高負(fù)荷活性污泥法對(duì)生活污水的處理效果

宮 晨， 沈翼軍，2， 楊殿海*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心,安徽馬鞍山 243002)

高負(fù)荷活性污泥法對(duì)生活污水的處理效果

宮 晨1， 沈翼軍1，2， 楊殿海1*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心,安徽馬鞍山 243002)

[目的]探究高負(fù)荷活性污泥法與短程硝化和TN去除率之間的關(guān)系。[方法]采用A/O小試裝置處理低C/N實(shí)際生活污水，將水力停留時(shí)間(HRT)降低至7.00 和3.50 h，考察該方法對(duì)生活污水中氮的去除效果。[結(jié)果]在低HRT高負(fù)荷工況下，DO需要高達(dá)3.00 mg/L才能將NH4+-N完全去除。低HRT對(duì)于亞硝化率有一定影響，但進(jìn)水NH4+-N濃度仍是影響亞硝化率的主要因素。在一定范圍內(nèi)，較低的NH4+-N去除率對(duì)TN去除沒有影響。COD的去除不受低HRT影響。在高COD負(fù)荷下，提高DO濃度可以預(yù)防污泥膨脹，但會(huì)降低TN的去除率。[結(jié)論]低HRT對(duì)亞硝化率有一定影響，但影響亞硝化率最主要的因素是NH4+-N濃度。

低HRT；亞硝化率；氨氮；COD

高負(fù)荷活性污泥法是一種化學(xué)需氧量(COD)負(fù)荷高、曝氣池停留時(shí)間短的處理方法，它可以節(jié)省曝氣池體積，降低建設(shè)成本。在當(dāng)前城市用地緊張、地價(jià)昂貴的情況下，運(yùn)用高負(fù)荷活性污泥法處理生活污水具有重要意義。此外，在一定條件下較低的水力停留時(shí)間(HRT)也能使硝化反應(yīng)從全程硝化向短程硝化轉(zhuǎn)換，短程硝化能夠節(jié)約碳源和缺氧池體積，提高總氮(TN)去除率，對(duì)于低C/N污水脫氮具有重要意義。陳韜等[1]在短程硝化試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將HRT延長(zhǎng)至12.00 h，出水中NO2--N積累率顯著下降，說明HRT與NO2--N積累率存在一定關(guān)系。筆者采用A/O反應(yīng)器處理低C/N實(shí)際生活污水，在HRT為3.50 h及COD負(fù)荷達(dá)到5.2 kg/(kgMLSS·d)的條件下，研究NO2--N積累率變化情況及對(duì)反應(yīng)器脫氮的影響，以期為低NH4+-N 主流生活污水短程硝化研究中HRT選取提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 工藝流程和反應(yīng)器控制 試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成的CSTR反應(yīng)器組成，包括缺氧池、好氧池和豎流二沉池，活性污泥取自合肥某污水廠，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度為2 000～3 000 mg/L。裝置示意見圖1。缺氧池有效容積為2.1 L，好氧池有效容積為4.8 L，二沉池有效容積為11.0 L，SRT為20～50 d，內(nèi)回流比為200%，污泥回流比為100%。罐體內(nèi)均設(shè)置有攪拌器，好氧池內(nèi)使用曝氣砂頭進(jìn)行曝氣，通過氣泵上的旋鈕控制曝氣量。進(jìn)水、內(nèi)回流和污泥回流由蠕動(dòng)泵控制。

注：1. 進(jìn)水泵;2.攪拌器;3.出水口;4.曝氣砂頭;5.內(nèi)回流泵;6.污泥回流泵;7.豎流二沉池;8.溢流口;9.排泥口。Note: 1. Intake pump; 2. Plunger; 3. Water outlet; 4. Aeration sand head; 5. Internal reflux pump; 6. Sludge reflux pump; 7. Vertical flow two sedimentation tank; 8. Overflow gate; 9. Mud outlet. 圖1 反應(yīng)器裝置Fig.1 The reactor device

1.2 各階段參數(shù) 各階段運(yùn)行參數(shù)見表1。試驗(yàn)不控制溫度，在室溫條件下進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì) 進(jìn)水取自合肥某污水廠沉砂池出水，C/N僅為3.7，屬于低C/N污水，水質(zhì)情況：NH4+-N濃度為14.5～39.8 mg/L,TN 17.8～64.1 mg/L,COD 84.5～222.5 mg/L,pH 7.7～8.0。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法 采用納氏試劑分光光度法測(cè)定NH4+-N濃度；采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法測(cè)定NO2--N濃度；采用紫外分光光度法測(cè)定NO3--N濃度；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN濃度；采用重鉻酸鉀分光光度法測(cè)定COD濃度；采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定混合液懸浮固體濃度(MLSS)和污泥體積指數(shù)(SVI)。

表1 各階段運(yùn)行參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 NH4+-N的去除 各階段NH4+-N的去除情況見圖2。階段 Ⅰ 為接種馴化期，好氧池HRT為5.00 h，共8 d。該階段NH4+-N去除率從28.4%上升到90.0%以上，且好氧池平均溫度僅為16.6 ℃，說明接種污泥具有良好的硝化性能。

階段 Ⅱ 將HRT縮減50%，好氧池HRT為2.50 h，共13 d。該階段初期(10～17 d)進(jìn)水NH4+-N濃度較低，但平均去除率為62.0%。這是由于好氧池HRT降低了1倍，攪拌器轉(zhuǎn)速不夠，使其水力分布不均勻，有些進(jìn)水未接觸到氧氣就從反應(yīng)器流出。在加快攪拌器轉(zhuǎn)速后，NH4+-N去除率立即升高至80.0%以上。

階段Ⅲ將DO濃度降至0.50 mg/L以下，嘗試用低濃度DO抑制硝化細(xì)菌(NOB)以達(dá)到短程硝化。Hanaki等[2]研究表明，低濃度DO可以抑制NOB的生長(zhǎng)，而亞硝化細(xì)菌(AOB)增殖的速率加快，補(bǔ)償了低濃度DO造成的代謝下降，使NH4+-N氧化不受影響[2]。在該研究中，DO濃度的降低使平均NH4+-N去除率下降至42.0%。原因可能是該研究所采用的是連續(xù)流裝置，好氧池HRT僅為2.50 h，內(nèi)回流使得實(shí)際停留時(shí)間更短，微生物、基質(zhì)未與氧氣充分接觸就流出好氧池。另外，活性污泥濃度較低，AOB基數(shù)較小，活性又被抑制，即使增殖速率變快也難以達(dá)到充分氧化銨根離子的水平。

階段Ⅳ再將HRT縮減50%，平均DO濃度為0.80 mg/L。該階段NH4+-N平均去除率為48.7%，且去除率較上一階段更加穩(wěn)定。但由于該階段好氧池HRT僅為1.25 h，因此NH4+-N去除率仍較低。

階段Ⅴ將平均DO濃度提升至2.30 mg/L，則NH4+-N平均去除率提升至70.0%左右。從圖2可以看出，該階段NH4+-N去除率與進(jìn)水NH4+-N濃度呈負(fù)相關(guān)。說明當(dāng)好氧池HRT低至1.25 h時(shí)，即使DO濃度高達(dá)2.30 mg/L，NH4+-N去除率仍不穩(wěn)定。

階段Ⅵ將平均DO濃度提升至3.00 mg/L，NH4+-N去除率穩(wěn)定在98.0%以上。

圖2 各階段進(jìn)出水NH4+-N濃度和去除率變化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration in influent and effluent and removal rate in each stage

2.2 亞硝化率的變化 短程硝化反硝化有節(jié)省碳源、反硝化速率較高等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于連續(xù)流反硝化的研究較少，其中馬勇等[4]把DO濃度控制在0.30～0.70 mg/L，利用AO中試實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮；曾薇等[5]通過低濃度DO和改變內(nèi)回流比在A2/O反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化；李冬等[6]采用2級(jí)CSTR反應(yīng)器，通過外加NH4+-N抑制NOB活性達(dá)到短程硝化的目的。在該研究中，亞硝化率計(jì)算方法為η=ρNO2--N/(ρNO2--N+ρNO3--N)×100%。

從圖3可見，階段 Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 的平均亞硝化率均在6.0%以下，其中階段Ⅲ的平均DO濃度為0.40 mg/L，在該階段平均出水NO3--N濃度下降至3.26 mg/L，但平均出水NO2--N濃度僅為0.14 mg/L，說明出水NO3--N濃度降低可能是由于基質(zhì)不足而非NOB受到抑制。階段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ平均NH4+-N負(fù)荷率達(dá)到0.4 gN/(L·d)，屬于高NH4+-N負(fù)荷，其中階段Ⅳ的DO濃度較低，NOB生長(zhǎng)受到抑制，但其平均亞硝化率為13.6%，低于階段Ⅴ的17.5%。高亞硝化率主要有兩方面原因，一方面是AOB在NOB的抑制因素下仍保持高活性，其氨氧化能力不受抑制，另一方面是NOB受到抑制，對(duì)于NO2--N的氧化能力下降，造成NO2--N的積累。階段Ⅴ的亞硝化率比階段Ⅳ略高，而其平均DO濃度也較階段Ⅳ高1.50 mg/L，說明在低HRT下，DO濃度不是主要抑制因素。由于NH4+-N氧化和NO2--N氧化有先后順序，較短的HRT使得部分NO2--N來(lái)不及被氧化就從好氧池中流出，造成NO2--N的積累，較高濃度的DO反而使AOB氨氧化能力加強(qiáng)，同時(shí)在低HRT的抑制下，NOB氧化能力提高較小，這使得亞硝化率有所提高。階段Ⅵ的DO濃度提升至3.00 mg/L，NOB的氧化能力恢復(fù)，平均亞硝化率下降至7.0%。但此時(shí)過高的DO濃度使NOB的活性高于階段Ⅴ，因此亞硝化率下降。

圖3 各階段進(jìn)水NH4+-N和出水亞硝化率變化Fig.3 Variation of NH4+-N in influent and nitrite rate in effluent in each stage

由此可見，與SBR反應(yīng)器不同，連續(xù)流反應(yīng)器的短程硝化是由HRT和DO濃度共同影響的結(jié)果。一方面，由于硝化反應(yīng)有先后順序，較低的HRT能使一部分亞硝酸鹽未被氧化就流出好氧池，但HRT過低也使氨氧化變得困難，需要提高DO濃度才能使NH4+-N完全氧化。另一方面，NOB的抑制因素主要是DO濃度，但在該研究中，在好氧池HRT較短的工況下，較低的DO濃度同時(shí)抑制了AOB和NOB的活性，難以達(dá)到短程硝化反硝化的目的。因此，在連續(xù)流反應(yīng)器中，若想達(dá)到短程硝化反硝化的目的，好氧池HRT不能過長(zhǎng)或過短，當(dāng)好氧池HRT確定后，它就不再是短程硝化的決定性因素。

從圖3可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)階段，亞硝化率與進(jìn)水NH4+-N濃度有較強(qiáng)的正相關(guān)性，其波動(dòng)與進(jìn)水NH4+-N濃度波動(dòng)基本一致。由此可以看出，進(jìn)水NH4+-N濃度是形成短程硝化的重要因素之一，以上在連續(xù)流中采用實(shí)際污水形成短程硝化的研究，平均進(jìn)水NH4+-N濃度均在60.00 mg/L以上。而在該研究中，平均進(jìn)水NH4+-N濃度不足50%，因此亞硝化率始終較低。雖然從亞硝化率來(lái)看，低HRT對(duì)NOB的抑制效應(yīng)大于對(duì)AOB的抑制效應(yīng)，但過短的HRT對(duì)AOB的抑制也極強(qiáng)，這難以達(dá)到短程硝化的目的。如果提高污泥濃度，亞硝化率可能會(huì)有一定提高，但是仍難以達(dá)到較高的亞硝化率。

2.3 TN的去除 階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的TN的去除情況見圖4。各階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)平均TN去除率分別為30.9%、35.3%、51.3%、49.0%、51.8%、39.4%，階段 Ⅰ 和 Ⅱ 的TN去除率較低，一方面是由較低的溫度和較短的HRT共同導(dǎo)致，另一方面反硝化細(xì)菌尚未適應(yīng)反應(yīng)器工況也是原因之一。階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的TN去除率相差不多，說明在高負(fù)荷條件下低HRT并不是TN去除的限制性因素。階段Ⅵ的平均DO濃度達(dá)到3.00 mg/L，此時(shí)過高的DO濃度導(dǎo)致內(nèi)回流進(jìn)入缺氧區(qū)的DO增加，異養(yǎng)菌在DO濃度過高的環(huán)境下與反硝化細(xì)菌爭(zhēng)奪進(jìn)水中的COD基質(zhì)，導(dǎo)致反硝化率下降，這與鄭翔等[7]的研究結(jié)果一致。

另外，在該研究中，階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的平均亞硝化率分別為4.6%、13.6%、17.5%。亞硝化率的提高并未伴隨TN去除率的提高，但這是兩方面因素引起的。階段Ⅲ的亞硝化率雖然較低，但因好氧池DO濃度較低，減小了回流到缺氧區(qū)的DO濃度，降低了對(duì)缺氧池中反硝化細(xì)菌的抑制，因而有利于反硝化。階段Ⅳ、Ⅴ的DO濃度雖然較高，但亞硝化率也較高，一部分亞硝酸鹽進(jìn)入缺氧區(qū)使反硝化作用的時(shí)間縮短，同時(shí)節(jié)省了碳源。雖然進(jìn)水COD在缺氧池中被異養(yǎng)菌消耗了一部分，但短程硝化作用抵消了這部分消耗，使TN去除率與階段Ⅲ相似。但階段Ⅵ過高的DO濃度使亞硝化率下降，同時(shí)使流入缺氧區(qū)的DO濃度進(jìn)一步升高，因此TN去除率下降。

從NH4+-N和TN的去除情況來(lái)看，高負(fù)荷活性污泥法并不適合處理生活污水。NH4+-N只有在較高的DO濃度下才能被完全去除，但高濃度DO又影響TN的去除，使二者成為相互矛盾的因素。低HRT導(dǎo)致的一定程度的亞硝化也難以提高TN的去除率。而生活污水較低的進(jìn)水NH4+-N使完全短程硝化反硝化難以實(shí)現(xiàn)，這也使得TN的去除率難以提高。

圖4 各階段進(jìn)出水TN和去除率變化Fig.4 Variation of TN in influent and effluent and removal rate in each stage

2.4 COD的去除 各階段COD的去除情況見圖5。在A/O反應(yīng)器中，缺氧池的反硝化細(xì)菌利用COD作為碳源，以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化作用，好氧池中異養(yǎng)菌也能利用COD。因此，在該研究中，階段Ⅲ和階段Ⅳ的DO濃度雖然較低，且好氧池HRT也較短，但出水COD濃度仍能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)試驗(yàn)階段的平均COD去除率為73.4%，說明該研究所用生活污水的可生化COD占總COD的比例約為70.0%。但進(jìn)水總COD較低，限制了TN的去除。

圖5 各階段進(jìn)出水COD和去除率變化Fig.5 Variation of COD in influent and effluent and removal rate in each stage

2.5 MLSS和SVI的變化 在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)測(cè)定MLSS和SVI，各階段MLSS和SVI的變化見圖6。從圖6可以看出，反應(yīng)器的MLSS在前4個(gè)階段穩(wěn)步上升，而在階段Ⅴ某一天反應(yīng)器因故障而漏泥，導(dǎo)致MLSS有所下降，階段Ⅵ雖然DO濃度達(dá)到3.00 mg/L，但由于COD負(fù)荷高，基質(zhì)豐富，因此MLSS仍略有上升，并未發(fā)生內(nèi)源呼吸作用。導(dǎo)致SVI升高的主要原因是有機(jī)負(fù)荷過高和DO不足等，筆者引入有機(jī)負(fù)荷與階段平均DO之比(COD負(fù)荷/DO)可以更直觀地理解有機(jī)負(fù)荷和DO之間的關(guān)系。有機(jī)負(fù)荷代表1 kg污泥1 d的COD負(fù)荷，DO為階段平均DO。6個(gè)階段COD負(fù)荷/DO分別為1.2、2.3、5.5、5.6、2.5、1.3。因此，階段Ⅰ的污泥沉降性能良好，SVI較低。當(dāng)COD負(fù)荷/DO升高至2.0以上時(shí)，污泥發(fā)生膨脹，SVI持續(xù)升高。階段ⅤCOD負(fù)荷/DO從5.5下降到2.5，因此SVI也下降到190.00 mL/g，正好與階段Ⅱ相似。階段Ⅵ COD負(fù)荷/DO下降至1.3，但由于時(shí)間較短，SVI下降到156 mL/g，如果反應(yīng)器能夠在該工況下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，SVI可能會(huì)下降到階段 Ⅰ 的水平，恢復(fù)良好的沉降性能。

圖6 各階段MLSS和SVI變化Fig.6 Variation of MLSS and SVI in each stage

3 結(jié)論

(1)在HRT為1.75 h的條件下，好氧池DO濃度達(dá)到3.00 mg/L才能將NH4+-N完全去除，說明高水力負(fù)荷對(duì)NH4+-N去除影響較大。

(2)在連續(xù)流反應(yīng)器中，低HRT是抑制NOB的因素之一，但對(duì)AOB也有很強(qiáng)的抑制作用。因此，僅靠縮短HRT難以達(dá)到短程硝化的效果。

(3)HRT和NH4+-N去除率對(duì)TN去除影響不大，但高DO濃度對(duì)TN去除影響較大。低C/N是限制TN去除的主要因素。

(4)引入COD負(fù)荷/DO作為SVI的影響因子，兩者有較強(qiáng)相關(guān)性，在COD負(fù)荷的工況下，將COD負(fù)荷/DO降至1.3，SVI也能下降到156.00 mL/g。參考文獻(xiàn)

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Treatment of Domestic Sewage with High Load Activated Sludge Process

GONG Chen1, SHEN Yi-jun1,2, YANG Dian-hai1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092; 2.Biological MembraneWater Purification and Utilization Technology Research Center of the Ministry of Education, College of Architectural Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002)

[Objective] The aim was to explore the relationship between high load activated sludge process and shortcut nitrification, TN removal rate. [Method] Using laboratory scale A/O plant to treat low C/N actual domestic sewage to study the nitrogen removal ratio by reducing HRT to 7.00 and 3.50 h. [Result] Experimental results show that under the low HRT conditions, NH4+-N can be removed completely when dissolved oxygen(DO) reaches up to 3 mg/L. For nitrite rate, low HRT has a certain influence, but the influent NH4+-N concentration is still the main factor affecting nitriterate. Within a certain range, low NH4+-N removal ratio has no effect on TN removal ratio. Low HRT conditions has no effect on the removal of COD. At high COD loading, increasing DO will prevent sludge bulking, contrarily, high DO will affect the removal of TN. [Conclusion] Low HRT has a certain influence to nitrite rate, but NH4+-N concentration is the main factor affecting nitrite rate.

Low HRT; Nitrite rate; Ammonia nitrogen; COD

國(guó)家“水體污染與控制治理”科技重大專項(xiàng)(2011ZX07303-002-02)。

宮晨(1991- )，男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：水污染控制技術(shù)。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事水污染控制技術(shù)研究。

2016-09-21

S 181；X 52

A

0517-6611(2016)35-0096-04