摘要
随着全球水资源状况越来越复杂以及水体富营养化的不断扩散，我国环保监测部门根据我国污水处理不达标的严峻情况，加大对了水处理行业的监管力度。传统污水处理厂由于工艺简单，设备老旧导致出水不达标，政府部门严格按照最新规定对一些老旧污水厂进行提标改造。鉴于我国城镇生活污水水质碳氮比较低，且大多数污水处理厂工艺都是单一的传统活性污泥法，这就会面临不同种类微生物对有机物的竞争而造成脱氮除磷不能达到理想效果，若对其进行额外的碳源投加，又会大幅增加污水处理成本，且额外生成的剩余污泥会造成二次污染。特别就北方城市而言，冬季室外气温相对较低，造成污水厂脱氮性能下降，出水氨氮浓度严重超标。因此，如何实现城镇污水处理厂的高效稳定脱氮除磷使出水水质达到更高的标准，是建设生态文明和可持续发展的关注热点。 本课题采用多级A/O生物膜+BAF组合系统，其中在多级A/O的好氧池中投加悬浮填料（聚乙烯鲍尔环），填料上附着生长的生物膜具有良好的传质性，能为不同功能的微生物提供了良好的生长环境，增加了系统微生物量的同时增强了整个系统抗冲击和抵抗低温的能力，此外，生物膜也使得污泥在系统中的停留时间有所提高，进而增强系统硝化和反硝化脱氮除磷效果。由于生活污水属于典型低碳氮比（C/N）废水，所以该组合工艺采用连续流三段进水，按照不同流量分配方式进行流量分配，以提高碳源利用率，并在最前端设置厌氧格，进行充分释磷为后续聚磷提供充足的驱动力，进而增强脱氮除磷效果。BAF中从下到上依次设置生物填料层和活性炭吸附层，采用上流式运行方式，在生物填料层实现深度硝化反硝化，在活性炭吸附层完成对难降解有机物及部分氮磷的吸附去除，进而强化出水水质。此外，采用CentralComposite响应面法设计批次试验探究HRT和曝气强度双因素交互影响下系统去除污染物的性能并对其进行优化，主要研究结论如下： （1）多级A/O生物膜+BAF组合系统启动阶段，调节水温为20℃左右，三级A/O池容比V厌氧:(V缺氧:V好氧)3=1:(1:2)3，三段进水流量分别为6.67、4、2L?h-1，污泥回流比为100%，HRT=9h，污泥龄15d。进水NH4+-N、TP和COD浓度分别介于59.02~82.31mg·L-1、3.89~6.73mg·L-1和182.54~341.20mg·L-1之间，运行20d后多级A/O生物膜反应器和BAF出水NH4+-N和NO3--N浓度均值分别为稳定在4.55、1.60mg·L-1、和7.28、5.69mg·L-1，系统NH4+-N整体去除率最终保持在98%左右；出水TP浓度均值分别为1.27和0.85mg·L-1，最终去除率大于89%；出水COD浓度均值分别为34.03和20.47mg·L-1，终端去除率超过90%，此时多级A/O生物膜+BAF组合系统完成启动。 （2）按照等停留时间、等容积负荷和等污泥负荷三种不同的流量分配方式对多级A/O生物膜工艺+BAF组合系统进行三段配水，探究不同配水方式对组合系统脱氮除磷性能的影响。研究发现，当进水有机物浓度在182.54~331.20mg·L-1之间，按等容积负荷（Run1）、等停留时间（Run2）和等污泥负荷（Run3）进行流量分配，COD平均出水浓度分别为34.55、24.95和36.35mg·L-1，COD平均去除率分别可达到85.77%、89.82%和85.49%。就氮素而言，NH4+-N平均出水浓度分别为1.72、0.73和1.80mg·L-1，NH4+-N去除率分别为96.10%、98.14%和97.13%。平均出水TN浓度依次为14.37、9.88和13.82mg·L-1，TN去除率分别为81.32%、87.47%和82.70%。三种进水流量分配方式下，出水TP浓度均值依次是0.94、0.31和1.03mg·L-1，各自去除率依次为81.10%、94.35%和80.67%。结果表明，按照等停留时间进行流量分配时，综合出水效果最佳，各类污染物出水浓度都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。此外，通过对沿程污染物变化研究发现，约80%左右的氮素、有机物和总磷在多级A/O生物膜系统中得到降解，BAF主要在填料层发生同步硝化反硝化完成TN的强化去除，在活性炭吸附层完成对TP和COD的吸附去除。在等停留时间（Run2）时，系统膜生物量最高，各级污染物降解去除效果最佳。 （3）当起始COD、NH4+-N、TN和TP浓度均值依次为249.14，71.21，79.96和5.19mg·L-1，通过设置HRT为10h、9h、8h和7h时，COD出水平均浓度各自依次为18.30、20.05、23.59和26.68mg·L-1，出水NH4+-N平均浓度分别2.22、1.16、1.95和4.19mg·L-1，出水TN浓度均值依次为12.47、9.09、10.57和15.36mg·L-1，出水TP分别为0.91、0.31、0.48和1.24mg·L-1。结果表明，当HRT=9h时，组合系统脱氮除磷效果最好，出水水质最佳，各指标均低于一级A标准。 （4）为探究曝气强度对多级A/O生物膜工艺+BAF组合系统脱氮除磷性能的影响，以及HRT和曝气强度双因素对整个系统性能的交互影响，采用CentralComposite响应面设计了正交批次实验。结果表明，在一定曝气强度范围内，各类污染物去除率均随曝气强度的增大而上升，当曝气强度设置为120L·h-1时出水水质最佳，BAF末端COD、NH4+-N、TN和TP浓度均值依次为17.76、1.21、8.71和0.32mg·L-1,去除率分别为92.80%、98.28%、88.97%和94.14%，当超过150L·h-1时出水水质逐渐恶化。响应面法分析得知，在水力停留时间（HRT）和曝气强度双因素正交影响下，组合系统中COD、总氮和总磷去除率均受显著影响，回归方程分别为Y1=+92.64+2.44×A-2.46×B-3.76×AB-2.49A2-10.05B2,R2=0.8802;Y2=+93.57+0.24×A+0.3×B-0.95×AB-5.83A2-8.67B2,R2=0.9703;Y3=+96.76+4.28×A-1.01×B+0.19×AB-10.92A2-11.05B2,R2=0.9626，且P值均小于0.0001。其中HRT和曝气强度对TN和TP影响最为显著。
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