污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程及其反硝化速率分析

鄧茗濂

摘 ?????要： 為考察不同的碳源對(duì)缺氧反硝化效率的影響，分析污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程的反硝化速率。研究結(jié)果表明：反硝化反應(yīng)分3個(gè)階段：第一階段（0～60 min），運(yùn)用了可快速進(jìn)行生物降解的碳源;第二階段（60～370 min），已經(jīng)基本消耗完畢可生物降解的溶解性有機(jī)物;第三階段（370～530 min），NO3-N的降解速度繼續(xù)減緩。SCOD與COD的濃度的變化規(guī)律和NO3-N濃度變化規(guī)律相似。反硝化速率各階段反應(yīng)時(shí)間變化與NO3-N濃度呈線性關(guān)系，因此根據(jù)多段動(dòng)力學(xué)方程得到三階段的反硝化速率。隨著時(shí)間的不斷增加，反硝化速率逐漸減小。

關(guān) ?鍵 ?詞：污水處理;沉積池;反硝化;速率

中圖分類號(hào)：R123.3 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)：1671-0460（2019）03-0508-04

Abstract： In order to investigate the influence of different carbon sources on the efficiency of anoxic denitrification， the denitrification rate during the denitrification process in the sedimentary pond of sewage treatment plant was analyzed. The results showed that the denitrification reaction was divided into three stages： in the first stage of 0～60 min， the biodegradable carbon source was used quickly; in the second stage of 60 ～ 370 min， dissolved organic matter that can be biodegradable was basically consumed. In the third stage ?of 370 ～ 530 min， the degradation rate of NO3-N continued to slow down. The variation trend of SCOD and COD concentration was similar to that of NO3-N concentration. The change of denitrification rate at each stage was linearly related to NO3-N concentration， so the denitrification rate at three stages was obtained according to the multi-stage kinetic equation. As the time went on， the denitrification rate decreased gradually.

Key words： Sewage treatment; Sedimentation pool; Denitrification; Rate

隨著我國(guó)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展及國(guó)家對(duì)水環(huán)境污染控制與治理的高度重視。在設(shè)計(jì)城市污水處理廠時(shí)，很多區(qū)的構(gòu)建離不開反硝化速率，例如其生化反應(yīng)池缺氧區(qū)和缺氧選擇池。控制反硝化速率不僅要滿足反硝化工作的持續(xù)進(jìn)行，而且要盡可能降低污水處理廠面積、減少缺氧區(qū)池容盡量，還有就是節(jié)省建設(shè)投資，因此研究污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程具有重要的理論意義和研究?jī)r(jià)值[1-5]。關(guān)于污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程的研究吸引了國(guó)內(nèi)外很多的研究學(xué)者，相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，在反硝化效果很大程度上受到碳源形態(tài)的影響。COD主要有兩種：一是SCOD，該物質(zhì)易生物降解的;二是CODSS，該物質(zhì)緩慢生物降解[6-8]。有人對(duì)城市污水中的COD測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)， SCOD含量相對(duì)較少，占COD質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15%左右[9，10]。該現(xiàn)象說(shuō)明，在初沉入池進(jìn)入生物這一過(guò)程中，碳源主要增加的是CODSS，在實(shí)際生活中，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的水解以及酸化后，部分有機(jī)物才能得到SCOD，接下來(lái)這些降解的有機(jī)物才可以被反硝化等微生物吸收[11]。在脫氮除磷時(shí)候，顆粒性有機(jī)物 CODSS得到了缺氧池的水力停留時(shí)間（HRT）所提供的充足酸化以及水解時(shí)間，這為有效保證反硝化速率起到了理論鋪墊[12-14]。

為考察不同的碳源對(duì)缺氧反硝化效率的影響，針對(duì)污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程的反硝化速率進(jìn)行研究，分析污水處理廠沉積池中反硝化過(guò)程的反硝化速率，然后從反硝化動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行系統(tǒng)的分析，進(jìn)而研究在水環(huán)境中顆粒性慢速可生物降解 CODss以及溶解性易生物降解 SCOD對(duì)反硝化速率的影響，本文研究成果對(duì)提高城市污水處理能力具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 ?試驗(yàn)部分

1.1 ?碳源與氮源

污水取材選自于某市中心城區(qū)的兩座污水處理廠，其市污水BOD5、COD和SS濃度變化規(guī)律見圖1所示，市污水NH3-N、TN和TP濃度的變化規(guī)律見圖2所示?？梢钥闯鲞x取的此污水水質(zhì)的波動(dòng)較大，可見本研究取材具有一定的代表性。

首先對(duì)所取的污水進(jìn)行在進(jìn)行動(dòng)態(tài)沉淀，其沉淀裝置示意圖見圖3所示。反硝化速率實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，沉砂池出水SCOD濃度控制在40 mg/L到140 mg/L之間，出水COD控制在210 mg/L到310 mg/L之間?？紤]到水源短缺的實(shí)際情況，采用投加 KNO3配置氮源方法，為計(jì)算初始硝酸鹽氮濃度，用 BOD5/COD 的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)混合液，控制NO3-N濃度控制在45～50 mg/L范圍。用于對(duì)反硝化池的過(guò)濾處理參數(shù)設(shè)置為4 000 r/min，持續(xù)2 min。

1.2 ?反硝化試驗(yàn)裝置

在測(cè)定反硝化速率時(shí)候，添加間歇性反應(yīng)裝置，如圖4所示。第一步，并在缺氧環(huán)境中進(jìn)行操作，依次添加反硝化菌、原水以及KNO3，最后瓶口通過(guò)橡膠塞進(jìn)行密封，杜絕與外界的空氣接觸;第二步，為讓水泥持續(xù)保持懸浮的狀態(tài)，運(yùn)用轉(zhuǎn)速為 80r/min的磁力攪拌器進(jìn)行攪拌;第三步把溶解氧儀放置到反硝化速率測(cè)定實(shí)驗(yàn)瓶中進(jìn)行測(cè)定。

1-水箱; 2-進(jìn)水泵; 3-沉淀住; 4-取水口; 5-排水口; 6-閥門

1.3 ?水質(zhì)測(cè)試

運(yùn)用快速消解法測(cè)定COD濃度變化;運(yùn)用麝香草酚分光度法進(jìn)行NO3-N濃度的測(cè)定。但CODSS與SCOD缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去定義來(lái)分別兩者，于是考慮水樣分級(jí)時(shí)運(yùn)用的過(guò)濾技術(shù)來(lái)區(qū)分兩者，即由過(guò)濾器孔徑尺寸大小分析可溶性COD和顆粒COD之間的分配關(guān)系。因此對(duì)于本試驗(yàn)，研究分析 CODss還有SCOD時(shí)，首先對(duì)濾膜（0.46μm）進(jìn)行處理，然后過(guò)濾水樣，得到的濾液 COD就是SCOD，COD 減去SCOD剩下的就是CODss。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?反硝化過(guò)程中NO3-N的變化

反硝化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)如圖5所示，即觀察反硝化池中NO3-N濃度的變化情況。根據(jù)圖1中NO3-N濃度變化趨勢(shì)，可以把反硝化過(guò)程分為下面這3個(gè)階段：

第一階段（0～60 min），反硝化菌選擇電子供體反硝化時(shí)，對(duì)于能夠快速降解的有機(jī)物（混合液SCOD中），由于可快速降解碳源基質(zhì)有著不一樣的比重，因此所形成的反硝化速率不一樣。根據(jù)圖中NO3-N濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，NO3-N濃度從最開始的47.10 mg/L，已經(jīng)降到了39.98 mg/L，且達(dá)到了20.6%的去除率，說(shuō)明對(duì)于該階段運(yùn)用的碳源，能夠很快發(fā)生生物降解反應(yīng)。

第二階段（60～370 min），在進(jìn)水SCOD中，用于物降解的有機(jī)物基本完全消耗。這時(shí)NO3-N濃度已經(jīng)下降到13.91 mg/L，NO3-N濃度下降幅度很少，基本保持不變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究可得，第2階段的反應(yīng)時(shí)間達(dá)到了5 h以上，雖然對(duì)NO3-N濃度下降趨勢(shì)不如前60 min濃度下降的快，但是NO3-N的去除率已經(jīng)達(dá)到了61.9%，從該現(xiàn)象可得，硝態(tài)氮的去除反應(yīng)主要這一階段進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)（110 min到40 min、230 min到260 min），全部出現(xiàn)了NO3-N濃度曲線保持近似直線的狀態(tài)，一段時(shí)間之后，又恢復(fù)了NO3-N濃度曲線下降趨勢(shì)。對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)反硝化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，由于CODss（進(jìn)水中的）發(fā)生水解反應(yīng)，從而在該直線階段，反硝化菌分解有機(jī)物具有較快的速度。

第三階段（370～530 min），在CODss中產(chǎn)生大量的可降解有機(jī)物，還存在一定量的碳源，此時(shí)NO3-N的降解速度繼續(xù)減緩。

2.2 ?反硝化過(guò)程 COD 及 SCOD 的變化

圖6為反硝化反應(yīng)中SCOD與COD的濃度的變化規(guī)律曲線。在該反應(yīng)中，反硝化反應(yīng)的電子供體就是COD，該曲線的變化趨勢(shì)和NO3-N濃度變化曲線相似：

過(guò)程一，為該反應(yīng)的初期，時(shí)間為反應(yīng)開始到50 min左右。在該過(guò)程內(nèi)，COD濃度開始發(fā)生變化，并且COD 的去除率達(dá)到約20%;作為優(yōu)質(zhì)的易生物降解的有機(jī)物，SCOD碳源濃度降低幅度很大，從 67.28 mg/L迅速降到20.86 mg/L。

過(guò)程二，為該反應(yīng)的中期，時(shí)間大約是從50 min到400 min左右。COD的降解速度開始減慢，COD濃度從 188.04 mg/L降到了62.36 mg/L。在第二過(guò)程中，COD的去除率達(dá)到了56%，該現(xiàn)象表明，去除反應(yīng)主要這一階段進(jìn)行，該特征與NO3-N的去除特征類似。

過(guò)程三，400 min之后，屬于反硝化末期。COD幅度很小，近似成為一條直線。

2.3 ?反硝化速率

根據(jù)異養(yǎng)型微生物事先的反硝化反應(yīng)，在無(wú)氧的環(huán)境中，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行選擇處理，讓其作為電子供體還有碳源，并且選擇處理后化合態(tài)氧（硝酸鹽里的）作為電子受體。最后利用反硝化菌，得到還原后的含氮的單質(zhì)、化合物或者氧化物。因此進(jìn)行反硝化速率實(shí)驗(yàn)時(shí)，分析NO3-N濃度的變化情況（混合液中），進(jìn)而得到了NO3-N濃度關(guān)于時(shí)間的變化曲線圖，根據(jù)混合液 MLVSS濃度以及曲線的斜率 r，就能求出該反硝化反應(yīng)的速率。根據(jù)曲線得到三個(gè)時(shí)間階段，且各階段反應(yīng) 時(shí)間變化與NO3-N濃度呈線性關(guān)系，因此根據(jù)多段動(dòng)力學(xué)方程得到三過(guò)程的反硝化速率。

反硝化速率用RD來(lái)表示;生物濃度用Xv來(lái)表示;比反硝化速率用VD來(lái)表示，從而得到比反硝化速率公式：

分析表可得，隨著時(shí)間的不斷增加，比反硝化與反硝化速率逐漸減小。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與SCOD相比，發(fā)現(xiàn)CODSS的反硝化速率降低，達(dá)到45%左右。對(duì)整個(gè)反硝化階段進(jìn)行研究分析時(shí)，用平均比反硝化速率來(lái)表示綜合速率。根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行得出，沉砂池出水進(jìn)行反硝化反應(yīng)中，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到8.8 h左右的時(shí)候，平均比反硝化速率達(dá)到3.66 mg NO3-N/（g·h），并且NO3-N的去除率達(dá)到83%（最大值）。

3 ?結(jié) 論

（1）反硝化反應(yīng)分3個(gè)階段：第一階段（0～60 min），該階段運(yùn)用了可快速進(jìn)行生物降解的碳源;第二階段（60～370 min），用于物降解的有機(jī)物基本完全消耗;第三階段（370～530 min），該階段的NO3-N的降解速度繼續(xù)減緩。SCOD與 COD 的濃度的變化規(guī)律曲線的變化趨勢(shì)和NO3-N濃度變化曲線相似。

（2）反硝化速率各階段反應(yīng)時(shí)間變化與NO3-N濃度呈線性關(guān)系，因此根據(jù)多段動(dòng)力學(xué)方程得到三階段的反硝化速率。隨著時(shí)間的不斷增加，比反硝化與反硝化速率逐漸減小。

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