氧化溝工藝處理低碳污水脫氮潛力的研究

李 震，蔣玲燕，呂 燕，胡啟源，姚 崢

（上海城投污水處理有限公司白龍港污水處理廠，上海市 201201）

1 反硝化潛力

反硝化潛力是指衡量污水中可利用碳源的指標(biāo)，通常表示為COD/N或者BOD/N的形式。理論上認(rèn)為缺氧狀態(tài)降解一定數(shù)量的NO3--N，需要的可利用碳源數(shù)量可以用式（1）表示如下[1]：

式（1）中：YH——異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)，mg VSS/mg COD。

根據(jù)活性污泥數(shù)學(xué)模型ASM1，YH推薦值取0.67，則由式（1）可得去除1 mg NO3--N理論上所需的可利用COD為8.67 mg[2]。實(shí)際研究獲得的可以滿足完全反硝化所需要的COD/N卻因?yàn)镃OD是否單獨(dú)作為反硝化碳源、進(jìn)水中可生物降解COD的組份及比例關(guān)系、YH值、污水處理工藝的結(jié)構(gòu)以及活性污泥的特性等因素的影響而表現(xiàn)出不同的值域。大量的研究表明滿足完全反硝化所需要的COD/N的范圍是4～15 g COD/g N，最低極限的COD/N范圍 是3.5～4 g COD/g N[3-5]。

活性污泥數(shù)學(xué)模型ASM1和ASM2把進(jìn)水COD分為不同的成分。以生活污水作為電子供體進(jìn)行反硝化時(shí)，存在3條硝酸氮降解速率曲線。其中，溶解性易生物降解COD（Ss）的反硝化速率最高，其次是顆粒性慢速可生物降解COD（XS）的反硝化速率；降解速率最小的是內(nèi)源物質(zhì)的反硝化速率。一般來說，城鎮(zhèn)污水中SS所占比例大約為總COD的10%～20%，因此其對(duì)反硝化脫氮的貢獻(xiàn)較為有限。XS所占比例較大，決定著系統(tǒng)的反硝化潛力，但是只有那些分子量小且易于生物降解的物質(zhì)才可以作為反硝化反應(yīng)的電子供體，ASM1和ASM2模型中反硝化反應(yīng)的建立基于SS，而只有通過水解和發(fā)酵反應(yīng)，XS才能轉(zhuǎn)化為SS作為反硝化碳源，因此基于XS的反硝化速率是由水解和發(fā)酵過程決定的。當(dāng)利用COD不同成分的反硝化能力可以確定時(shí)，預(yù)測(cè)污水處理廠反硝化潛力，相比應(yīng)用COD/N能獲得更多的信息。

Kujawa和Klapwijk首次提出過通過批次試驗(yàn)——硝氮利用速率試驗(yàn)來測(cè)定污水的反硝化潛力（Nitrate utilization rate,NUR），即通過間隙地向污泥混合液中注入污水并定時(shí)測(cè)定硝態(tài)氮和亞硝氮的濃度來確定區(qū)分SS，XS和內(nèi)源物質(zhì)的反硝化潛力[6]。根據(jù)Kujawa和Klapwijk的研究，污水的反硝化潛力可以表示為可以被COD組份SS和XS去除的硝態(tài)氮的量，即mgNO3--N/L，其計(jì)算方程如式（2）和式（3）所示：

式（2）、（3）中：fww——污水體積/污泥體積的比值，0.6是亞硝氮與硝氮的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

污水的反硝化潛力僅僅和污水的特性有關(guān)，與試驗(yàn)所用污泥的性質(zhì)無關(guān)。既使是MLSS濃度不一樣，相同量的同一污水中的SS和XS去除的硝酸鹽的量是相同的，只是反應(yīng)的速率會(huì)有所變化。由于污泥具有內(nèi)碳源，當(dāng)污水中用于脫氮的SS和XS不足時(shí)，污泥的內(nèi)碳源可以用于反硝化。內(nèi)源反硝化潛力主要受系統(tǒng)總的反硝化反應(yīng)區(qū)體積的影響，其計(jì)算方程如式（4）所示：

式（4）中：Vd——脫氮反硝化反應(yīng)區(qū)的體積；

Qin——系統(tǒng)進(jìn)水流量；

rd,end——內(nèi)源反硝化速率。

反硝化潛力試驗(yàn)中，污水SS、XS和內(nèi)源物質(zhì)的反硝化速率，以及比反硝化速率都可以用式（5）和式（6）表示：

式（5）中：t——反應(yīng)階段的時(shí)間。

當(dāng)反應(yīng)器缺氧區(qū)污泥濃度有變化時(shí)，那么比內(nèi)源反硝化潛力的計(jì)算方程如式（7）所示：

式（7）中：XV——缺氧區(qū)的MLSS濃度，mg/L。

系統(tǒng)總的反硝化潛力是由污水的反硝化潛力與污泥的內(nèi)源反硝化潛力之和，其計(jì)算方程如式（8）所示：

對(duì)于脫氮除磷污水處理系統(tǒng)，考慮到厭氧池的碳源利用以及回流污泥所含的硝酸鹽的影響，因此需要測(cè)定污水原有的反硝化潛力和厭氧池出流混合液的反硝化潛力。目前，國(guó)內(nèi)外已有很多有關(guān)反硝化潛力的研究，其中包括對(duì)實(shí)際城鎮(zhèn)污水、工業(yè)污水和乙酸、乙醇、甲醇等有機(jī)碳源的反硝化潛力研究[7-9]。這些研究結(jié)果表明，反硝化潛力試驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地衡量和評(píng)價(jià)污水脫氮的潛力及污水處理工藝的整體反硝化潛能，為工藝的設(shè)計(jì)改造和提高污水處理系統(tǒng)的脫氮效果提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

本研究將針對(duì)厭氧-氧化溝試驗(yàn)裝置處理低碳污水的脫氮能力進(jìn)行研究，通過對(duì)進(jìn)水和厭氧池混合液的反硝化潛力試驗(yàn)，可以評(píng)估后續(xù)氧化溝的脫氮潛能，為提升氧化溝的脫氮除磷能力提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 厭氧-氧化溝試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)研究工藝的基本構(gòu)型包括1個(gè)四池厭氧-氧化溝生化反應(yīng)器、1個(gè)二次沉淀池和1個(gè)回流污泥預(yù)濃縮池，如圖1所示，其工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 改良型厭氧-環(huán)溝氧化溝工藝流程圖

表1 中試系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 反硝化潛力測(cè)定方法

取4 L厭氧-環(huán)溝型氧化溝好氧段的活性污泥混合液，接種于SBR反應(yīng)器內(nèi)，靜置沉淀5 min，排除上清液，用經(jīng)過曝氣脫氯后的自來水稀釋回流污泥至4 L，重復(fù)以上進(jìn)水稀釋—靜置沉淀—排除上清液3次，可以有效避免污泥接種時(shí)帶進(jìn)污水的影響，最終得到滿足試驗(yàn)要求的1 L濃縮污泥混合液，用曝氣后自來水稀釋，并和一定體積的污水混合至4 L。向混合液中投加硝酸鈉使得試驗(yàn)初始的硝酸鹽濃度達(dá)到20～30 mg/L，同時(shí)，投加10 mL硫脲溶液抑制硝化反應(yīng)，混合攪拌試驗(yàn)，定時(shí)取樣并用濾紙和0.45μm濾膜過濾，并測(cè)定其硝氮和亞硝氮的濃度。

當(dāng)測(cè)試厭氧池混合液反硝化潛力時(shí)，直接取厭氧池混合液加入一定量的硝酸鈉和硫脲，進(jìn)行試驗(yàn)。

3 進(jìn)水反硝化潛力的研究

試驗(yàn)裝置進(jìn)水的反硝化潛力試驗(yàn)的污水水質(zhì)如表2所示。由于進(jìn)水COD波動(dòng)較強(qiáng)，為了較為全面和準(zhǔn)確地分析進(jìn)水的反硝化潛力及其與進(jìn)水氮的關(guān)系，試驗(yàn)對(duì)4種不同碳源水平的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了反硝化潛力分析。反硝化潛力試驗(yàn)時(shí)不同水樣測(cè)試時(shí)的稀釋比、MLVSS濃度和試驗(yàn)溫度如表3所示。由于實(shí)驗(yàn)室溫度控制較易，各試驗(yàn)的溫度基本在同一水平，其試驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的可比性。

表2 反硝化潛力試驗(yàn)的污水水質(zhì)

表3 試驗(yàn)稀釋比和MLVSS濃度

圖2是4種不同碳源的進(jìn)水的反硝化潛力圖。每種不同進(jìn)水在反硝化脫氮反應(yīng)中，其硝酸鹽濃度隨時(shí)間的變化都可以用3條不同斜率的直線來擬合，分別代表SS，XS和內(nèi)源物質(zhì)反硝化脫氮的速率情況。

圖2 不同進(jìn)水水質(zhì)的反硝化潛力試驗(yàn)

同時(shí)，通過對(duì)各條擬合曲線方程的斜率和截距的分析，可以得到其相應(yīng)的進(jìn)水組份的反硝化潛力和比反硝化速率，以及污泥的內(nèi)源反硝化潛力和反硝化速率，其結(jié)果如表4所示。

表4 進(jìn)水反硝化潛力與比反硝化速率

從表4的結(jié)果可知，進(jìn)水的反硝化潛力主要是由XS貢獻(xiàn)的，其占污水的總反硝化潛力的74.4%～76.5%，而SS的反硝化潛力占總反硝化潛力的23.5%～25.6%。這表明，可降解的顆粒性有機(jī)物是污水可利用碳源的主要成份，對(duì)于污水的脫氮除磷起到最為關(guān)鍵的作用。如果進(jìn)水碳源都用于脫氮，4種不同進(jìn)水的反硝化潛力都能保證出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時(shí)，各水質(zhì)的比反硝化速率結(jié)果表明，SS的比反硝化速率最快，XS次之，內(nèi)源反硝化速率最低。

污水的反硝化潛力試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，進(jìn)水的碳源水平也決定其反硝化潛力的水平，進(jìn)水的總反硝化潛力隨著進(jìn)水COD的減小而減小。表5是大量文獻(xiàn)對(duì)污水比反硝化速率研究的數(shù)據(jù)。由此看出，本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與這些研究的數(shù)據(jù)基本在同一范圍內(nèi)。然而，本試驗(yàn)的比反硝化速率處于較低的值域范圍。這主要是由于一方面試驗(yàn)污水為低碳源污水，限制了反硝化的可利用碳源水平；另一方面，系統(tǒng)的污泥泥齡較長(zhǎng)且長(zhǎng)期處于低碳條件下，污泥中的活性物質(zhì)不高，且其內(nèi)碳源含量較少，限制了污泥的活性水平。

表5 其它研究報(bào)道的比反硝化速率[6]（單位：mg N/(g MLVSS·h））

4 厭氧混合液反硝化潛力的研究

為了分析進(jìn)水碳源在系統(tǒng)的分配情況，在研究進(jìn)水反硝化潛力的同時(shí)，也研究了這4個(gè)進(jìn)水水質(zhì)條件下厭氧池2混合液的反硝化潛力。表6是厭氧池混合液過濾后的水質(zhì)。試驗(yàn)直接取厭氧池混合液進(jìn)行研究，表7是試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的MLVSS濃度和水溫。

表6 厭氧池混合液的水質(zhì)

表7 試驗(yàn)MLVSS濃度

圖3為4種進(jìn)水條件下厭氧池混合液的反硝化潛力。雖然各個(gè)厭氧池混合液反硝化試驗(yàn)的硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化都可以用不同斜率的直線來擬合，但是SS和XS的脫氮反應(yīng)時(shí)間段縮短，尤其是試驗(yàn)III中SS的反應(yīng)段消失，僅僅存在XS和內(nèi)源物的脫氮反應(yīng)段。同時(shí)，內(nèi)源段反應(yīng)的擬合曲線的斜率有所增加，這表明內(nèi)源階段的反應(yīng)速率有所增加。

不同進(jìn)水水質(zhì)條件下厭氧池混合液反硝化潛力和比反硝化速率如表8所示。進(jìn)水經(jīng)過厭氧池的反應(yīng)，厭氧池混合液中剩余的SS和XS反硝化潛力下降了很多，其總和相當(dāng)于進(jìn)水總反硝化潛力的18.6%～29.1%。SS的比反硝化速率相比于進(jìn)水有所下降，而XS和污泥內(nèi)源的比反硝化速率相比于進(jìn)水有所提高。厭氧池內(nèi)污泥對(duì)進(jìn)水碳源有水解、吸收貯存作用，因此，進(jìn)水中的SS大部分在厭氧池被污泥吸收貯存，其剩余反硝化潛力下降；進(jìn)水中一部分XS在厭氧池被完全水解為SS并被污泥吸收貯存，另一部分XS被不完全水解，其在缺氧條件下更易被污泥利用于反硝化脫氮，因此XS比反硝化速率有所上升而反硝化潛力下降；活性污泥在厭氧池吸收了有機(jī)碳源，其內(nèi)碳源水平大大提高，相關(guān)研究表明活性污泥的內(nèi)源反應(yīng)速率受到其內(nèi)碳源水平的控制，當(dāng)內(nèi)碳源水平較高時(shí)，內(nèi)源反應(yīng)的速率也有所提高[10]，因此，厭氧池污泥的內(nèi)源比反硝化速率相比于回流污泥的內(nèi)源比反硝化速率平均提高了3.9倍。由于氧化溝內(nèi)沒有獨(dú)立的缺氧區(qū)，因此對(duì)于試驗(yàn)氧化溝中缺氧區(qū)的體積無法明確計(jì)算，但從式（8）計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)源反硝化潛力可以看出，適當(dāng)擴(kuò)大氧化溝內(nèi)的缺氧區(qū)有利于利用厭氧混合液中污泥較高的內(nèi)碳源比反硝化速率來提升脫氮效果。

圖3 不同進(jìn)水條件下厭氧池混合液反硝化潛力

表8 厭氧池混合液反硝化潛力與比反硝化速率

厭氧池混合液的反硝化潛力試驗(yàn)表明，除回流污泥的稀釋作用以外，進(jìn)水中的碳源大部分(70.9%～81.4%)在厭氧池被污泥水解吸收貯存，厭氧混合液中剩余的外源反硝化潛力僅僅不到進(jìn)水的1/3，其在后續(xù)氧化溝內(nèi)的反硝化脫氮過程中所起到的作用有限；而活性污泥的內(nèi)碳源水平在厭氧池得到大大提高，其內(nèi)源比反硝化速率也大大增加。一些研究指出，在低碳污水脫氮除磷中，活性污泥內(nèi)源反應(yīng)起了至關(guān)重要的作用[10，11]。圖2也表明厭氧混合液反硝化潛力試驗(yàn)中，內(nèi)源階段降解的硝態(tài)氮是SS和XS反硝化階段降解的硝態(tài)氮數(shù)倍。因此，在氧化溝脫氮過程中，內(nèi)源反硝化反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。由于內(nèi)源反硝化的速率相對(duì)較慢，氧化溝內(nèi)只有保證充足的缺氧反應(yīng)時(shí)間才能夠最有效地提高氧化溝的脫氮效果，提升出水水質(zhì)。

5 結(jié)論

低碳污水中可降解顆粒性有機(jī)物的反硝化潛力在總反硝化潛力中占70%以上，是脫氮工藝主要的碳源來源；在厭氧-氧化溝工藝中，厭氧池混合液中的外源總反硝化潛力相比于進(jìn)水減少了超過2/3，而污泥的內(nèi)源比反硝化速率則大大提高。這表明污泥內(nèi)源反應(yīng)在低碳污水處理脫氮過程中至關(guān)重要，后續(xù)氧化溝內(nèi)足夠長(zhǎng)缺氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)提高系統(tǒng)的脫氮效果具有決定性的作用。

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