改良型氧化溝內(nèi)氮的質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑分析

苑丹丹，于靜潔，蘇凡凱，鄭劍鋒，張 燕，孫力平

（1.天津城建大學(xué) a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán) 第三機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，昆明 650228）

環(huán)境與市政

改良型氧化溝內(nèi)氮的質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑分析

苑丹丹1a，1b，于靜潔1a，1b，蘇凡凱2，鄭劍鋒1a，1b，張 燕1，孫力平1a，1b

（1.天津城建大學(xué) a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán) 第三機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，昆明 650228）

改良型循環(huán)比可調(diào)式氧化溝在廊道內(nèi)設(shè)置緩流板，以此調(diào)節(jié)循環(huán)比（氧化溝廊道斷面通過(guò)的循環(huán)流量與進(jìn)水流量的比值），同時(shí)改變好氧區(qū)混合液回流向缺氧區(qū)的量.利用質(zhì)量平衡的方法，研究了設(shè)置緩流板前后系統(tǒng)內(nèi)氮污染物的轉(zhuǎn)化途徑及有機(jī)物、氮和磷去除效果的變化.結(jié)果表明：不設(shè)緩流板，循環(huán)比為 241時(shí)，COD、TP、TN、的平均去除率分別為 91.2%，、86.4%，、67.2%，和 82.7%，進(jìn)水總氮中有 23.6%，通過(guò)傳統(tǒng)硝化反硝化去除，12.3%，通過(guò)反硝化除磷去除；而增設(shè)緩流板，循環(huán)比為27時(shí)，COD、TP、TN、的平均去除率分別為93.3%，、96.0%，、78.1%，和 87.1%，進(jìn)水總氮中有 12.0%，通過(guò)傳統(tǒng)硝化反硝化去除，41.1%，通過(guò)反硝化除磷去除.綜上可知：增設(shè)緩流板控制循環(huán)比，有助于提高氧化溝工藝的同步脫氮除磷效果，更有利于增強(qiáng)反硝化除磷脫氮能力.

改良型氧化溝；緩流板；循環(huán)比；氮的轉(zhuǎn)化

由于氧化溝工藝具有耐沖擊負(fù)荷、不設(shè)初沉池、有機(jī)物去除率高等特性，自1954年以來(lái)，世界各地先后建立起了多種多樣的氧化溝污水處理廠.但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者、工程師對(duì)氧化溝工藝的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及管理中通常采用污泥濃度、污泥齡、污泥負(fù)荷等作為設(shè)計(jì)和調(diào)控參數(shù)，而沒(méi)有將循環(huán)比（氧化溝廊道斷面通過(guò)的循環(huán)流量與進(jìn)水流量的比值）作為工藝參數(shù)考慮在內(nèi).對(duì)于氧化溝廊道內(nèi)設(shè)置好氧區(qū)和缺氧區(qū)的工藝，調(diào)節(jié)循環(huán)比會(huì)改變好氧區(qū)向缺氧區(qū)回流混合液的量，最終會(huì)影響到氧化溝內(nèi)碳、氮、磷污染物的去除效果［1］.已建的各種類(lèi)型氧化溝工藝循環(huán)比大小不等，可相差十幾至數(shù)百倍［2-3］.因此，試驗(yàn)過(guò)程中，改良型循環(huán)比可調(diào)式氧化溝將循環(huán)比作為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，并對(duì)比了設(shè)置緩流板前后氧化溝內(nèi)碳、氮、磷污染物的去除效果，對(duì)氮污染物進(jìn)行了質(zhì)量平衡，分析了系統(tǒng)內(nèi)氮污染物的轉(zhuǎn)化途徑，研究了循環(huán)比對(duì)改良型循環(huán)比可調(diào)式氮化溝脫氮除磷能力的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

改良型循環(huán)比可調(diào)式氧化溝體積為 0.1，m3，含厭氧1～3區(qū)及主反應(yīng)區(qū)，主反應(yīng)區(qū)內(nèi)4個(gè)無(wú)曝氣的廊道為缺氧1～4區(qū)，另外兩個(gè)曝氣廊道為好氧1、2區(qū).沉淀池體積為0.024 m3.在厭氧1～3區(qū)及主反應(yīng)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)彎處分別設(shè)置攪拌器以推動(dòng)廊道內(nèi)混合液流動(dòng).進(jìn)水量及污泥回流量由蠕動(dòng)泵控制，由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制好氧區(qū)的供氣量.試驗(yàn)裝置詳見(jiàn)圖1.

圖1 循環(huán)比可調(diào)式氧化溝系統(tǒng)示意（第Ⅰ工況）

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水為人工配水，配水情況如表1所示.

1.3 試驗(yàn)運(yùn)行條件

系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，試驗(yàn)用泥取自天津市某污水處理廠.不設(shè)緩流板作為第Ⅰ運(yùn)行工況，設(shè)置緩流板作為第Ⅱ運(yùn)行工況（缺氧1區(qū)和好氧1區(qū)前端分別設(shè)置一板），兩工況下的操作參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 配水表

表2 不同運(yùn)行工況的操作參數(shù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，第Ⅰ工況不設(shè)緩流板，好氧1區(qū)、2區(qū)廊道起始端設(shè)置點(diǎn)狀曝氣器供氧；第Ⅱ工況設(shè)置緩流板，好氧 1區(qū)、2區(qū)廊道采用條狀曝氣器均勻供氧.兩種工況下，缺氧區(qū)溶解氧濃度都在0～0.5，mg/L，好氧區(qū)溶解氧濃度均在 1～2，mg/L范圍內(nèi).綜上所述，第Ⅰ工況、第Ⅱ工況溶解氧濃度梯度基本一致，操作參數(shù)混合液懸浮固體濃度、污泥齡、水力停留時(shí)間、容積負(fù)荷、污泥回流比不變的條件下，循環(huán)比的變化成為了影響氧化溝系統(tǒng)污染物去除效果及氮轉(zhuǎn)化途徑的主要因素.

1.4 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

循環(huán)比可調(diào)式氧化溝進(jìn)、出水水質(zhì)的檢測(cè)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法［4］進(jìn)行，詳見(jiàn)表3.

表3 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

2 兩工況下氮磷去除效果對(duì)比

每一工況下污泥穩(wěn)定培養(yǎng) 25，d左右，穩(wěn)定培養(yǎng)期末觀察系統(tǒng)內(nèi)活性污泥菌群，當(dāng)污泥馴化成熟的指示生物（如鐘蟲(chóng)）出現(xiàn)時(shí)，表明氧化溝運(yùn)行穩(wěn)定［5-6］.之后取樣檢測(cè)氧化溝各水質(zhì)指標(biāo)變化情況，結(jié)果詳見(jiàn)表4.

表4 兩個(gè)工況下進(jìn)、出水水質(zhì)測(cè)定結(jié)果過(guò)

2.1 第Ⅰ工況下氮的質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑

循環(huán)比可調(diào)式氧化溝進(jìn)水流量Qin為10，L/h，第Ⅰ工況下由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的揮發(fā)性懸浮固體濃度（Xv）值為3.323，g/L，剩余污泥排放量（Qp）為8，L/d.進(jìn)出水水質(zhì)詳見(jiàn)表5.

表5 第Ⅰ工況下氮污染指標(biāo)測(cè)定結(jié)果 mg·L-1

2.1.1 系統(tǒng)內(nèi)氮質(zhì)量平衡

由于厭氧區(qū)和沉淀池?zé)o曝氣，且厭氧區(qū)是形成聚羥基脂肪酸酯（PHA）的功能區(qū)，因此假定厭氧區(qū)和沉淀池不存在硝化過(guò)程和反硝化除磷過(guò)程.由于沉淀池內(nèi)有機(jī)物濃度很低，且存在的有機(jī)物是降解殘余有機(jī)物，因此假定沉淀池不存在微生物生長(zhǎng)過(guò)程.下列公式中C代表濃度，Q代表流量，M代表質(zhì)量.

TN的質(zhì)量平衡方程式為

沉淀池出水排出的TN的量為

剩余污泥排放的 TN量通過(guò)剩余污泥排放量（Qp，L/d）、揮發(fā)性懸浮固體濃度（Xv，mg/L）和 fN的乘積得到，Barker［8］和 Lee［9］等人在其研究中采用fN為 0.1，g N/gVss，Chen［10］等人的研究中對(duì) fN進(jìn)行測(cè)定，其值也將近是 0.1，g N/gVss，因此本文采用fN=0.1，g N/gVss.剩余污泥排放的TN量為

整個(gè)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化成氮?dú)馊コ牡饕梢韵聨撞糠纸M成：?回流污泥攜帶到厭氧區(qū)的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮反硝化去除的氮；?沉淀池發(fā)生傳統(tǒng)硝化反硝化去除的氮；?主反應(yīng)區(qū)中反硝化去除的氮.

厭氧區(qū)傳統(tǒng)反硝化去除的氮量為

沉淀池傳統(tǒng)反硝化去除的氮量為

計(jì)算主反應(yīng)區(qū)反硝化去除的氮量較為復(fù)雜，首先應(yīng)計(jì)算主反應(yīng)區(qū)TN的減少量，即

主反應(yīng)區(qū)液相中 TN的減少量，一部分是由于反硝化過(guò)程將氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ匆合噢D(zhuǎn)移至氣相），另外一部分則用于微生物增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞（即液相轉(zhuǎn)移至固相）.由于改良型氧化溝是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)，難以準(zhǔn)確收集測(cè)定氮?dú)猱a(chǎn)量，因此為確定主反應(yīng)區(qū)反硝化去除的氮量，需要先確定主反應(yīng)區(qū)用于微生物增長(zhǎng)的 TN消耗量.而厭氧區(qū)用于微生物增長(zhǎng)的TN消耗量為

因此，主反應(yīng)區(qū)用于微生物增長(zhǎng)的TN消耗量為

進(jìn)而，主反應(yīng)區(qū)反硝化去除的氮量為

在整個(gè)系統(tǒng)中通過(guò)反硝化過(guò)程去除的氮量為

所以由式（1）知

進(jìn)入系統(tǒng)的TN的量為

N平衡率為

因此，由氮的質(zhì)量平衡計(jì)算得出的平衡率可知本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本可靠.

由于穩(wěn)定期內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)、出水水質(zhì)基本恒定，同一工況下運(yùn)行參數(shù)也恒定不變，可假定每天進(jìn)入系統(tǒng)的 TN量與流出系統(tǒng)的TN量相等.此外，由于沉淀池出水排出的 TN量（MTN，沉出）、剩余污泥排放的 TN量（MTN，剩余污泥）、厭氧區(qū)傳統(tǒng)反硝化去除的氮量以及沉淀池傳統(tǒng)反硝化去除的氮量是依據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)直接計(jì)算得到的，因此以每天進(jìn)入系統(tǒng)的 TN量為準(zhǔn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中反硝化過(guò)程去除的氮量和主反應(yīng)區(qū)反硝化去除的氮量進(jìn)行修訂，即

2.1.2 主反應(yīng)區(qū)內(nèi)氮質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑

氧化溝主反應(yīng)區(qū)脫氮經(jīng)由以下兩個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程：①反硝化除磷消耗的氮量；②傳統(tǒng)硝化反硝化去除的氮量.

本研究通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)中存在反硝化除磷過(guò)程，系統(tǒng)中反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為17.54%，，反硝化聚磷菌的除磷量為 589.895，mg/ d.反硝化除磷脫氮的反應(yīng)式為［11］

由式（16）可以看出，每去除1，g P消耗2.20，g N，丁彩娟等人［12］的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化2，mg NO3--N可以促進(jìn)1，mg PO43--P的吸收，本文取2.00，則理論上系統(tǒng)中反硝化除磷菌去除 589.895，mg/d磷時(shí)所需要的氮量為

即主反應(yīng)區(qū)反硝化除磷消耗的氮量為1，179.79， mg/d.

主反應(yīng)區(qū)通過(guò)傳統(tǒng)反硝化去除的氮量為

因此，改良型工藝系統(tǒng)中傳統(tǒng)反硝化去除的氮量為

經(jīng)以上計(jì)算可知，在循環(huán)比可調(diào)式氧化溝工藝系統(tǒng)中不設(shè)置緩流板時(shí)，氮污染物中有 27.71%，（MTN，剩余污泥/MTN，系統(tǒng)進(jìn)）是通過(guò)剩余污泥排放的，有36.43%，（MTN，沉出/MTN，系統(tǒng)進(jìn)）是通過(guò)沉淀池出水排出的，有12.30%是通過(guò)反硝化聚磷途徑去除的，有 23.56%是通過(guò)傳統(tǒng)反硝化去除的.

2.2 第Ⅱ工況下氮的質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑

第Ⅱ工況下氮的質(zhì)量平衡及轉(zhuǎn)化途徑的分析方法同第Ⅰ工況.本工況下測(cè)得的Xv值為3.071，g/L，Qp為8，L/d.各水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表6，質(zhì)量平衡結(jié)果詳見(jiàn)表7.

表6 第Ⅱ工況下氮污染指標(biāo)測(cè)定結(jié)果 mg·L-1

由上表中Nη=101.92%，可以看出，本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的.經(jīng)計(jì)算可知，在循環(huán)比可調(diào)式氧化溝工藝中設(shè)置緩流板，調(diào)節(jié)循環(huán)比，氮污染物含量中有 26.33%，通過(guò)剩余污泥排放，20.63%，是通過(guò)沉淀池出水排出的，有 41.05%，通過(guò)反硝化除磷消耗的，有11.99%，通過(guò)傳統(tǒng)硝化反硝化去除.

表7 第Ⅱ工況下氮的質(zhì)量平衡結(jié)果

2.3 第Ⅰ、第Ⅱ工況下氮轉(zhuǎn)化途徑對(duì)比

兩工況下氮的轉(zhuǎn)化途徑如表8所示.由表8看出，第Ⅰ工況厭氧區(qū)發(fā)生傳統(tǒng)反硝化消耗的氮大于第Ⅱ工況.原因是由于該工況下回流污泥攜帶回厭氧區(qū)的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度較高，同時(shí)由于厭氧區(qū)有較充足的碳源，因此導(dǎo)致第Ⅰ工況厭氧區(qū)通過(guò)傳統(tǒng)反硝化去除的氮量比第Ⅱ工況的大.

表8 兩工況下TN在各反應(yīng)區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)化量 mg·d-1

試驗(yàn)證明，兩工況都存在反硝化除磷，但第Ⅰ工況中反硝化除磷菌占總聚磷菌的比例僅為17.54%，低于第Ⅱ工況下的 46.1%，.因此，第Ⅱ工況反硝化除磷消耗的氮量高于第Ⅰ工況.

綜上所述，兩工況下的改良型氧化溝內(nèi)污染物氮的轉(zhuǎn)化途徑存在差異，即由于第Ⅱ工況氧化溝內(nèi)設(shè)置了緩流板，降低了氧化溝廊道內(nèi)混合液的循環(huán)比，減小了好氧廊道混合液回流向缺氧廊道的量，進(jìn)而延長(zhǎng)了混合液在好氧區(qū)和缺氧區(qū)循環(huán)流動(dòng)時(shí)單次停留時(shí)間.同時(shí)，保證了硝化和反硝化反應(yīng)的有效進(jìn)行，最終強(qiáng)化了反硝化除磷菌的富集，從而使得第Ⅱ工況由反硝化除磷過(guò)程去除的氮量顯著高于未加緩流板情況下的第Ⅰ工況.

3 結(jié) 論

本文通過(guò)比較兩種不同工況下（有無(wú)緩流板）氧化溝內(nèi)污染物去除效果的差異，研究了不同循環(huán)比下氮污染物去除途徑的變化情況，將結(jié)論歸結(jié)如下.

（1）在氧化溝廊道內(nèi)設(shè)置緩流板調(diào)控循環(huán)比，有利于氧化溝內(nèi)氮磷污染物的去除.

（2）氧化溝工藝中，調(diào)節(jié)循環(huán)比可以影響系統(tǒng)內(nèi)氮的轉(zhuǎn)化.增設(shè)緩流板前后，反硝化除磷過(guò)程去除的氮量由 12.30%，提高到 41.05%，傳統(tǒng)反硝化作用去除的氮量由23.56%，下降到11.99%.

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Analysis of Nitrogen Mass Balance and Conversation Pathway in Modified Oxidation Ditch

YUAN Dandan1a，1b，YU Jingjie1a，1b，SU Fankai2，ZHENG Jianfeng1a，1b，ZHANG Yan1，SUN Liping1a，1b
（1a.School of Environmental and Municipal Engineering；1b.Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，TCU，Tianjin 300384，China；2.The Third Electromechanical Design and Research Institute，Designing Institute Group of Yunnan Province，Kunming 650200，China）

The recirculation ratio （namely the ratio of circulation flow to influent flow in compartment section）is changed by adding flashboard in compartment section to regulate mixed liquor refluxing from aerobic zone to anoxic zone in modified oxidation ditch.This study has been done by comparing the changes of the organics，simultaneous nitrogen and phosphorus removal before and after adding flashboard in oxidation ditch compartment，and with mass balance to the differences of the conversion pathways of nitrogen.The results show that，when the recirculation ratio is 241without the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+removal are 91.2%，86.4%，67.2% and，82.7% respectively.The ratios are 23.6% and 12.3% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.When the recirculation ratio is 27 with the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+，removal are 93.3%，96.0%，78.1% and 87.1%，respectively.The ratios are 12.0%and 41.1% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.To sum up，regulating recirculation ratio by adding flashboard is helpful for improving the simultaneous nitrogen and phosphorus removal of oxidation ditch process，and is also helpful for increasing the capability of denitrifying phosphorus and nitrogen removal.

modified oxidation ditch；flashboard；recirculation ratio；nitrogen conversation

X703

A

2095-719X（2016）03-0200-06

2015-05-05；

2015-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金（51108299）；天津市自然科學(xué)基金（10JCYBJC05300）

苑丹丹（1991—），女，河北衡水人，天津城建大學(xué)碩士生.

于靜潔（1978—），女，教授，從事污水處理與工藝系統(tǒng)模擬方面的研究.E-mail: yjj.mary@163.com