STOTEN: 世界首创无污泥循环的A/O水处理反应器及工艺
● Denitrifiers and nitrifiers were enriched in A and O tanks with no biomass exchange.
● The kinetics in both tanks increased by at least 27% with no biomass exchange.
● The kinetics steadily decreased as the ratio of biomass exchange increased.
● The two-stages of the vertical baffled bioreacetor (VBBR) had distinct communities.
● The two-stage VBBR increased TN removal ratio by 22% over than classic A/O process.
摘要•看点
在城市生活污水处理领域，传统的A/O或A2/O水处理工艺是当今世界的主流工艺，该工艺的优点是通过内循环方式充分地利用进水中有限的碳源，提高了总氮的去除率。但该工艺存在最大的缺点是在水处理过程中，水与污泥一起在缺(厌)氧(A)和好氧(O)池间循环流动，使得在A池内存在大量的硝化菌，而在O池内又存在大量的反硝化菌，由此导致硝化和反硝化效率都不高。此外，传统的A/O污水处理工艺中，缺(厌)氧池的运行方式很容易使溶解氧溶入其中，导致有限的有机碳源利用率较低，因此传统A/O污水处理工艺总是难以做到总氮的高效去除。
本新工艺将缺(厌)氧与好氧VBBR串联在一起，形成一套新颖的反应器系统(如图1所示)。该系统有效地克服了传统A/O工艺的缺点，在循环过程中污泥固定不动而只有水的循环。此外，前段的缺(厌)氧反应器(An-VBBR)，由于可以严格限制溶解氧的侵入，从而可以极大地提高有机碳源的利用率，进而实现“极限脱氮”。
图1 无污泥循环的A/O污水处理反应器及工艺示意图
本研究首先从实验室小试开始，分别设计了有、无污泥交换的硝化和反硝化实验来模拟传统A/O水处理工艺的泥水循环情况。研究发现，相比有50%的污泥交换，无污泥交换时，硝化和反硝化反应速率要快1.5倍和4.2倍，该实验结果如图2所示。
图2 不同污泥交换量条件下的硝化和反硝化速率
当将好氧VBBR(Ox-VBBR)与缺氧VBBR(An-VBBR)串联在一起用于实际的城镇污水处理时，在不同回流比(R)条件下，进出水的COD、氨氮和总氮的浓度变化如图3所示。
图3 好氧与缺氧VBBR串联处理城镇污水时进出水浓度的变化,其中Effluent (1)和(2)分别表示An-VBBR和Ox-VBBR的出水
从图3可以看出，在回流比为200%时，最后出水总氮的平均浓度仅有1.5 mg/L，达到了极限脱氮的水平。与此同时，传统的A/O工艺处理相同的城镇生活污水时，其进出水中COD和总氮的平均浓度如图4所示。比较图3和图4可以看出，组合VBBR工艺相比传统A/O工艺，COD和总氮去除率平均提高了6%和22%。
图4 传统A/O工艺处理相同城镇污水时进出水的COD和总氮浓度
作用机理
新型的组合VBBR水处理工艺之所以可以实现高效的总氮去除率，一方面在于An-VBBR可以严格限制溶解氧的侵入，从而高效地利用了进水中有限的有机碳源。另一方面，如图5所示，两个VBBR中拥有明显不同的微生物群落，即An-VBBR内反硝化菌占绝对优势，而Ox-VBBR内硝化菌占绝对优势。由此各反应器内的微生物均可以充分发挥它们的作用，因此在硝化和反硝化过程中，可以发挥出最大的脱氮效果。而传统的A/O水处理工艺中，好氧池(Ox-tank)和缺氧池(An-tank)中的微生物群落分布非常相似。即好氧池中有相当多的反硝化菌，而在缺氧池中又有相当多的硝化菌。正是由于这种硝化和反硝化菌在反应器运行过程中不停地混合，使得传统A/O水处理工艺的硝化和反硝化效率较低。而新型的组合VBBR则有效地克服了这一缺点。
图5 新型的无污泥循环反应器和传统A/O工艺中微生物群落分布. 其中An-VBBR和Ox-VBBR分别表示无污泥循环的缺氧和好氧VBBR, An-tank和Ox-tank表示传统A/O工艺中的缺氧池和好氧池. Upper和Lower分别表示VBBR的上部和下部
本论文得到环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(清华大学)开放基金(16K10ESPCT)的资助，环境科学2018级博士研究生陆沁园、2018级硕士研究生周隽清和2019级博士研究生朱格为共同第一作者，张永明为通讯作者，合作者包括美国工程院院士，斯德哥尔摩水奖获得者Bruce E. Rittmann教授。
论文作者
本文由上海师范大学环境与地理科学学院张永明教授提供