絮凝污泥作為低碳氮比生活污水補(bǔ)充碳源的脫氮試驗(yàn)研究

劉紹根, 李貴敏, 夏 姣, 羅 月

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 ，合肥，230022; 2.水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230206）

絮凝污泥作為低碳氮比生活污水補(bǔ)充碳源的脫氮試驗(yàn)研究

劉紹根1,2, 李貴敏1, 夏 姣1, 羅 月1

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 ，合肥，230022; 2.水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230206）

為解決低碳氮比生活污水生物脫氮過程中碳源不足的問題，本試驗(yàn)利用絮凝污泥水解酸化液作為外加碳源，通過生物絮凝吸附-前置反硝化曝氣生物濾池（BAF）組合工藝，研究水解酸化液對(duì)低碳氮比生活污水生物脫氮性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：未投加水解酸化液的條件下，出水COD、NH4+-N和T N平均值為17.57 mg/L、1.27 mg/L和10.21 mg/L，系統(tǒng)去除率分別達(dá)到77.91%、95.48%、64.52%左右；在碳源投配比1:60時(shí)，進(jìn)入前置BAF系統(tǒng)的COD/TN為3.71，NH4+-N和TN的去除率分別達(dá)到96.12%和79.80%。研究表明，以絮凝污泥水解酸化液作為低碳氮比生活污水補(bǔ)充碳源，可顯著提高前置BAF生物脫氮性能，且實(shí)現(xiàn)絮凝污泥的資源化與減量化。

絮凝污泥；水解酸化液；低碳氮比污水；前置反硝化；脫氮

0 引 言

目前我國(guó)城市污水普遍為低碳氮比生活污水，使得城市污水處理廠脫氮處理很難達(dá)標(biāo)[1]；而作為生活污水一級(jí)強(qiáng)化處理的生物絮凝吸附工藝，其污泥的處理與處置費(fèi)用在污水廠運(yùn)行成本中所占的比例也越來(lái)越大[2]，如何使得低碳氮比生活污水的脫氮處理達(dá)標(biāo)的同時(shí)降低成本，是目前研究的熱點(diǎn)[3-4]。

污泥水解酸化產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）中的乙酸和丙酸是生物脫氮的有效碳源，被認(rèn)為是最適合于生物營(yíng)養(yǎng)物去除工藝的碳源之一[5]。Gao 等[6]研究A2O系統(tǒng)中以剩余污泥水解酸化液用作補(bǔ)充碳源后，對(duì)TN和TP的去除率分別達(dá)到80.1% 及90.0%，脫氮除磷效果顯著提高。Tong等[7]利用剩余污泥水解酸化液作為外加碳源研究了對(duì)SBR脫氮除磷性能的影響，在投配比1:35時(shí)，對(duì)TN 和TP的去除率為83.2%和92.9%。

以污泥的水解酸化液作為外加碳源可顯著提高脫氮效率，但剩余污泥水解酸化過程中伴隨著氮和磷的釋放，若投配比控制不合理，可能會(huì)造成二次污染[8-9]。以水解酸化液作為碳源結(jié)合不同工藝處理低碳氮比生活污水，如何達(dá)到較高的脫氮效率也是目前研究的熱點(diǎn)。曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter)以水力停留時(shí)間短、水力負(fù)荷大、基建投資少、能耗及運(yùn)行成本低、出水水質(zhì)好、易于運(yùn)行管理等特點(diǎn)[10,11],被廣泛運(yùn)用于實(shí)際工程中。本試驗(yàn)以生物絮凝污泥水解酸化液作為碳源，考察絮凝污泥的水解酸化液的性質(zhì)，未投加碳源及碳源投配比對(duì)前置反硝化曝氣生物濾池的脫氮性能的影響，為污水處理廠節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行和解決低碳氮比生活污水脫氮過程中碳源不足的問題提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

本試驗(yàn)采用某校園生活污水為原水，以生物絮凝處理單元出水作為BAF系統(tǒng)試驗(yàn)用水。原污水中COD濃度在200±50 mg/L，NH4+-N濃度為17±5 mg/L，TN的濃度為22±5 mg/L。

1.2 絮凝污泥及碳源性質(zhì)

絮凝污泥取自生物絮凝吸附工藝中沉淀池內(nèi)的絮凝污泥，污泥特征（3次重復(fù)測(cè)定后取平均值）見表1。投入水解酸化裝置后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，獲得的水解酸化液經(jīng)離心后用作碳源。碳源性質(zhì)如表2所示。

表 2 水解酸化液碳源性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，裝置主體包括生物絮凝吸附池及水解酸化裝置和前置反硝化曝氣生物濾池兩大部分。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

生物絮凝吸附系統(tǒng)由絮凝吸附池、沉淀池和再生池組成。生活污水在計(jì)量泵作用下進(jìn)入絮凝吸附池，進(jìn)水量為100 L/h，活化污泥在重力的作用下與生活污水一起進(jìn)入絮凝吸附池。絮凝吸附池運(yùn)用曝氣攪拌，使污水與污泥充分混合30 min，污水中的懸浮和膠體污染物被大量吸附，形成污泥絮體，有利于在沉淀池的固液分離。污泥絮體進(jìn)入沉淀池進(jìn)行1.5 h的泥水分離，上清液進(jìn)入下一系統(tǒng)深度處理，部分沉淀污泥回流至污泥再生池內(nèi)進(jìn)行2 h的曝氣活化恢復(fù)活性，再進(jìn)入絮凝吸附池，剩余污泥則進(jìn)入水解酸化池進(jìn)行厭氧發(fā)酵。

前置BAF系統(tǒng)中D/N濾柱的內(nèi)徑為230 mm，C/N濾柱的內(nèi)徑為190 mm，C/N、D/N濾柱高3 m，內(nèi)裝有圓形陶瓷濾料，填料高度均為1.8m，沿濾料高300 mm設(shè)有取樣口。生物絮凝吸附工藝沉淀池出水進(jìn)入水箱中，由底部將污水泵入D/N濾柱，系統(tǒng)進(jìn)水量為50 L/h，同時(shí)通過回流水泵將C/N濾柱出水按一定回流比泵入D/N濾柱，出水通過重力流的形式進(jìn)入C/N濾柱，出水進(jìn)入回流水箱。由于該前置反硝化曝氣生物濾池為上向流與下向流串聯(lián)處理生物絮凝吸附工藝出水，曝氣生物濾池每3-4天為一個(gè)周期進(jìn)行反沖洗[12]。

1.4 分析項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[13]中提供的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了定時(shí)定量監(jiān)測(cè)分析。主要的測(cè)試指標(biāo)及方法包括：MLSS（重量法）；COD及SCOD（重鉻酸鉀密封消解法）；TN（過硫酸鉀氧化 紫外分光光度法）；NH4+-N（鈉氏試劑分光光度法）；DO（碘量法和溶解氧快速測(cè)定法）；pH值（pH計(jì)）；VFAs采用氣相色譜法。

2 結(jié)果與討論

2.1 前置BAF系統(tǒng)處理低碳氮比的生活污水效能性能

試驗(yàn)階段控制C/N濾柱內(nèi)的氣水比為4:1，硝化液回流比為150%（氣水比和回流比的確定，在另一篇論文中已有闡述），重點(diǎn)考察未外加碳源時(shí)，前置反硝化BAF系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)生物絮凝出水的脫氮性能。

圖2（a）前置BAF系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果

圖2（b）前置BAF系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果

圖2（c）前置BAF系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果

經(jīng)生物絮凝處理單元后生活污水中大顆粒、難降解有機(jī)物得到較大程度的去除，COD平均去除率為63.8%，SS去除率為78%，但對(duì)氨氮及總氮的去除效果不明顯，僅達(dá)到30%左右，COD、NH4+-N 和TN平均濃度分別為82.14 mg/L、22.99mg/L和28.90 mg/L。由圖2（c）可知系統(tǒng)進(jìn)水首先進(jìn)入D/N濾柱內(nèi)，經(jīng)過反硝化脫氮后，D/N濾柱的出水TN濃度均值為15.18 mg/L，總氮的去除率達(dá)47.43%左右。由此可以看出在未加碳源的情況下，前置BAF工藝對(duì)總氮的去除效果仍明顯，總氮濃度經(jīng)過D/N濾柱后大幅度下降。對(duì)比圖2（a）中D/N濾柱內(nèi)COD去除率達(dá)68.53%，分析前置反硝化工藝對(duì)TN的高去除率的主要原因：原水中含大量的碳源，經(jīng)過生物絮凝的預(yù)處理后，去除了污水中大量顆粒狀的、不易被微生物利用的碳，進(jìn)入前置反硝化濾柱中的碳源多為可生化碳源，D/N濾柱可以利用絮凝出水中的有機(jī)物作為碳源，使回流液中的硝態(tài)氮可以利用污水中的可生物降解有機(jī)物進(jìn)行反硝化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫氮作用。

污水進(jìn)入C/N濾柱后，由上圖2（b）可知污水中NH4+-N在C/N濾柱內(nèi)得到較高的去除效率，圖2（c）可知對(duì)總氮仍有一部分的去除效果，此時(shí)C/N濾柱進(jìn)水NH4+-N濃度和TN濃度分別為10.27 mg/L、15.18 mg/L左右，對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為87.69%和32.57%。污水中的氨氮進(jìn)入C/N濾柱后，通過硝化細(xì)菌將NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，隨著硝化液回流至D/N濾柱后，其內(nèi)部的硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮增加，反硝化菌利用碳源進(jìn)行反硝化作用，從而進(jìn)入C/N濾柱內(nèi)的有機(jī)物降低，使得硝化菌成為C/N濾柱中的優(yōu)勢(shì)菌種,從而促進(jìn)了對(duì)氨氮的去除。隨著BAF系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料表面的生物膜的厚度增加，氧在生物膜內(nèi)部的傳遞過程中顯現(xiàn)出一定的梯度情況，整個(gè)生物膜由外到內(nèi)依次存在水膜層、好氧層、缺氧層和厭氧層，反硝化作用在生物膜內(nèi)部進(jìn)行，使曝氣生物濾池反應(yīng)器中發(fā)生同步硝化反硝化作用而脫氮。

前置BAF系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間出水COD、NH4+-N 和TN平均值為17.57 mg/L、1.27 mg/L和10.21 mg/L，系統(tǒng)去除率分別達(dá)到77.91%、95.48%、64.52%左右，出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 碳源投配比對(duì)BAF脫氮性能的影響

在絮凝出水TN濃度約為28.90 mg/L、氣水比4:1及回流比150%的條件下，考察碳源與污水投配的流量比分別為1:70、1:60、1:50時(shí)前置BAF的生物脫氮效果如表3所示。

表3 碳源投配比對(duì)BAF運(yùn)行性能的影響

在生物脫氮的工藝中,一般認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水碳氮比(BOD:TN)大于4:1 時(shí),無(wú)需外加碳源即可達(dá)到脫氮的目的[14]。由表2可知，水解酸化液COD為2200～2500 mg/L，隨著碳源投配比的增加，前置BAF系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間對(duì)絮凝出水的脫氮性能見表3。

隨著碳源投配比的增加，前置BAF系統(tǒng)氨氮的去除率均在95.5%以，當(dāng)投配比為1:60時(shí)，對(duì)比未加碳源時(shí)增加至96.12%，對(duì)氨氮的去除效果略有提高，說(shuō)明碳源的投加對(duì)系統(tǒng)的硝化反應(yīng)沒有抑制作用。在碳源投配比由1:70增加至1:60時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率74.07%提高到79.80%，但隨著投配比的繼續(xù)增加，總氮去除率反而出現(xiàn)了下降至70.22%。

李德豪等[15]考察了碳源投配比對(duì)一體化A/ O工藝脫氮性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明COD/TN為7.5左右時(shí)，TN的去除率可達(dá)70%。由表3可知，本試驗(yàn)中碳源投配比1:60時(shí)，進(jìn)入前置BAF系統(tǒng)的COD/TN為3.71，總氮去除效果最佳，去除率達(dá)到79.80%。試驗(yàn)結(jié)果表明在前置反硝化系統(tǒng)中還存在短程硝化反硝化和同步硝化反硝化等脫氮方式，故與一般反硝化脫氮系統(tǒng)相比，對(duì)碳源投配比的要求較低，故只要外加部分水解酸化液碳源就可以利用前置BAF系統(tǒng)的特性達(dá)到生物脫氮效果。與未投加碳源時(shí)系統(tǒng)出水總氮濃度10.21 mg/ L相比，加入水解酸化液后，出水總氮濃度均值為5.86 mg/L，水解酸化液的投加顯著的提高了前置BAF系統(tǒng)的脫氮性能。

2.3 絮凝污泥水解酸化過程中的污泥減量

生物絮凝吸附工藝中所產(chǎn)生的絮凝污泥，一部分回流至污泥再生池內(nèi)進(jìn)行曝氣活化恢復(fù)活性，剩余部分則進(jìn)入水解酸化池進(jìn)行厭氧發(fā)酵，水解酸化上清液用作碳源回用至前置BAF系統(tǒng)中。系統(tǒng)的剩余污泥完全通過水解酸化池進(jìn)行排放，有資料表明，水解酸化反應(yīng)器的污泥減量公式為[16]：

式中：Re——絮凝污泥減量率

?MLSS回流——回流的絮凝污泥量

?MLSS取樣——污泥取樣量

?MLSS水解——水解酸化反應(yīng)器增加的污泥量

試驗(yàn)過程中，投加到水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的絮凝污泥濃度約為9～11 g/L，取均值10 g/L。每隔一天從水解酸化池內(nèi)取出混合液，經(jīng)過離心分離后，剩余污泥排除；同時(shí)投加等體積的新鮮絮凝污泥作為補(bǔ)充。試驗(yàn)過程中，每次取水解酸化混合液7 L左右，污泥濃度約為5.4～6.4 g/L，取平均值5.9 g/L。

厭氧發(fā)酵過程中伴隨著機(jī)械攪拌，造成污泥細(xì)胞破裂，故可以忽略絮凝污泥水解酸化過程中的污泥增加。則絮凝污泥的減量率約為：

3 結(jié)論

1）未外加碳源的前提下，低碳氮比生活污水經(jīng)生物絮凝吸附后進(jìn)入前置BAF系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行期間出水COD、氨氮、總氮的濃度均值分別為17.57 mg/L、1.02 mg/L、10.21 mg/L，去除率分別為77.91%、95.48%、64.52%。

2）絮凝污泥在厭氧攪拌的條件下發(fā)生水解酸化，水解酸化液中VFAs濃度較高。預(yù)處理后的水解酸化液VFAs為937～1029 mg/L，COD和TN為2200～2500 mg/L及 85～100 mg/L，適合用作低碳氮比生活污水的外加碳源。

3）水解酸化液與進(jìn)水投配比為1:6 0的運(yùn)行條件下，前置BAF系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率為96.12%，氨氮的去除效果略有提高；出水總氮濃度均值為5.86mg/L，去除率達(dá)到79.80%，結(jié)果表明碳源的投加，對(duì)系統(tǒng)生物脫氮性能影響顯著。

4）絮凝污泥投入水解酸化反應(yīng)器，經(jīng)過發(fā)酵后，污泥濃度均值為5.9 g/L。絮凝污泥的減量率約41%，達(dá)到了絮凝污泥減量化的目的，同時(shí)以廢治廢，實(shí)現(xiàn)了絮凝污泥的資源化利用。

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Study on Nitrogen Removal of Low Carbon-Nitrogen Ratio Domestic Sewage with Flocculation/Adsorption Sludge as Supplement Carbon Source

LIU Shaogen1,2, LI Guimin1, XIA Jiao1, LUO Yue1

(1.School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022,China；2.Anhui Key Laboratory of Water Pollution Control and Waste Water Resue,Hefei 230206,China.)

In order to solve the problem of the shortage of carbon source in the biological of nitrogen removal of low C/N ratio wastewater, the biological flocculation adsorption-pre-denitrification BAF combined process has been employed to study the influence on the biological nitrogen removal of low C/N ratio wastewater when the hydrolysis-acidification liquor of flocculation/adsorption sludge was used as addition carbon source.The experimental result showed that the average concentration of COD, NH4+-N and TN in final effluent were 17.57 mg/L、1.27 mg/ L and 10.21 mg/L without adding hydrolysis-acidification liquor. And the removal rates were about 77.91%、95.48%、64.52%.When the ratio of flow rates of carbon source to influent was 1:60,the rates of COD/TN in pre-denitrification BAF process was 3.71, and the removal rates of NH4+-N , TN were 96.12% and 79.80%.This researeh indicated that the hydrolysis-acidification liquor of flocculation/adsorption sludge could be utilized as carbon source for low C/N ratio wastewater，the denitrification performances could be effectively improved by pre-denitrification BAF,and the minimization and resources reuse of flocculation/adsorption sludge could be realized as well.

flocculation/adsorption sludge; hydrolysis-acidification liquor; low C/N ratio wastewater ;predenitrification; nitrogen removal

X703

A

2095-8382(2016)06-074-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160616

2016-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278002）

劉紹根（1967-），男，博士，教授，主要從事水污染理論與技術(shù)研究工作。