百樂(lè)克工藝處理城市廢水同步脫氮運(yùn)行效果的研究

李廣柱，張竹清，武中波，艾勝書(shū)，邊德軍＊

（1.吉林省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，長(zhǎng)春130011；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院；3.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012）

百樂(lè)克（Biolak）工藝是德國(guó)馮·諾頓西公司的專(zhuān)利技術(shù)，其主要特點(diǎn)有：（1）污泥質(zhì)量濃度較高，水力停留時(shí)間長(zhǎng)，污泥負(fù)荷和容積負(fù)荷較低，所以耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)［1－2］，對(duì)低溫等環(huán)境條件也有較強(qiáng)的適應(yīng)性［3］。（2）污泥泥齡較長(zhǎng)，剩余污泥量較少且穩(wěn)定［1，4］，并且有利于世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌的生長(zhǎng)繁殖。（3）懸掛鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)能耗低、維護(hù)方便。（4）采用多池合建的一體化設(shè)計(jì)，減少了占地面積。因此，百樂(lè)克系統(tǒng)具有占地緊湊，投資低廉等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于小型市政污水處理廠。

目前，百樂(lè)克工藝已經(jīng)在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠中廣泛被應(yīng)用，其設(shè)計(jì)和污水處理效果也多見(jiàn)報(bào)道［5－6］，但對(duì)其脫氮過(guò)程和影響因素的研究相對(duì)較少。本研究以吉林省某城市污水處理廠為研究對(duì)象，通過(guò)1年的跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)百樂(lè)克工藝同步脫氮的過(guò)程、效果和影響因素進(jìn)行了研究，為其優(yōu)化工藝運(yùn)行、提高脫氮效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 某污水處理廠百樂(lè)克工藝概況

吉林省某城市污水處理廠百樂(lè)克工藝，2010年6月正式投入運(yùn)營(yíng)，按一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，處理規(guī)模30 000m3／d，設(shè)百樂(lè)克綜合生化池2座，單座總?cè)莘e16 443m3。

1.2 工藝流程和研究方法

百樂(lè)克工藝流程和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的設(shè)置見(jiàn)圖1。在2012年4月—2013年3月的1年時(shí)間里，對(duì)進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，每月不少于6次，每次檢測(cè)在1天內(nèi)對(duì)進(jìn)水、出水采樣檢測(cè)2～4次，結(jié)果取平均值，同時(shí)測(cè)定生化池平均水溫、污泥質(zhì)量濃度（MLSS）和出水水量。生化池全程水質(zhì)檢測(cè)在工藝運(yùn)行條件穩(wěn)定，進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)較小的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，在1天時(shí)間內(nèi)對(duì)全部7個(gè)采樣點(diǎn)分別采樣檢測(cè)4次，結(jié)果取平均值，同時(shí)測(cè)定生化池沿程DO變化情況。

圖1 工藝流程與檢測(cè)點(diǎn)位示意圖

1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和分析方法

COD：重鉻酸鉀法；TN：過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法；NH＋4—N：納氏試劑分光光度法；NO－3—N、NO－2—N：離子色譜法；BOD5：稀釋接種法；MLSS：重量法；DO、PH、水溫：YSI Proplus便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀；流量：YSI FlowTracker流量流速測(cè)定儀。

1.4 工藝運(yùn)行參數(shù)

研究期間，污水廠工藝運(yùn)行狀況良好，實(shí)際運(yùn)行各參數(shù)值范圍如表1所示。

表1 運(yùn)行參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 污水處理效果

進(jìn)出水水質(zhì)和去除率情況見(jiàn)表2。研究期間，進(jìn)水COD、NH＋4—N、TN質(zhì)量濃度均波動(dòng)較大。系統(tǒng)對(duì)COD和NH＋4—N的平均去除率分別達(dá)到88%和86%，出水COD、NH＋4—N全部達(dá)標(biāo)。但TN處理效果不穩(wěn)定，TN去除率在34%～73%之間，平均去除率56%。出水中氮元素主要以NO－3—N形式存在，反硝化不完全是影響脫氮效果的主要原因。

表2 進(jìn)、出水水質(zhì)和去除率

2.2 脫氮影響因素分析

影響反硝化脫氮的因素主要包括：TN負(fù)荷、COD／TN、水溫、污泥回流比、缺氧區(qū)容積等。研究期間該廠污泥回流比和曝氣池曝氣量相對(duì)穩(wěn)定，因此本研究重點(diǎn)分析了水溫、TN負(fù)荷、COD／TN對(duì)百樂(lè)克工藝同步脫氮效果的影響。各次檢測(cè)工藝運(yùn)行條件和TN處理效果見(jiàn)圖2。

研究期間，系統(tǒng)水溫在7.1～26.6℃之間，平均水溫僅為13.4℃。從圖2可以看出，TN去除率與水溫變化的相關(guān)性比較明顯。取進(jìn)水TN負(fù)荷為0.045～0.055kg（m3·d）－1、COD／TN 在7.0～9.0之間，生化池平均水溫分別為7.8℃、12.6℃、17.2℃和23.5℃條件下的4次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明（見(jiàn)圖3），各水溫條件下，TN的去除率分別為43%、48%、58%和71%，水溫由23.5℃降低到7.8℃，TN去除率降低了近40%，水溫是影響脫氮效果的重要因素。

另外研究期間，系統(tǒng)TN負(fù)荷、COD／TN均波動(dòng)較大。但在水溫≥15℃時(shí)出水TN質(zhì)量濃度全部達(dá)標(biāo)。水溫＜15℃時(shí)，對(duì)出水TN達(dá)標(biāo)和未達(dá)標(biāo)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，出水TN達(dá)標(biāo)的64次檢測(cè)數(shù)據(jù)中，平均TN負(fù)荷0.045kg·（m3·d）－1，平均COD／TN為8.44；而出水TN未達(dá)標(biāo)的11次檢測(cè)數(shù)據(jù)中，平均TN負(fù)荷0.057kg·（m3·d）－1，平均COD／TN為6.61。這表明，系統(tǒng)在低溫、高負(fù)荷條件下運(yùn)行，或在低溫條件下處理低COD／TN廢水時(shí)，都易導(dǎo)致出水TN不達(dá)標(biāo)。

2.3 生化池全程水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析

生化池全程水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4～5。廢水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)前，首先與回流污泥混合，混合后COD、TN、NH＋4—N質(zhì)量濃度分別由319mg／L、39.6mg／L、30.5mg／L 下降到 208mg／L、28.2mg／L、14.6mg／L，NO－3—N質(zhì)量濃度由1.34mg／L上升到7.89mg／L。

厭氧區(qū)前段受進(jìn)水和回流污泥中DO的影響，DO質(zhì)量濃度較高，之后迅速降低，COD、TN去除率分別為47%、32%。曝氣區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)DO波動(dòng)較大，DO平均質(zhì)量濃度沿水流方向逐漸上升。曝氣區(qū)前半段，DO質(zhì)量濃度上升速度較慢，系統(tǒng)逐漸由交替好氧、缺氧轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚醐h(huán)境，COD、NH＋4—N、TN去除率分別為49%、74%、16%。曝氣區(qū)后半段，DO質(zhì)量濃度上升速度較快，COD、NH＋4—N、TN去除率分別為42%、67%、7%。

圖2 各次檢測(cè)工藝運(yùn)行條件與TN處理效果

圖3 水溫對(duì)TN去除效果的影響

百樂(lè)克生化池厭氧區(qū)和曝氣區(qū)均具有同步脫氮的功能，但對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)差別明顯。厭氧區(qū)水力停留時(shí)間（HRT）2.5h，TN去除量占去除總量的66%；曝氣區(qū)水力停留時(shí)間（HRT）15h，TN去除量占總?cè)コ康?4%；特別是在曝氣區(qū)后半段，僅占8%。

百樂(lè)克生化池內(nèi)嚴(yán)格的厭氧環(huán)境容積所占比例極小，系統(tǒng)主要通過(guò)同時(shí)硝化反硝化脫氮（SND）。近年來(lái)的研究表明［7－11］，將DO控制在較低水平，反硝化作用將得到促進(jìn)；同時(shí)COD／TN也是影響SND的重要因素，在一定范圍內(nèi)，碳源越充足，TN去除率越高。上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表明，由厭氧區(qū)到曝氣區(qū)后半段，隨著DO質(zhì)量濃度的升高，以及可利用碳源的減少，TN去除率顯著降低。

因此，當(dāng)進(jìn)水TN負(fù)荷較高或C／N較低時(shí)，在不外加碳源或提高回流比，增加運(yùn)行費(fèi)用的條件下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量，適當(dāng)降低曝氣區(qū)DO質(zhì)量濃度，來(lái)提高曝氣區(qū)同步反硝化脫氮效率。但是，降低DO質(zhì)量濃度也存在著NH＋4—N的硝化效率下降的風(fēng)險(xiǎn)，所以曝氣量的調(diào)節(jié)應(yīng)綜合考慮曝氣區(qū)進(jìn)水C／N、TN負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷等多方面因素，具體的調(diào)控方法有待在今后的實(shí)踐中去進(jìn)一步研究和總結(jié)。

圖4 沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位COD、TN、NH＋4—N、NO－3—N、NO－2—N變化

圖5 沿程DO變化

3 結(jié)語(yǔ)

（1）吉林省某城市污水處理廠全年進(jìn)、出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該廠百樂(lè)克工藝對(duì)COD和NH＋4—N的處理效果較好，平均去除率分別達(dá)到88%和86%，出水COD、NH＋4—N全部達(dá)標(biāo)。但TN處理效果不穩(wěn)定，TN去除率在34%～73%之間，平均去除率56%，反硝化不完全是影響同步脫氮效果的主要原因。

（2）水溫是影響系統(tǒng)脫氮效果的重要因素，水溫由23.5℃降低到7.8℃，TN去除率降低了近40%。系統(tǒng)在低溫、高負(fù)荷條件下運(yùn)行，或在低溫條件下處理低COD／TN廢水時(shí)，都極易導(dǎo)致出水TN不達(dá)標(biāo)。

（3）百樂(lè)克生化池厭氧區(qū)和曝氣區(qū)均具有同步脫氮的功能。厭氧區(qū)同步反硝化脫氮效率較高，而曝氣區(qū)（尤其是曝氣區(qū)后半段）受DO環(huán)境和反硝化碳源不足的影響同步反硝化效率較低。

（4）通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量，降低曝氣區(qū)整體的DO水平，是提高同步反硝化脫氮效率的重要途徑，但必須權(quán)衡其與NH＋4—N的硝化效率的關(guān)系，綜合考慮進(jìn)水C／N、TN負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷等多方面因素，具體的調(diào)控方法有待在今后的實(shí)踐中去進(jìn)一步研究和總結(jié)。

［1］陳克玲，羅繼武.百樂(lè)克（BIOLAK）工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)探討［J］.中國(guó)給水排水，2006，22（22）：55－57.

［2］趙美姿，孫嘉禾，肖羽堂.百樂(lè)克工藝介紹及與其他工藝的對(duì)比分析［J］.天津化工，2008，22（1）：35－37.

［3］劉炳林.寒冷地區(qū)百樂(lè)克（BIOLAK）工藝脫氮除磷的去除效果［J］.水工業(yè)市場(chǎng)，2007（4）：52－56.

［4］王濤.Biolak工藝及其在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題［J］.中國(guó)給水排水，2003，19（10）：79－80.

［5］孔宇，沈巍.百樂(lè)克工藝在寶應(yīng)縣污水處理廠中的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2009，25（20）：44－46.

［6］張曉杰，蘇宏.強(qiáng)化百樂(lè)克污水處理工藝除磷的工程實(shí)踐研究［J］.環(huán)境工程，2010，28（5）：51－53.

［7］王建龍，王淑瑩，彭永臻，等.復(fù)合生物反應(yīng)器低溶解氧同步脫氮除磷［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（3）：655－659.

［8］呂錫武，李峰，稻森悠平，等.氨氮廢水處理過(guò)程中的好氧反硝化研究［J］.給水排水，2000，26（4）：17－20.

［9］王冬波，李小明，曾光明，等.內(nèi)循環(huán)SBR反應(yīng)器無(wú)厭氧段實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，28（3）：534－539.

［10］呂錫武.同時(shí)硝化反硝化的理論和實(shí)踐［J］.環(huán)境化學(xué)，2002，21（6）：499－503.

［11］胡林林，王建龍，文湘華，等.低溶解氧條件下生物脫氮研究中的新現(xiàn)象［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2003，9（4）：444－447.