供氧速率影響同時硝化反硝化脫氮的研究

周思辰，羅威威，金錫標，呂樹光

（華東理工大學環(huán)境工程研究所，上海200237）

供氧速率影響同時硝化反硝化脫氮的研究

周思辰，羅威威，金錫標，呂樹光

（華東理工大學環(huán)境工程研究所，上海200237）

通過在實驗室內(nèi)建立同時硝化反硝化（SND）裝置，考察了供氧速率對SND脫氮的影響。結(jié)果顯示，當供氧速率由50 mL/（min·L）提高至100 mL/（min·L）時，COD與NH3-N去除效率變化不大，分別保持在96%與99%以上，而TN去除率由80%降低至70%左右。為研究造成脫氮性能差異的原因，采用批次試驗測試了不同供氧速率下的脫氮過程。研究結(jié)果表明，供氧速率的增加不影響反硝化速率，但會提高碳氧化速率，從而加快有機物的消耗，縮短了反硝化的時間，從而造成TN去除率下降。

供氧速率；氨氮；總氮；同時硝化反硝化

同時硝化反硝化（SND）具有流程簡單、節(jié)省堿度、脫氮效果好等優(yōu)點，目前已成為生物脫氮領(lǐng)域的研究熱點〔1-3〕。對于這一工藝，供氧速率顯然是一個重要的技術(shù)參數(shù)，供氧速率過低會導致硝化不完全，過高會導致碳源消耗速率增加，反硝化碳源不足〔4-5〕。而且，作為反應器內(nèi)能夠直觀反映供氧速率大小的技術(shù)參數(shù)，溶解氧（DO）濃度也被普遍認為是影響SND發(fā)生的關(guān)鍵。一般認為，SND能夠發(fā)生，是因為反應器宏觀上存在缺氧環(huán)境（DO＜0.5 mg/L）〔6〕或污泥絮體或生物膜內(nèi)部存在缺氧微環(huán)境〔3，7〕，使得反硝化能夠順利進行。所以，研究不同供氧速率下的SND脫氮，對強化SND脫氮效率、探討SND脫氮機理具有實際意義。通過建立SND試驗裝置，比較了不同供氧速率條件下裝置的脫氮性能，并采用批次試驗測試了不同供氧速率下的SND脫氮過程。

1　材料與方法

1.1試驗裝置與運行參數(shù)

SND實驗室裝置主要包括1個曝氣池與1個二沉池，其中，曝氣池的尺寸 400 mm×100 mm× 400 mm，有效容積為12.0 L，被平均分為4格，二沉池的有效容積為6.0 L。SND實驗室裝置示意如圖1所示。

試驗采用人工模擬廢水，由甲醇、硫酸銨與磷酸二氫鉀按ρ（C）∶ρ（N）∶ρ（P）=50∶10∶1投加入自來水配制而成。接種污泥取自上海市某市政污水處理廠曝氣池末端（處理工藝為A/O工藝），MLVSS/MLSS 為0.72。通過逐步提高進水負荷、調(diào)節(jié)回流比等手段，實現(xiàn)了SND系統(tǒng)的成功啟動。穩(wěn)定運行期間，COD、NH3-N負荷分別保持在0.5、0.1 kg/（m3·d）。處理水量為12.0 L/d，曝氣池末端的硝化液回流比為300%，二沉池污泥回流比為100%。

圖1　SND裝置的工藝流程示意

1.2不同供氧速率下SND性能的測試

為研究供氧速率對SND運行性能的影響，對不同供氧速率下系統(tǒng)出水的污染物濃度進行測試。試驗條件：工況1，供氧速率為50 mL/（min·L）；工況2，供氧速率為100 mL/（min·L），分別測定這兩個工況下的出水COD、NH3-N、TN。

1.3不同供氧速率下SND脫氮過程的測試

為研究供氧速率對SND脫氮過程的影響，采用批次試驗測試不同供氧速率下的SND過程。分別向兩個2.0L的SBR投加污泥、甲醇、硫酸銨、硝酸鈉與碳酸鈉。兩組SBR的初始COD、NH3-N、NO3--N均為300、50、50 mg/L，供氧速率分別為 60、120 mL/（min·L），MLVSS為4.07、4.18 g/L。試驗開始后，每隔1.0 h取樣，并測定上清液中COD、NH3-N與TN的濃度，同時在線監(jiān)測DO。

1.4碳氧化活性與反硝化活性的測試

為了研究供氧速率影響SND脫氮的原因，采用批次試驗分別測試污泥的反硝化活性與碳氧化活性。

反硝化活性是指在充足的NO3--N與COD濃度下，污泥對NO3--N的最大去除速率。向2.0 L的SBR投加污泥、硝酸鈉、甲醇，COD、NO3--N的初始質(zhì)量濃度分別為150、30 mg/L，MLVSS為1.78 g/L，缺氧攪拌，并每隔1 h取樣，測定上清液中COD與NO3--N的濃度。

碳氧化活性是指在不受COD濃度與供氧速率限制下，污泥對COD的最大去除速率。向2.0 L的SBR投加污泥與甲醇，COD的初始質(zhì)量濃度與MLVSS分別為300 mg/L與2.01 g/L。實驗采用空氣泵供氧并維持DO＞2 mg/L（保證供氧不受限制），每隔0.5 h取樣，并測定上清液中COD的濃度。

1.5分析方法

COD、TN、NH3-N、NO3--N、MLSS與 MLVSS的測定方法參見《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版，2002年，中國環(huán)境科學出版社），DO采用便攜式溶氧儀（YSI Pro ODO）測定。

2　結(jié)果與討論

2.1供氧速率對SND運行性能的影響

當供氧速率分別為50、100 mL/（min·L）時，SND裝置分別對COD、NH3-N與TN的去除效果如圖2所示。

圖2　COD、NH3-N與TN的去除效果

由圖2可見，0～30 d，供氧速率為50 mL/（min·L）時，出水COD、NH3-N、TN分別為15～26、0.2、17.5～21.3 mg/L，對應的去除率分別為94.8%～97.0%、≥99.5%、78.7%～82.5%。31～50 d，供氧速率提高至100 mL/（min·L），出水COD、NH3-N的變化不大，分別為17～23、0.2 mg/L，相應的去除率分別為95.4%～96.6%、≥99.5%；然而，出水TN升高至27.3～33.2 mg/L，TN去除率降低至66.8%～72.7%。

由上述分析可知，在兩個供氧速率下，SND系統(tǒng)均顯示出對COD與NH3-N良好的處理效果，分別高于96%與99%，這說明，供氧速率不影響COD與NH3-N的去除；然而，當供氧速率從50 mL/（min·L）提高至100 mL/（min·L）時，系統(tǒng)的TN去除率從80%降低至70%左右，提高供氧速率導致系統(tǒng)脫氮效率的下降。

一些研究者也指出，供氧速率對SND脫氮具有明顯的影響，例如，趙冰怡等〔4〕在連續(xù)運行的MBR反應器中處理以乙酸鈉為碳源的模擬氨氮廢水，當供氧速率分別為0.35、0.40、0.55 m3/h時，TN去除率分別為77%、85%、45%；王建文等〔8〕采用實驗室規(guī)模的SBR裝置處理以葡萄糖為碳源的模擬氨氮廢水，當進水COD、NH3-N分別為500、33.3mg/L、供氧速率分別為16、32L/h時，TN去除率分別為70.6%、≤40%。方茜等〔9〕在連續(xù)曝氣的SBR反應器中處理模擬城市污水，當供氧速率分別為30、40、50、60 L/h時，對TN的去除率分別為68.2%、79.9%、75.2%、75.4%。然而，供氧速率影響SND脫氮的原因還需要進一步研究。

2.2供氧速率對SND脫氮過程的影響

采用批次試驗對兩個供氧速率下的SND脫氮過程進行了測試。當供氧速率分別為60、120 mL/（min·L）時，DO、COD、TN與NH3-N的變化如圖3所示。

圖3　　批次試驗中DO、COD、TN與NH3-N的變化情況

由圖3可見，當供氧速率從60 mL/（min·L）提高至120 mL/（min·L）時，DO的躍升點從8.0 h提前至了4.5 h；在曝氣前期，當存在充分的易降解碳源時，COD去除速率從25.9 mg/（g·h）升高至32.7mg/（g·h），TN去除速率（以N計，下同）分別為3.94 mg/（g·h）與3.87 mg/（g·h），硝化速率（以N計，下同）從 0.48 mg/（g·h）提高到1.12 mg/（g·h）；在曝氣后期，當COD消耗完畢時，硝化速率從2.01 mg/（g·h）提高到3.22 mg/（g·h）。結(jié)果顯示，供氧速率的提高，并沒有影響TN去除速率（即反硝化速率），而是提高了COD和NH3-N的去除速率。

許多學者都指出DO濃度是影響SND高效脫氮的關(guān)鍵因素，控制DO小于0.5 mg/L有利于SND的發(fā)生。而筆者研究卻發(fā)現(xiàn)DO濃度變化具有一定的規(guī)律性，比如，在兩種供氧速率下，反應初期（前4.5、8.0 h）的DO均保持在0.5 mg/L以下；當NH3-N降至3 mg/L以下時，DO躍升至5.5 mg/L以上。類似的DO突躍現(xiàn)象在J.Holman等〔10〕的研究中也有報道，在反應前期，DO保持在0.5 mg/L以下，當NH3-N降低至1 mg/L以下時，DO躍升至2 mg/L以上。分析認為，DO濃度與底物濃度關(guān)系密切，當可降解有機物濃度較高時，碳氧化速率受到供氧速率的限制，故DO總是低于0.5 mg/L，而當可降解有機物降解結(jié)束后，供氧速率遠大于碳氧化速率，導致DO濃度躍升。文中，供氧速率的提高加快了可降解有機物的降解，導致DO突躍點的前移，也縮短了SND脫氮的反應時間，從而影響了TN去除效率。

2.3供氧速率影響SND脫氮原因的初步分析

為了進一步研究供氧速率影響SND脫氮的機理，分別測定了污泥的反硝化活性與碳氧化活性，結(jié)果表明：污泥的反硝化活性（以N計，下同）為4.03 mg/（g·h），缺氧反硝化的ΔCOD/ΔNO3--N為4.25；污泥的碳氧化活性為56.3 mg/（g·h）。

在SND脫氮過程中，有機物主要被兩個反應所去除：碳氧化與反硝化反應，可用公式（1）來表示：

式中：rCOD——COD去除速率，mg/（g·h）；

rCO——碳氧化速率（以COD計，下同），mg/（g·h）；

rDN——反硝化速率，mg/（g·h）；

b——缺氧反硝化時的ΔCOD/ΔNO3--N，b=4.25。

根據(jù)公式（1）與2.2節(jié)，可計算出SND脫氮過程中污泥的碳氧化速率、反硝化速率與COD去除速率，結(jié)果如表1所示。

表1　　碳氧化速率、反硝化速率與COD去除速率

由表1可見，兩種供氧速率下的反硝化速率分別為3.94、3.87 mg/（g·h），均接近于污泥的反硝化活性4.03 mg/（g·h），說明當存在充足的可降解碳源時，反硝化不受供氧速率的影響，以接近反硝化活性的速率進行。

在兩種供氧速率下，碳氧化速率分別為9.2、16.3mg/（g·h），遠遠低于碳氧化活性56.3 mg/（g·h），說明碳氧化速率受到供氧速率的限制，且隨著供氧速率的提高而升高。隨著碳氧化速率的提高，COD去除速率由25.9 mg/（g·h）升高至32.7 mg/（g·h），從而加快了有機物的消耗，所以盡管反硝化速率幾乎沒有變化，但由于有機物的過快降解，縮短了反硝化正常進行的時間，導致系統(tǒng)TN去除率的下降。

所以，為了提高系統(tǒng)的TN去除率，在保證硝化完全與曝氣池滿足混合效果的前提下，應盡量降低系統(tǒng)的供氧速率，以降低碳氧化速率，使更多的有機物為反硝化過程所利用。

3　結(jié)論

在實驗室考察了供氧速率對SND的影響。研究發(fā)現(xiàn)，供氧速率的提高，可提高COD去除速率與硝化速率，但降低了TN去除率。分析認為，在碳源有限的前提下，隨著供氧速率的增加，碳氧化速率隨之提高，加快了有機物的消耗，縮短了反硝化時間，導致TN去除效率的降低。故為了提高系統(tǒng)的TN去除率，宜盡量降低系統(tǒng)的供氧速率，使更多的COD為反硝化所用。研究結(jié)果為如何提高曝氣池的脫氮效率提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考，對現(xiàn)有污水處理廠脫氮技術(shù)的升級改造具有實際意義。

［1］Pochana K，Keller J.Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification（SND）［J］.Water Science and Technology，1999，39（6）：61-68.

［2］榮宏偉，彭永臻，張朝升，等.序批式生物膜反應器的同步硝化反硝化研究［J］.工業(yè)水處理，2008，28（11）：9-12.

［3］李晨光，王暄.碳源利用方式對好氧顆粒污泥同步硝化反硝化的影響［J］.工業(yè)水處理，2009，29（12）：66-69.

［4］趙冰怡，陳英文，沈樹寶.C/N比和曝氣量影響MBR同步硝化反硝化的研究［J］.環(huán)境工程學報，2009，3（3）：400-404.

［5］陳英文，陳徉，沈樹寶.膜生物反應器同步硝化反硝化系統(tǒng)的研究［J］.環(huán)境工程學報，2008，2（7）：902-905.

［6］Elisabeth V，Lant P，Keller J.Simultaneous nitrification and denitrificationinbench-scalesequencingbatchreactors［J］.WaterResearch，1996，30（2）：277-284.

［7］何爭光，賈勝勇，鄭敏.SBBR在味精廢水深度脫氮中的應用研究［J］.工業(yè)水處理，2013，33（2）：20-23.

［8］王建文，高曉波，李曉霞.SBR工藝中曝氣量、C/N對同步硝化反硝化的影響研究［J］.商情，2013（16）：245-246.

［9］方茜，張朝升，張立秋，等.曝氣量對同時硝化/反硝化除磷工藝效能的影響［J］.中國給水排水，2014，30（21）：14-18.

［10］Holman J，Wareham D.COD，ammonia and dissolved oxygen time profiles in the simultaneous nitrification/denitrification process［J］. Biochemical Engineering Journal，2005，22（2）：125-133.

Influences of oxygen-supply rate on nitrogen removal via simultaneous nitrification and denitrification

Zhou Sichen，Luo Weiwei，Jin Xibiao，Lü Shuguang
（Research Institute of Environmental Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

The influences of different oxygen-supply rate on the removal of nitrogen via simultaneous nitrification and denitrification（SND）has been investigateed，by establishing a SND device in laboratory.The results show that when the oxygen-supply rate increases from 50 to 100 mL/（min·L），the removing rates of COD and NH3-N do not change much，keeping at above 96%and 99%，respectively，while the TN removing rate decreases from 80%to about 70%.To identify the causes of nitrogen removing capacity difference，batch tests are conducted so as to investigate the nitrogen removing process at different oxygen-supply rates.The results show that the increase of oxygen-supply rate does not have any influence on its denitrification rate，but can increase the carbonaceous oxidation rate，so as to speed up the consumption of organic substances and shorten denitrification time，leading to the decline of TN removing rate.

oxygen-supply rate；ammonia nitrogen；total nitrogen；simultaneous nitrification and denitrification

分析與監(jiān)測

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0083-03

周思辰（1981—），碩士，工程師。E-mail：sichen_zhou@ hotmail.com。

2015-11-21（修改稿）