1. 引言
众所周知，温度和碳源是影响生活污水处理的两个重要因素。
在生物脱氮除磷过程中，需要消耗易降解有机物作为碳源，根据常规脱氮除磷机理，为了保证脱氮除磷效果，BOD5/TKN至少要大于4~6 [1]，厌氧段污水BOD5/TP应大于32 [2]。而实际生活污水普遍具有低C/P的特点，一般情况需要大量的外加碳源 [3]，使得污水处理的成本提高。在此基础上部分城镇污水厂选用改进AAO、UCT、氧化沟等工艺，采用分段进水，取消了消化液回流，使得碳源可以充分地被脱氮和除磷利用 [4]。但是这仍然基于常规反应途径，当进水碳源有限时难以满足反应过程的需求。新型反硝化除磷技术利用反硝化聚磷菌(DNPAOs)，NOx-N为电子受体，分解胞内储存的聚羟基链烷酸(PHAs)，利用产生的能量吸磷，以一种机制同时进行脱氮和除磷，实现了“一碳两用” [5]，TP的去除率高达90%、TN去除率为70% [6]。
但在高寒地区，反硝化除磷工艺的效果受到了限制。一方面低温会降低污水处理系统的效能，污水生化处理系统一般发生在20℃~30℃范围内，在低于15℃的环境下硝化与反硝化作用的速率明显下降，4℃以下大部分微生物进入休眠期甚至死亡，此时污水处理系统的硝化作用几乎停止 [7]。另一方面延长了启动过程，系统一般需要28 d才能达到稳定运行的状态，且出水氨氮指标不能满足标准 [8]。因此，有学者在SBR反应器中，通过两阶段的性能(厌氧–厌氧–缺氧(A-O-A)和厌氧–缺氧(AeA))，从PAOs中富集DNPAOs，使在15℃环境下，对COD、TP、TN的去除率分别为93.31%、83.59%、89.79%，但低于15℃时，菌群活性任然受到限制 [9]。
我国北方生活污水恰好具有低C/P和低温这两个特点，C/P一般在28~100，冬季污水处理温度为5℃~10℃。本研究将综合这两个因素，模拟北方生活污水，从混合液悬浮固体浓度(MLSS)、污泥负荷和污泥龄三个方面入手，改变AAO工艺反硝化处理生活污水运行参数，探究出水效果。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验装置
本实验采用自制有机玻璃反应器，采用AAO方式运行。反应区的有效水深为220 mm，有效容积为63.4 L，依次为厌氧区域、缺氧区域和好氧区域，体积比近似为1:2:3，厌氧区和缺氧区各设置一个搅拌器。厌氧区底部置进水管，以蠕动泵控制进水量，后部置污泥回流管连接沉淀池的排泥管，通过蠕动泵进行控制污泥回流量，缺氧区与好氧区后部置硝化液管，好氧区后部设置曝气管，外部与曝气装置相连，内部连接曝气条，尾部设置出水管与沉淀池的进水管相连。沉淀池的有效水深为400 mm，半径为300 mm，有效容积为21.1 L。
2.2. 实验用水水质
原水采用主要试剂为乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，微量元素为氯化铁、硫酸亚铁、氯化钴等，表1为具体配比。
Table 1. Experimental water quality
表1. 实验用水水质
2.3. 水质指标分析方法
Table 2. Analysis method of each index
表2. 各指标分析方法
2.4. 实验方法
活性污泥取自哈尔滨文昌污水处理厂，经过1个月的驯化培养，反应器初期污泥浓度稳定在3500 mg/L左右，BOD负荷在0.141 [kgBOD/(kgMLSS*d)]左右，将其投入反应器进行实验，共分为五个部分。第一部分，配置112.7、56.35、28.18、18.87四种不同浓度梯度的C/P的污水，运行10 d后检测出水水质TP，得到最适的C/P范围；第二部分，通过冰袋对污泥设置8℃~11℃、5℃~8℃两点系列梯度浓度的低温，对污泥进行低温驯化，并对出水水质的COD氨氮、TP进行测定记录，并在温度达到5℃~8℃污泥性能稳定后进行下一步；第三部分，通过提高污泥浓度改善污水水质，将污泥浓度提高到7000 mg/l记录出水水质；第四部分，在上一阶段条件不变的情况下同时提高其污泥负荷到0.201 [kgBOD/(kgMLSS*d)]记录其出水指标；第五部分，进一步提高其污泥龄到17 d，根据表2各指标分析方法，检测其出水水质，与低温下的出水水质进行对比，探究工艺改造的方向。
实验参数：进水流速为200 mL/min，消化液回流流速17%，硝化混合液(内循环)回流比为100%~200%，污泥回流比为100%，AAO系统污泥龄为16 d，MLSS为5000~7500 mg/L，MLVSS为3500~5500 mg/L，曝气量为4*3 L/min。
3. 结果与讨论
3.1. 进水C/P影响
当进水COD浓度稳定在300 mg/L时，增大TP浓度即大C/P，以此改变进水条件，探究污水中的TP去除率的变化。实验分别把C/P分为I、II、III、IV 4个区间，分别为112.70、56.35、28.18、18.78。(见图1)
污水中的C/P为112.70时，进水TP为1 mg/L时，运行10 d后最大的TP去除率可以达到51%，平均去除率达到约26%。出水中TP的浓度为0.49 mg/L。C/P为56.35时，进水中的TP浓度为2 mg/L时，运行10 d后其TP最大去除率可以达到约61%，出水中TP浓度为0.78 mg/L，平均去除率达到约40%。C/P为28.18时，TP浓度为4 mg/L时，运行10 d后其TP的最大去除率达到约74%，平均去除率约为49%。C/P为18.78时，TP的浓度为6 mg/L时，运行10 d后其TP的最大去除率约为62.3%，平均出去率约为46%。可以看出，C/P比是影响除磷系统能否正常运行的决定性因素之一，但C/P比太低小于20 mg/L，进水碳源难以满足聚磷菌的营养需求而导致释磷不充分，影响好氧阶段磷的吸收，CP比增大在一定程度上会提高除磷效果，但C/P比过高(超过50)会导致进入好氧段的COD太高而使聚磷菌被聚糖菌淘汰掉 [10]，导致其去除效果不理想。所以，该工艺的最适碳磷比在30左右。
Figure 1. TP removal efficiency under different C/P conditions
图1. 不同C/P条件下TP去除效率
3.2. 低温影响
第一阶段前半部分为活性污泥的适应期。此时MLSS稳定在5000 mg/L，BOD负荷为0.141 [kgBOD/(kgMLSS*d)]，污泥龄为12 d。使反应池内温度控制在8℃~11℃。其他条件不变。在此阶段活性污泥中的异养微生物的生长代谢受到低温影响，由图2、图3和图4可知，运行初期测得的COD去除率仅有12%，氨氮为36.25%，TP为5.83%。这是由于温度突然的下降，活性污泥内的异养微生物活性大幅降低，导致处理效率极低。运行3 d之后去除率有了一定程度的提升，随着时间的增加上升幅度也加大。该阶段的最后一天，各参数达到了此阶段最高的去除率，COD 46.67%，氨氮为42.25%，TP为15%。该阶段说明低温对微生物处理污水有个关键性影响，温度越低，微生物活性越低，活性污泥内细菌的驯化适应的时间更长，活性污泥中的异养微生物的生长周期变长，反应器内需要适应新温度的时间也就越长，对污水处理有不小的影响。尤其是对除P的影响，低温影响了聚磷菌的生长代谢 [11]，使得反应器厌氧释磷，好氧吸磷的过程受到了抑制，使得总磷的初始去除率极低。
第一阶段后半部分为活性污泥的逐渐稳定期。在污泥适应预低温的条件下，进一步降低温度到5℃~8℃。由图2、图3和图4可知，该阶段前3 d的各参数去除率比适应期的还要低，之后，COD和氨氮去除率开始进行缓慢增长，但TP的去除率却持续下降，这是因为低温严重影响了活性污泥中聚磷菌的低的总活性，一周之后才有所增长。该稳定阶段后期COD去除率变化幅度较小，在30%上下小幅度波动，证明已达到极限，最高去除率为33%，比第一阶段的最高去除率低了将近13%。该阶段表明微生物适应低温条件后，处理效率陆续有所起色。但与水质标准相比依旧相差甚远，因此需要改变其他条件来达到预期处理效果。
3.3. 污泥浓度影响
第二阶段，反应器内污水水温与上一阶段保持一致仍为5℃~8℃，其他条件不变，MLSS提高到7000 mg/L。由图2、图3和图4可知，此阶段反应器COD、氨氮去除率呈线性增长趋势，COD的平均去除率为40.07%，比上一阶段COD平均去除率23.67%高出了16.4%，且在最后一天达到了该阶段最高去除率49.33%；氨氮的平均去除率为50.25%，比第二阶段平均去除率41.67%高8.58%，最高去除率为52.44%也比上一阶段最高去除率高了约7%。TP去除率前期上升，中后期逐渐平稳，虽然污泥浓度提高，菌群增多，但相应的污泥负荷降低，污泥内源呼吸减少，导致活性污泥处理污水的效能受限。第三阶段的TP平均去除率为37.43%，比上一阶段TP平均去除率14.24%高出23.19%，且本阶段最高去除率为40.17%，出水水质均 < 5 mg/L，达到了TP的三级排放标准。
3.4. 污泥负荷影响
第三阶段，其他条件与第二阶段保持不变，污泥负荷提高0.201 [kgBOD/(kgMLSS*d)]。随着污泥浓度的提高和活性污泥中的微生物的长期适应，微生物生物量以及单元去除能力逐渐提高，单位质量的活性污泥在单位时间内所去除的污染物的量有所提高，所需要的对碳源的需求也增多。因此第四阶段，通过增加进水流量，相应的来提升污泥负荷。此时的COD、氨氮、TP去除率之间的增长趋势无太大差别，均呈缓慢增长且增幅较低。由图3-2、图3-3和图3-4可知，该阶段COD去除率平均值为52.27%，比上一阶段平均去除率40.07%高了12.2%，最高去除率57.68%比第三阶段高了8.35%；平均氨氮去除率为58.85%，比第四阶段平均去除率50.25%高了8.6%，最高去除率60.75%比上一阶段高了8.31%；平均TP去除率为46.13%，比第三阶段TP平均去除率37.43%高了8.7%，最高去除率47.33%，较上一阶段上升了7.16%，三项指标去除率增幅明显较上上一阶段小，且此阶段依旧只有TP达到了三级排放标准。
3.5. 污泥龄影响
第四阶段，其他条件与第三阶段保持不变，污泥龄更改为16 d。污泥龄直接关系着污泥活性和微生物菌群的特性，由于低温使得微生物运行周期延长，原先12 d的污泥龄使得反硝化聚磷菌和异养菌未完成消化与反硝化作用而被逐步排出 [12]，菌群的减少导致污水的处理效果变差，因此选择提高污泥龄至16 d来进一步提高处理效率。各参数去除效率波动中逐步提高，由图2、图3和图4可知最终运行结果。该阶段COD去除率平均值为65.13%比第二阶段COD去除率平均值52.27%高出13.14%，COD最终去除率达69%，最终出水COD为93 mg/L，达到生活污水二级排放标准；TP去除率平均值47.50%比第三阶段高了2.37%，TP最终去除率达50.33%，最终TP出水为2.98 mg/L，达到生活污水二级排放标准；平均氨氮去除率为62.75%，比上一阶段升高了约4%，氨氮最终去除率达63.50%，最终氨氮出水为14.6 mg/L，达到生活污水一级排放标准中的B标准。
Figure 2. Reactor influent and effluent COD and COD removal efficiency
图2. 反应器进、出水COD和COD去除效率
Figure 3. Reactor influent and effluent ammonia nitrogen and ammonia nitrogen removal efficiency
图3. 反应器进、出水氨氮和氨氮去除效率
Figure 4. Reactor influent and effluent TP and TP removal efficiency
图4. 反应器进、出水TP和TP去除效率
4. 结论
本研究与前人不同之处在于，其他相关研究采用工艺大多与本实验不同，如AO、SBR等传统工艺，本实验采用了改进的AAO工艺，其已被广泛用于处理生活污水；其次，目前国内对于低温(10℃)、低C/P条件下处理生活污水的相关研究较少，改变反硝化处理生活污水运行参数来提高污水处理效率的实验大多都针对的是常温条件下的生活污水，而对北方生活污水的冬季低温污水处理的指导性和针对性不强。尽管其他研究的出水COD及氮、磷等指标一般可稳定于一级A标准，但其实验数据及结果对北方生活污水尤其是冬季污水处理的参考价值有限。
本实验得出的结果是，进水C/P影响AAO除磷效果，最适碳磷比在30左右。提高污泥浓度和污泥龄，可以抵消低温对除磷效果的影响。在低温(5℃~8℃)、低C/P (50)的条件下，采用AAO反硝化除磷工艺，将污泥浓度提高到7000 mg/L左右，污泥龄提高到17 d，在污泥负荷为0.201 [kgBOD/(kgMLSS*d)]时，处理实验室自配污水(COD:TN:TP = 300:30:6)。出水水质中COD达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中的二级标准，氨氮达到一级排放B标准，TP达到三级标准。
NOTES
*通讯作者。