为满足某大型副食品加工园区综合排水作为流域景观水补水需求，研究以《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅴ类标准为目标，采用新型A2/O+人工湿地系统对园区实际低C/N综合废水进行处理，深度去除废水中氮磷污染物。结果表明，该系统具有高效节能的脱氮除磷效果，以及较强的运行达标稳定性。重点针对系统氮磷去除效能与规律、污泥特性演变及稳定调控策略进行了分析。
东北某大型食品工业园区集乳品、畜禽、果蔬等加工于一体，园内各企业产生的高浓度行业污水经预处理后，与生活污水混合排至园区综合污水处理厂进行集中处理。该综合废水主要污染物为有机物（COD）、氨氮（NH4+-N）和总磷（TP），C/N低，水量、水质随季节变化大。该综合废水经污水厂处理后主要作为纳污河流域补水。“十三五”环境规划中，国家提出了该园区纳污河流域的综合整治目标，即要求其达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）景观Ⅴ类水标准。为满足这一要求，需对园区综合废水进行深度处理。
前期研究表明，笔者开发的新型末端间歇曝气A2/O（PIA-A2/O）工艺，将节能的短程脱氮和反硝化除磷过程高比例地耦合于连续流A2/O中，在降低碳源消耗的同时，可提升氮、磷去除率，适合于低C/N废水的处理。该工艺污泥龄（SRT）长，抗冲击负荷能力强，适应水质水量波动情况。然而，独立的二级生物处理工艺往往不能实现污水深度净化。人工湿地作为一种自然、节能、高效的新兴污水处理技术，已广泛用于对二级生物处理的补充，尤其是潜流湿地，北方使用更多。本研究采用PIA-A2/O+垂直潜流人工湿地系统深度处理该园区综合废水，考察了系统的脱氮除磷效能，并探索了稳定达标运行控制策略。
1材料与方法
1试验装置
反应装置如图1所示。其中，PIA-A2/O反应器总有效体积为180L；通过控制排泥口1和排泥口2的启闭，调控反应器的SRT。人工湿地段由4个垂直潜流湿地模块组成，基质为火山岩和砾石，植物为香蒲，可以通过在不同级段出口监测水质，确定系统达标所需的水力负荷率（HLR）。垂直潜流湿地模块长、宽、高分别为50cm×40cm×30cm，孔隙度约30%。
1—进水；2—搅拌桨；3—蠕动回流泵；4—硝化液回流；5—厌氧段；6—缺氧段；7—好氧1段；8—好氧2段；9—间歇曝气段；10—挡泥板；11—微孔曝气盘；12—集泥管；13—沉淀池；14—人工湿地模块；15—空压机；16—气体流量计；17—微电脑控制器；18—电磁阀；19—排泥口1；20—排泥口2；21—污泥回流；22—出水。
图1PIA-A2/O+人工湿地系统装置
2试验水质与污泥
试验废水取自该园区综合污水处理厂，其水质见表1。通过投加CH3COONa、NH4Cl和KH2PO4改变污染物浓度。接种污泥取自北京某污水厂硝化回流渠，污泥硝化和沉淀特性良好。
表1试验废水水质
3分析方法
总凯氏氮（TKN）采用德国贝尔DigiPREP500凯氏定氮仪测定；DO和温度采用WTWmulti340i型多参数测定仪在线检测；COD、TP、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS、SV30、SVI等指标的测定依据国家环保总局编制的《水和废水监测分析方法》；污泥的反硝化除磷率（DPAO/PAO）采用A.Wachtmeister等推荐的方法测定。
4操作过程及方法
系统各阶段运行工况如表2所示。共分为8个阶段，每个阶段均连续运行1个SRT天数以上。阶段Ⅶ时重新接种污泥启动运行。PIA-A2/O反应器中好氧1段和2段DO分别为1.5、1.0mg/L。
表2PIA-A2/O+人工湿地系统各阶段运行工况
2结果与讨论
1污染物去除及优化调控
系统冲击负荷分别考虑进水污染物浓度和流量的增加。阶段Ⅰ~Ⅵ主要考察浓度冲击负荷情况，阶段Ⅶ~Ⅷ考察流量冲击负荷情况。
（1）COD去除及优化
首先考察了不同运行阶段出水COD的变化。结果表明，随着系统的运行，COD逐级降解，其浓度沿程降低，其中约85%以上的COD在PIA-A2/O段被去除，其次为一、二级湿地段，分别削减COD5%和2.5%左右，三、四级湿地段对COD的去除很少。各阶段中，各湿地模块处理效能基本固定。可以看出，该系统中PIA-A2/O段是污染物去除的控制段，具有调控潜力，是保证系统稳定达标运行的关键。
在阶段Ⅰ~Ⅵ，由于受浓度冲击，PIA-A2/O段出水COD升高。其中，阶段Ⅲ中，当Fr增至1.0kg/（m3˙d）时，出水COD超过GB18918—2002一级A的50mg/L限值，后通过阶段Ⅳ延长SRT为26d，又使COD恢复至50mg/L以下。阶段Ⅴ中，继续增加Fr至1.2kg/（m3˙d），并进一步延长SRT至28.5d，出水COD仍在50mg/L以下。分析认为SRT延长，反应器内MLSS增加，Ns降低（见表2），系统去除污染物总量增加，出水水质得到保障。值得注意的是，PIA-A2/O工艺可在长SRT条件下维持污泥良好性能，这要得益于间歇曝气段的污泥筛选功能。此阶段湿地各级出水COD也保持在较低水平，平均COD分别为31、24、19、17mg/L。然而，当进入阶段Ⅵ后，继续增加Fr，并延长SRT至30d，出水COD陡增到65mg/L，后续各级湿地出水COD也相应升高。这主要因为SRT过长，间歇曝气池内积累MLSS过高，污泥淘洗功能丧失，丝状膨胀所致。
在阶段Ⅶ~Ⅷ，保持进水COD不变，增大流量冲击负荷。在阶段Ⅶa，流量由13.4L/h增加到16.8L/h，HRT降低，各级出水COD上升。但阶段Ⅶb通过增大内、外回流比，PIA-A2/O段出水COD回落到50mg/L以下。同样情况出现在阶段Ⅷ。分析原因，内、外回流比的增加有利于保证污水与污泥足够的接触时间，同时为缺氧段提供碳源，使COD充分降解，从而保证系统出水稳定。
（2）TP去除及反硝化除磷特性
系统不同阶段沿程出水TP的变化如图2所示。
图2PIA-A2/O+人工湿地系统不同阶段沿程出水TP变化
随着Fr的增加，在阶段Ⅲ时，PIA-A2/O段出水TP明显升高，达0.9mg/L，这使后续各级湿地出水TP随之增加，至少需要3级湿地（HLR=0.53m/d）净化才可达标。该段TP去除率虽低，但反硝化除磷率（见表3）则变化不大，这可能是因为反硝化除磷适合的低碳源、低DO、长SRT环境未明显改变。
表 3 PIA-A2/O反应器各阶段TP去除率及反硝化除磷率
阶段Ⅳ延长SRT，反应器内生物量增加，Ns降低，PIA-A2/O段出水TP回落至0.5mg/L左右，湿地段的TP达标处理负荷又恢复到HLR=0.81m/d（二级湿地出口）。该阶段虽TP去除率增加，但反硝化除磷率仍降低，这是系统内总生物量积累的结果。阶段Ⅵ，由于SRT过长，出现丝状膨胀，PIA-A2/O段出水TP严重超标，反硝化除磷率同步下降，后续4级湿地（HLR=0.4m/d）也难以使出水TP稳定在0.4mg/L以下。因此，Fr升高和SRT过度延长均不利于反硝化除磷。分析原因，一方面有机物浓度增加会对反硝化除磷产生抑制；另一方面SRT过长，亚硝酸盐氧化菌（NOB）生长加快，NO3--N浓度升高，NO3--N比NO2--N的电势高，较难被反硝化。流量冲击负荷阶段Ⅶ和Ⅷ，回流比增加，反硝化除磷率有所上升，这是因为硝化液回流加大为缺氧段反硝化除磷菌提供了更多电子受体。
（3）氮素去除及亚硝化效果
系统不同阶段沿程出水氮浓度变化见图3。
图3PIA-A2/O+人工湿地系统不同阶段沿程
GB3838—2002规定NH4+-N和TN的Ⅴ类标准均为小于2.0mg/L，因此，系统的深度脱氮是稳定运行的关键。从图3可知，湿地具有良好的硝化性能，即使前段PIA-A2/O段出水NH4+-N增大到5mg/L出水氮污染物浓度变化以上，后续都可通过三级湿地（HLR为0.67~0.72m/d）降至2.0mg/L以下。系统各阶段出水TN沿程降低，PIA-A2/O出水TN以NO2--N为主，这是由于该工艺启动了亚硝化。进入湿地段，NO2--N浓度沿程逐级降低，NO3--N浓度增大，TN浓度下降。这是因为湿地前端COD充足，NO2--N被反硝化去除，一部分被氧化成NO3--N，TN呈现减少趋势。到后2级湿地，碳源消耗殆尽，NO3--N和TN变化很小，应主要为植物吸收作用。综合以上COD、TP和TN运行结果，认为人工湿地选取HLR=0.53m/d是合适的。
PIA-A2/O中NO2--N与NOx--N的质量比反映了系统的亚硝化率，较高的亚硝化率对提高氮、磷去除和降低能耗是有利的。试验结果表明，随着Fr的增加、SRT的延长、内外回流比的提高，亚硝化率不断降低。这是因为：（1）进水COD增加会导致异养菌大量繁殖，与AOB产生竞争；（2）SRT延长可促使NOB生长，使出水NO3--N浓度增加；（3）内外回流比的提高实质也是SRT的延长，最终导致出水NO3--N浓度增加。
2PIA-A2/O污泥特性演变
对PIA-A2/O工艺各阶段污泥沉淀性能的变化进行了考察，结果表明，PIA-A2/O中MLSS随污染物浓度和流量负荷的增加而增加，这与污染物输入增多和SRT延长有关。生物量富集利于系统缓冲调控能力。试验中发现，当SRT不断延长时，污泥沉淀性能逐渐下降，SVI在阶段Ⅴ涨至205mL/g，SV30为96%。镜检发现，污泥内部有大量菌丝，污泥发生微量丝状膨胀。然而，系统出水水质并未受到影响。JianhuaGuo等曾在城市污水处理厂的运行中也发现这种现象，定义为污泥微膨胀（LFB）。系统中丝状菌并未过度增殖应得益于间歇曝气段的周期性淘洗。阶段Ⅵ的SRT过长，其筛选功能丧失，污泥严重膨胀。
LFB菌胶团内丝状菌菌丝短，向内盘绕生长，污泥成团状，使其具有较好的沉淀性能。而严重膨胀污泥，菌丝外扩生长，污泥沉淀性差。通过高通量测序和Eikelboom手册鉴定，LFB主导菌为H.hydrossis，与营养物去除有关。
3结论
采用新型A2/O+人工湿地系统深度处理副食品加工园区综合废水，结果表明，该系统具有良好的脱氮除磷效果及抗冲击负荷能力。系统的稳定调控关键是对出水TN的控制，可通过维持PIA-A2/O段稳定的Ns和充足HRT实现。当遇进水污染物浓度冲击时，在0.65kg/（m3˙d）≤Fr≤1.30kg/（m3˙d）条件下，可适当延长该段SRT为23.5~28.5d，降低湿地段的HLR（≥0.53m/d），以使系统出水满足GB3838—2002中Ⅴ类标准要求。当遇进水流量冲击时，在0.8kg/（m3˙d）≤Fr≤1.1kg/（m3˙d）条件下，在延长SRT和降低HLR同时，增加内外回流比分别不超过95%和400%，仍可保证达标运行。Fr不宜大于1.35kg/（m3˙d）。PIA-A2/O工艺长SRT低DO可以启动以H.hydrossis为主导的污泥微膨胀，并促进基于亚硝酸盐的反硝化除磷，有效提升了系统的脱氮除磷效能。
