中试规模AAO-曝气生物滤池双污泥系统的启动运行

张勇，王淑莹，赵伟华，孙事昊，彭永臻，曾薇

（北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

中试规模AAO-曝气生物滤池双污泥系统的启动运行

张勇，王淑莹，赵伟华，孙事昊，彭永臻，曾薇

（北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京 100124）

AAO-曝气生物滤池（BAF）是污泥龄差距较大的双污泥系统，可在低C/N条件下实现氮、磷的同步去除。本试验以低碳氮比的城市污水为处理对象，研究了处理量为40～100 m3·d−1的大型中试级别的AAO-BAF脱氮除磷工艺的启动运行。通过先使AAO和BAF独立运行以分别培养驯化聚磷菌活性污泥和硝化细菌生物膜，待分别观察到AAO出水TP及BAF 出水NH4+-N浓度稳定后，再将两部分连通运行的策略，使得在第58天时系统出水COD、4NH-N+、TN、TP、浊度、SS分别小于50 mg·L−1、5 mg·L−1、15 mg·L−1、0.5 mg·L−1、5NTU、10 mg·L−1，表明该中试系统已成功启动。与小试研究比较发现，分开运行更有利于聚磷菌的培养驯化；BAF中采用自然挂膜法较接种污泥法更方便，但增加了填料挂膜的时间。根据微生物群落多样性分析，发现AAO中的硝化细菌丰度少于3%，而BAF生物膜上的硝化细菌的丰度占到12%以上。本试验可为该工艺的实际工程应用提供一定参考。

双污泥系统；生物膜；反硝化除磷；低C/N；污水；降解

引 言

传统的反硝化脱氮是指反硝化菌利用碳源作为电子供体，3NO−作为电子受体，将3NO−形态的N还原为N2排入空气中实现脱氮的过程，在处理低碳氮比的城市生活污水时，一旦碳源不足就会影响到反硝化脱氮的进行；另外，传统的生物除磷是指聚磷菌（PAOs）通过厌氧释磷与好氧吸磷过程将原水中的磷储存在细胞内，然后随着排泥而排出水体，实现污水中磷的去除。除磷过程中，厌氧释磷需要碳源，好氧吸磷过程需要氧气。所以，传统生物脱氮除磷工艺（如AAO工艺）中，原水中的碳源往往不足以满足厌氧释磷及反硝化两个部分的消耗，并且其曝气量也要满足硝化和好氧吸磷两部分的需要。反硝化聚磷菌（DPAOs）能以厌氧释磷过程中储存的聚羟基链烷酸酯（PHAs）作为电子供体，以作为最终电子受体，在缺氧条件下以“一碳两用”的方式同时除磷和脱氮， 从而将传统生物除磷和反硝化两个独立过程耦合，实现了碳源和氧消耗量的节省[1-5]。由于硝化菌的泥龄长于聚磷菌，单污泥系统中硝化细菌与聚磷菌一直存在泥龄冲突：一方面，若要达到好的除磷效果必须缩短泥龄；另一方面，若要达到好的硝化效果又必须保证硝化菌有足够的时间生长。以上所述的碳源、DO、泥龄等局限性使得传统单污泥系统脱氮除磷工艺很难达到脱氮与除磷二者俱佳的效果[6]。AAO-曝气生物滤池工艺（即AAO-BAF工艺）是在AAO工艺与BAF工艺的基础上建立的双污泥系统，该工艺将硝化过程从AAO中分离出来，在BAF中完成硝化，从而解决了硝化细菌与聚磷菌泥龄的冲突。而从曝气生物滤池中回流的3NO−又为AAO池中的DPAOs进行反硝化除磷提供了充足的电子受体，从而解决了传统反硝化所需的碳源不足的问题，并且P的去除中有很大一部分是通过反硝化除磷过程去除的，这也减少了好氧吸磷所需的曝气量。目前该工艺已有许多实验室规模的研究，实现了良好的脱氮除磷效果，并积累了大量的实验数据[7-10]，然而，至今仍没有该工艺的中试及以上规模的应用研究，而小试研究与中试及以上规模的试验研究通常都会有较大的差距，故本文对大型中试规模的AAO-BAF工艺的启动运行过程进行了一定的研究分析，来验证小试的研究结果，并与小试研究做对比，希望能为该工艺在实际工程中的应用提供更有意义的启动经验及数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置与方法

图1 中试AAO-BAF系统的装置示意图Fig.1 Schematic diagram of pilot-scale AAO-BAF system

AAO-BAF系统由AAO生化池、二沉池和曝气生物滤池3个主体反应器以及2个中间水箱组成（图1）。AAO池为经过防腐处理的铁质长方形反应池，池子分为9个格室，每格体积为4 m3（有效体积3.5 m3），共计36 m3。通过开关蝶阀来调节污泥回流、硝化液回流以及曝气进入反应池的位置，可调节厌氧、缺氧及好氧段的起始位置。厌氧段以及缺氧段用搅拌器进行搅拌，好氧段有穿孔塑料管作为曝气器，用回转式鼓风机进行曝气。二沉池为竖流式，其筒体直径D=3.2 m，h=3.4 m；污泥斗高度h=1.7 m，澄清区V=27 m3。BAF为圆柱形上向流的反应器，内部投加悬浮塑料填料，填充比为55%。BAF的内径为1.7 m，高为6 m，在距离底部1.5 m的高度处装有孔隙为5 mm的栅网作为填料的承托层，在距离顶部1.5 m处也装有一个同样的栅网，用于阻挡填料随出水流出。悬浮填料在水流及气流的作用下在有效体积为6.8 m3的容器内处于流化状态。在BAF底部装有布水管，进水能均匀进入圆柱形反应器的整个断面。在下部栅网的表层安装有穿孔曝气管，用回转式鼓风机曝气。中间水池容积为4.48 m3，清水池容积为12.4 m3。各部分进水流量及曝气量均由变频器变频控制。

潜污泵将沙河再生污水处理厂曝气沉砂池出水抽到本系统的AAO池的厌氧段，同时进入该厌氧段的还有来自二沉池的回流污泥，在此进行厌氧释磷反应。厌氧段的混合液流入缺氧段，同时进入该缺氧段的还有来自清水池的硝化液，从而进行反硝化除磷反应。缺氧段的混合液流入AAO系统的好氧段，聚磷菌在此进行好氧吸磷从而将经过反硝化除磷后剩余的磷吸收，此外好氧段通过曝气将产生的氮气吹脱。好氧段出水经过二沉池的泥水分离作用，使得含有磷的污泥沉在泥斗，而含有氨氮的上清液流入中间水池再抽到BAF中完成硝化作用，BAF的出水流入清水池。清水池中的水一部分回流到AAO的缺氧段，另一部分作为最终出水排出。

1.2 废水来源与水质

本试验处理的污水来自北京市昌平区沙河镇的城市污水，试验阶段水质特点见表1。

表1 进水水质特点Table 1 Characteristics of influent

1.3 分析项目及方法

FISH所采用探针[12]（表2）均以1:1:1 混合为PAOmix，GAOmix，EUBmix。FISH图片采用OLYMPUS DP72数字成像系统采集。

在系统稳定运行后，取出少量BAF中的填料，放入纯水中进行搅拌收集脱落的生物膜，用纯水清洗后进行冷冻烘干，另外从AAO的好氧段取少量活性污泥清洗后冷冻烘干。然后由美吉生物医药科技有限公司对这两个样品进行微生物群落多样性分析，微生物群落多样性分析的设计PCR扩增引物及tag序列[13]见表3。

表2 FISH所采用的探针Table 2 FISH probes taken in experiment

1.4 试验条件与运行环境

本试验是在环境温度下运行的，接种污泥初期AAO池进水流量为1m3·h−1，一周后正常排泥，AAO的进水流量也逐步提高至设计流量2.5 m3·h−1，HRT为11.2 h，污泥回流比为150%，通过排泥控制SRT为20 d，MLSS维持在3000 mg·L−1左右，好氧段DO维持在1.5 mg·L−1。曝气生物滤池的DO维持在7 mg·L−1。系统连通运行后硝化液回流比先后为100%、200%。

表3 设计PCR扩增引物及tag序列Table 3 Design PCR amplification primer and sequence tag

图2 FISH图片Fig.2 FISH pictures

2 结果与讨论

2.1 微生物培养驯化的策略与结果分析

生物脱氮除磷工艺启动的关键在于微生物的培养与驯化，具体对于AAO-BAF工艺而言，即为AAO中反硝化聚磷菌（DPAOs）的培养驯化，以及BAF中填料上硝化细菌的挂膜。

本试验从以下两个部分进行了污泥培养与驯化。2.1.1 DPAOs的培养驯化 启动之初在AAO池中接种污泥，种泥来自北京市沙河再生污水处理厂的浓缩污泥，AAO池中初始污泥浓度约为1000 mg·L−1，然后进污水进行连续培养。AAO系统此时并没有硝化液回流，而是按照厌氧/好氧（A/O）的方式运行以培养驯化聚磷菌（PAOs）。厌氧段与好氧段的容积比为6:2。较小的好氧段容积使得混合液在好氧段停留时间较短，这抑制了AAO系统中硝化菌的生长及硝化反应的进行，从而保证了回流污泥中不会含有大量硝态氮而破坏厌氧段的厌氧环境，同时进入厌氧段的原水COD也全部提供给了聚磷菌进行释磷，有利于聚磷菌的生长[14-16]。AAO系统此时名义水力停留时间约为11 h。

种泥所在水厂是以化学除磷为主，取泥日前后3 d水厂AAO池进水、厌氧末及好氧末的TP均值分别为3.21、2.46和1.87 mg·L−1，由此可知其厌氧末段基本无释磷，故可推断出种泥中聚磷菌含量低或者活性不足。水厂厌氧段没有释磷也可能是由于水厂的回流污泥中含有3NO-N−，破坏了厌氧环境并且在厌氧段发生反硝化消耗了原水中的COD，使得其厌氧段没有发生释磷。为分析种泥中具体是聚磷菌活性不足还是含量不足，本试验采用了荧光原位杂交（FISH）技术检测，检测后发现接种污泥中聚磷菌含量极少[图2（a）、（b）]，故可确定种泥的生物除磷效果不佳是由于聚磷菌含量不足的原因。在以厌氧、好氧容积比为6:2的AO方式培养驯化后，厌氧段释磷量随着运行时间逐渐增加，到第20 d时厌氧段释磷量基本稳定（图3）。此阶段AAO池的污泥浓度（MLSS）为3000 mg·L−1左右，SRT约为20天。再通过FISH技术检测发现活性污泥中的聚磷菌含量大幅度增加[图2（c）、（d）]。由此可知本系统已经按此驯化方法将含聚磷菌较少的种泥培养驯化成了含大量聚磷菌的活性污泥。

图3 驯化培养阶段AO系统中的TP浓度变化Fig.3 Variations of total phosphorus in AO system during state of culture

2.1.2 硝化细菌的挂膜 含较低COD浓度、较高氨氮浓度的沉淀池出水流入中间水池后用泵抽入BAF中，BAF以闷曝气的方式（BAF出水口DO维持在7 mg·L−1左右）进行悬浮填料的自然挂膜[17]。初期，BAF采用间歇进水，将曝气生物滤池中注满二沉池出水后进行曝气，约8 h后将水排出。再次进水重复运行，每天曝气运行两个周期。由于挂膜之初BAF中生物量很少，所以采用间歇进水的方式运行，这避免了采用连续流的方式所带来的微生物易随出水流失的问题，并且使得所生长的硝化菌有更长的时间与填料接触形成生物膜。另外考虑到BAF中只是为了硝化，所以不应使异养菌以及其他菌种过多生长，故本试验选择不在BAF中接种污泥，而是用含较低COD浓度、较高氨氮浓度的二沉池出水提供底物氨氮进行自然挂膜。可观察到填料的颜色也从最初的白色逐渐变为灰褐色（图4），取出填料可在填料内侧孔洞中发现有一层生物膜附着。从挂膜期间BAF每天的出水氨氮浓度随着挂膜时间而逐渐降低（图5）可以看出这是一层具有硝化作用的生物膜，说明BAF中逐渐挂上了含有硝化细菌生物膜。此法在省去了接种污泥的操作、节省了BAF进水泵持续进水的能耗的同时，同样能在短期内使得BAF中的填料上挂上足够量的硝化细菌生物膜。

图4 BAF内生物填料颜色的变化Fig.4 Variations of bio-filler color in BAF

图5 自然挂膜阶段BAF的每日进出水氨氮浓度变化Fig.5 Variations of-N concentration in BAF during biofilm formation

2.2 AAO与BAF连通运行策略与结果分析

根据以上分析，经过一个月培养驯化的AAO池与BAF分别具有了稳定的释磷和硝化能力，于是在第34天将AAO与BAF连通运行，即BAF开始连续进出水曝气，将其出水作为硝化液，部分回流到AAO的缺氧段，此时AAO的厌氧、缺氧、好氧段体积比为2:4:2[9]。

在本试验的AAO池中，其最终目的是要达到反硝化聚磷菌利用硝态氮作为电子受体将磷酸盐吸收从而达到同步除磷和脱氮的效果。但是由于初期富集的聚磷菌只能利用氧气作为电子受体，而利用硝态氮的能力较弱，故前期硝化液回流比不应过大，以使微生物有适应驯化的过程，于是本试验在连通运行开始的10 d内采用100%的硝化液回流比，之后增大到200%。从图6可以看出，在连通运行之初，系统对COD就有着稳定去除效果，出水COD浓度维持在50 mg·L−1以下。此外可看出，原水中的COD主要是在AAO池中完成去除的，其中在厌氧末端通过聚磷菌的厌氧释磷作用对COD的去除达到50%左右，占到系统总的COD去除的70%～80%，与之前小试的研究结果一致[10]，这也从侧面反映了系统中已经具有足够多具备活性的聚磷菌。系统出水TP在运行初期出现了几次较大幅度波动，主要是由于系统运行不稳定，在二沉池中出现了二次释磷现象[18-19]。随着系统的稳定运行，系统对TP的去除效果也逐步稳定，出水TP维持在0.5 mg·L−1以下，由于此阶段回流至缺氧段的-N较少，以及聚磷菌利用-N的能力还较弱， TP去除主要还是通过好氧段的好氧吸磷来去除的。

图6 连通运行后系统COD和TP浓度的变化Fig.6 Variations of COD and total phosphorus concentration after continue running

从图7可以看出，连通运行初期BAF的硝化能力较差，之后BAF中氨氮去除率逐渐增大。分析原因是由于此阶段BAF中的HRT较间歇进水闷曝气阶段大大缩短，致使BAF的氨氮容积负荷大幅度增加（从180 g·m−3·d−1增加至340 g·m−3·d−1），以至于BAF的硝化能力无法满足。随着系统运行时间的增加，BAF中填料上的硝化细菌对较高负荷的氨氮逐渐适应并且填料上生物量逐渐从初期每m3填料200 g增大至每m3填料400 g，可看到硝化效果逐步改善，-N去除率逐渐增大。在缺氧末端取样测得初期回流的少量-N在缺氧段均被反硝化利用了，于是在第10天将硝化液回流比增加至200%，但从图中可看到增大硝化液回流比后，出水-N却在之后一段时间内保持平稳不变，分析原因主要是因为AAO系统中聚磷菌此时利用-N的能力还较弱，出水-N浓度随着BAF硝化效果的改善而增加，加之增大回流比使得回流至缺氧段的-N浓度增大却不能被聚磷菌完全利用，故随着出水流出以至于出水-N浓度及TN浓度并没有减少。故在今后的实际工程中，增大硝化液回流比的操作可根据BAF的硝化能力而进行调整，适当增加回流比的梯度，以免在AAO池中产生-N积累，严重的将会破坏AAO池的厌氧环境影响释磷。随着聚磷菌反硝化吸磷能力的增强（即DPAOs的驯化），出水-N浓度开始逐渐降低；系统在连通运行第24天时，出水TN与-N浓度分别达到15、5 mg·L−1以下。从图6、图7所示COD、TP和-N的去除情况可看出，在系统TP与COD去除达标后约20 d，-N去除才接近达标，这表明BAF中硝化细菌的生长挂膜是本试验的关键步骤，而非反硝化聚磷菌的培养驯化。与之前所做小试研究相比[20]，本试验AAO池中聚磷菌的培养驯化较快，而BAF中的硝化细菌培养则较慢。二者主要启动差别在于本试验是以分开的方式培养驯化两个菌种，AAO池以AO模式运行了较长的时间，在这段时间内污泥一直保持较长的厌氧停留时间，这有利于聚磷菌的生长。而陈永志等[20]在初期便将二者连通以AAO模式运行，使得此时系统的厌氧停留时间较短，不利于含聚磷菌较少的初期活性污泥进行厌氧释磷储存VFA，从而不利于聚磷菌的培养驯化[21]。而陈永志等采用在BAF中接种活性污泥进行闷曝气，使得其BAF的启动较本试验更快，故在实际工程中，若条件方便，可采用在BAF中接种污泥的方法以缩短挂膜时间。综上所述，AAO-BAF系统的启动应采用在AAO和BAF中分别接种污泥，分开培养的方法，从而获得最快启动。

图7 连通运行后系统氨氮和硝态氮浓度的变化Fig.7 Variations of-N and-N after continue running

图8 BAF和AAO中微生物群落结构组成Fig.8 Diagram of microbial community structure composition in BAF and AAO

2.3 活性污泥与生物膜的微生物群落多样性分析

为了解本系统AAO池与BAF中各自微生物群落特性及区别，对其中微生物进行了微生物群落多样性分析。从图8可以看出，在硝化细菌的量上，AAO与BAF中存在明显差别，具有代表性的硝化细菌如Nitrospira、Nitrosomonas和Candidatus Nitrotoga在BAF中生物膜上的丰度共占到12%以上，而AAO中仅有少量Nitrospira，其丰度不足3%。这从分子生物学角度表明了该系统已成功将硝化从AAO中分离开。但是， 硝化细菌所占的12%的丰度仍然不高，对于进水底物主要为4NH-N+的BAF中为何硝化细菌的量仍然大大少于其他菌种，分析原因可能是虽然进入BAF的只有少量难降解有机物，但在BAF中充足曝气的条件下仍有少量有机物得到降解被生物膜上的适应了低浓度有机物的异养菌充分利用。试验也测得BAF出水COD浓度要比BAF进水COD浓度低0～10 mg·L−1。而即便是这少量的COD所供养的异养菌，其生长速率仍然要比自养的硝化细菌快得多，故填料上积累了大量非硝化细菌的生物膜。但具体原因及生长速率差距还需要进行进一步研究。

3 结 论

（1）对于中试或生产性规模AAO-BAF，采用AAO与BAF分别独立培养驯化聚磷菌和硝化细菌的方式可更简便地实现系统中微生物的培养驯化，且较连通运行更有利于聚磷菌的培养驯化；

（2）对于AAO系统中聚磷菌的培养驯化，通过AO方式运行，在启动之初就减小好氧段容积（厌氧段与好氧段体积比为6:2）并维持较低的好氧段DO（约为1.5 mg·L−1），可在较短时间（20 d）内培养驯化出大量具备释磷和吸磷活性的聚磷菌；

（3）BAF中生物膜上硝化细菌的丰度占到12%左右，远大于活性污泥中的硝化细菌丰度；

（4）本试验用58 d的时间完成AAO-BAF的中试系统启动运行，处理城市污水可使最终出水COD、-N、TN、TP、浊度、SS分别小于50 mg·L−1、5 mg·L−1、15 mg·L−1、0.5 mg·L−1、5NTU、10 mg·L−1，AAO-BAF系统的启动应采用在AAO和BAF中分别接种污泥，分开培养的方法，从而获得最快启动。

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Start-up of pilot-scale AAO-BAF two-sludge system

ZHANG Yong, WANG Shuying, ZHAO Weihua, SUN Shihao, PENG Yongzhen, ZENG Wei
(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Engineering Research Center of Beijing,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

Anaerobic/anoxic/oxic (AAO)-biological aerated filter (BAF) is a two-sludge system with different SRT, which can remove nitrogen and phosphorus simultaneously in the low C/N condition. The startup of a pilot-scaled AAO-BAF system with capacity of 40—100 m3·d−1used for treating real domestic sewage was studied in this experiment. The AAO and BAF run independently in order to cultivate and acclimate the phosphorus accumulating organisms (PAOs) and nitrifying bacterial biofilms, respectively. When the TP concentration of AAO effluent and4NH-N+concentration of BAF effluent were found keeping stable, the two parts were combined. With this operation strategy, the effluent concentration of COD,4NH-N+, TN, TP, NTU and SS was lower than 50 mg·L−1, 5 mg·L−1, 15 mg·L−1, 0.5 mg·L−1, 5 NTU and 10 mg·L−1in the 58th day, respectively, indicating the successful setup of the pilot-scaled process. Comparing with the lab-scale study, the separate running had more advantage in cultivating PAOs. The formation of natural biofilm in BAF was more convenient than the method of inoculated sludge, but needed longer time. According to the analysis of microbial communitydiversity, the abundance of nitrobacteria was less than 3% in the AAO system, however, it was higher than 12% on the biofilm in BAF. This experiment can provide a reference for practical engineering application of the process.

two-sludge system; biofilm; denitrifying phosphorus removal; low C/N ratio; waste water; degradation

Prof. WANG Shuying, wsy@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150188

X 703.1

：A

：0438—1157（2015）10—4228—08

2015-02-05收到初稿，2015-04-24收到修改稿。

联系人：王淑莹。

：张勇（1989—），男，硕士研究生。

国家高技术研究发展计划项目（2012AA063406）；北京市教委科技创新平台项目。

Received date: 2015-02-05.

Foundation item: supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2012AA063406) and the Scientific Research Base and Scientific Innovation Platform of Beijing Municipal Education Commission.