺氧状态,而且还会导致污泥絮体内部出现DO的梯度变化,由外到内DO浓度依次减少,絮体内部可能会处于缺氧环境;(2)系统中可能存在好氧反硝化细菌,这会导致好氧池同步硝化反硝化现象的发生^[16].

图3 各工况下NH+4-N、NO-3、NO-2沿程变化规律
Fig.3 NH+4-N、NO-3、NO-2 concentration in different level under different operational conditions

图4为系统进出水TP浓度和TP去除率变化情况.5个工况下的平均出水TP浓度分别为0.39 mg·L^-1、0.15 mg·L^-1、2.49 mg·L^-1、2.13 mg·L^-1、1.09 mg·L^-1,平均去除率分别为91.2%、96.5%、49.9%、58.1%、75.6%.

图5为不同工况下TP沿程变化和各池净去除量,从中可以看出,第一级厌氧池的TP释磷量从工况一到工况五并无明显变化,这是因为第一级厌氧池承接了来自二沉池的回流污泥导致HRT太小.第一级厌氧池的厌氧HRT分别是19.08 min,18.52 min,20.00 min,20.00 min,16.67 min,而厌氧释磷量较高的厌氧池,其HRT都在25 min以上,所以第一级厌氧池的释磷效率低是由回流污泥量过大,HRT不足引起的.

图4 5种工况下TP变化趋势
Fig.4 Variation profiles of TP with five conditions

图5 5种工况下TP沿程变化和各池净去除量
Fig.5 Change along the way of TP and net removal with five conditions