SBR工程裝置同時硝化反硝化現(xiàn)象與機理

摘要：本文研究了一個工程化規(guī)模的SBR裝置處理抗氧化劑廢水時的同時硝化反硝化現(xiàn)象，廢水水量1200～1800 m3/d;進水COD為1200～3500 mg·L-1，進水氨氮為170～400 mg·L-1，COD/NH3-N=6～10，總氮去除率為90%以上，同時硝化反硝化顯著。通過研究SBR裝置的脫氮過程，發(fā)現(xiàn)同時硝化反硝化發(fā)生的根本原因是：（1）進水COD/TN較高（6.0～10.0），硝酸鹽反硝化有足夠的碳源;（2）進水有機物易生物降解，COD的快速降解在好氧池前端造成了低DO區(qū)域（缺氧環(huán)境），從而有助于反硝化的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：同時硝化反硝化;SBR;DO;COD/TN

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）12-0-03

Abstract：This paper reports the simultaneous nitrification and denitrification of an engineered SBR plant for the treatment of antioxidant wastewater. The wastewater volume is 1200～1800 m3/d; the influent COD is 1200～3500 mg·L-1， and the influent ammonia nitrogen is 170-400 mg·L-1， COD/NH3-N=6～10， total nitrogen removal rate is above 90%， and nitrification and denitrification are significant. By studying the denitrification process of SBR plant， it is found that the root causes of simultaneous nitrification and denitrification are： （1） the influent COD/TN is higher （6.0～10.0）， and the nitrate denitrification has sufficient carbon source; （2） The water organic matter is easily biodegraded， and the rapid degradation of COD causes a low DO region （anoxic environment） at the front end of the aerobic pool， which contributes to denitrification.

Key words：Simultaneous nitrification and denitrification;SBR;DO;COD/TN

傳統(tǒng)生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個步驟，硝化反應由一類化能自養(yǎng)好氧的硝化細菌在好氧條件完成，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁};反硝化反應由一類化能有機異養(yǎng)型反硝化細菌在厭氧或缺氧條件下完成，將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態(tài)氮。生物脫氮工藝A/O工藝就是基于該理論基礎提出的，缺氧池（A池）內(nèi)發(fā)生硝酸鹽反硝化，好氧池（O池）發(fā)生氨氮硝化過程。

同時硝化反硝化是指在同一個反應池內(nèi)進行硝化與反硝化兩個過程。相比傳統(tǒng)的A/O工藝而言，省去了缺氧池，工藝更簡單。1985年，Rittmann[1]首次系統(tǒng)研究了兩個氧化溝工程的高效同時硝化反硝化現(xiàn)象，進水流量13250m3/d，進水COD、TKN分別為250、25mg/L，出水COD為32mg/L，脫氮率達97.6%。Collivignarell[2]將A/O工藝改造成一個好氧池，省去了缺氧池，容積減少20%左右，同樣的脫氮效果下運行費用降低超過20%。Ammary[3]也在氧化溝工程中發(fā)現(xiàn)SND現(xiàn)象，進水COD為1500 mg/L、NH3-N=200 mg/L，脫氮效率達到了90%。此外，一些學者在實驗室也發(fā)現(xiàn)了SND現(xiàn)象，比如Pochana[4]采用SBR小試裝置進行SND研究，進水TCOD 860～3540 mg/L，SCOD 125～200 mg/L，TKN 160～280 mg/L，NH4-N 100～160 mg/L，TCOD/TKN=5～20，脫氮率達95%。Zeng[5]在4 L的SBR反應器，溫度控制在18～22℃、周期時間為4.8 h，保持DO=0.4～0.55 mg/L，進水乙酸鈉為碳源 ，COD為400 mg/L，NH4-N 40 mg/L，MLVSS 3.34 mg/L，結(jié)果表明，曝氣過程（低DO條件）發(fā)生完全的SND，沒有硝酸鹽與亞硝酸鹽積累，SND效率達到了98%。本文在處理某抗氧化劑生產(chǎn)廢水的SBR工程裝置中發(fā)現(xiàn)了同時硝化反硝化現(xiàn)象，并通過研究裝置總氮的去除過程對同時硝化反硝化的機理進行分析。

1 材料與方法

1.1 工程裝置介紹

廢水主要來自某工廠的抗氧化劑生產(chǎn)過程，廢水水量為1200～1800 m3·d-1，進水COD為1200～3500mg·L-1，進水氨氮為170～400mg·L-1。

廢水處理工藝為好氧SBR工藝，反應池尺寸：50m×15m×5.6m，有效水深為5.2m，有效體積3900m3，最低液位4.4m，進水區(qū)長10m，主曝氣區(qū)長40m。內(nèi)回流比為2.0。SBR池一個周期8h：前5h進水、曝氣同時進行;5h后進水停止，繼續(xù)曝氣;6h后停止曝氣;第 7～8h后靜置排水期。

1.2 SBR裝置脫氮過程研究

為了對SBR裝置內(nèi)的脫氮過程進行研究，在第5m、15m、25m、35m、45m共設定5個取樣點（A、B、C、D、E，見圖1），測定COD、氨氮、硝酸鹽氮、DO變化，分析這些參數(shù)在曝氣池中的變化情況。

1.3 分析方法

COD、NH3-N、NO3-N、NO2-N、TKN與TN采用標準方法分析（APHA 2005）;MLSS與MLVSS采用重量法分析;DO采用YSI公司型號為ProODO的便攜式溶氧儀進行測定。

污泥含氮量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定：取污泥在105℃烘箱烘干，研磨并分別通過80～100目過濾篩，選取80～100目的污泥繼續(xù)105℃烘干2h，稱取大約0.01g，置于250mL的碘量瓶，依次加入100mL的蒸餾水與50mL的堿式過硫酸鉀（濃度于污水總氮的分析試劑相同），用紗布與繩子包扎，在高壓鍋內(nèi)120～124℃溫度下消解1h，冷卻后加入10mL的1mol·L-1鹽酸，在220nm與275 nm兩個波長測定吸光度，計算方法與標準曲線參照污水總氮的測定方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR裝置運行效果

圖2顯示了SBR工程裝置兩年的運行數(shù)據(jù)。水量一直比較穩(wěn)定，1200～1800m3/d之間波動;進水COD為1200～3500mg·L-1，進水氨氮為170～400mg·L-1，COD/NH3-N=6～10。

在前100天，進水COD較高，為2500～3500mg·L-1，出水COD為200～250mg·L-1;第100天至第657天，進水COD略微有所下降，為1500～2500mg·L-1左右，出水COD也降至150mg·L-1以下，COD去除率一直維持在90%～95%左右。進水氨氮為200～375mg·L-1左右，出水氨氮一直低于2.0mg·L-1，氨氮去除率高達99%。

2.2 總氮去除效果

為了考察系統(tǒng)對總氮去除效果，在現(xiàn)場進行了為期2個月左右的試驗研究，對SBR 裝置進出水的COD、TKN、NH3-N、NO3-N進行了分析，數(shù)據(jù)匯總見表1。

NCOD為COD負荷，NNH3-N為氨氮負荷，Noxygen為總需氧量負荷。將表1中的數(shù)據(jù)帶入公式（1）、（2）和（3）：COD負荷為0.77 gCOD·L-1·d-1，TKN負荷為0.14 gTKN·L-1·d-1，總需氧量負荷為0.97 gCOD·L-1·d-1，說明該SBR系統(tǒng)在一個較高的負荷下運行，正常的生化系統(tǒng)總需氧量負荷為0.5～0.7gCOD·L-1·d-1，另一個角度也說明廢水中有機物易于生物降解;系統(tǒng)總氮去除率達到90.8%，說明在同一個好氧池內(nèi)發(fā)生了顯著的同時硝化反硝化現(xiàn)象，為了研究SBR裝置內(nèi)SND的機理，本文接下來對脫氮途徑、脫氮過程進行詳細研究。

2.3 N去除途徑分析

水中氮去除途徑主要有兩種，一種是經(jīng)反硝化變成氮氣，另一種是經(jīng)同化作用合成污泥。經(jīng)分析，污泥含氮量為9.03%（以VSS計），經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計剩余污泥量為453.5 KgVSS·d-1，所以每天細胞合成去除的氮為41 kg·d-1，占TN總?cè)コ康模?83 kg/d）的8.5%，反硝化作用N去除率為90.8%-8.5%=82.3%。說明，脫氮途徑以反硝化為主，82.3%的氮被轉(zhuǎn)化為氮氣，8.5%的氮被同化為污泥。

2.4 脫氮過程研究

圖3顯示了SBR裝置不同位置的COD、TN、NO3-N和DO隨時間的變化。SBR池進水為連續(xù)進水，邊進水邊曝氣，這一點與推流式反應器相似;設有內(nèi)回流裝置，這使得它又具有全混裝置的特點。我們對池子不同位置（A、B、C、D、E，見圖1）的水樣進行分析，數(shù)據(jù)見圖3。在進水區(qū)，硝酸鹽一直低于0.5mg·L-1，說明回流至進水區(qū)的硝酸鹽幾乎全部被去除。進水區(qū)（A點）的COD、氨氮明顯高于主反應區(qū)（B到E），由于存在可降解COD和氨氮，所以DO一直低于1.0mg·L-1。

同一時間，SBR池主反應區(qū)不同位置的污染物濃度差別不大，整個池子接近完全混合狀態(tài);主反應區(qū)同一位置的污染物隨著時間（1h、3h、5h）有明顯變化。隨著時間推移（第1h至第5h），COD由162mg·L-1左右降至127mg·L-1;氨氮由6mg·L-1降至1.0mg·L-1;DO由0.5mg·L-1升高至6.0mg·L-1;硝酸鹽呈先下降后上升趨勢，進水1h后，硝酸鹽就由25mg·L-1降至19.7mg·L-1，3h后降至16.5mg·L-1，5h升高至25.5mg·L-1。以位置B為取樣點，在曝氣6h周期內(nèi)，每隔1h取樣分析COD、氨氮、硝酸鹽氮。

進水COD為1856mg·L-1，TKN為326mg·L-1，氨氮為295mg·L-1，出水COD、TKN、氨氮、硝酸鹽氮分別為120mg·L-1、2.1mg·L-1、1.1mg·L-1以及25.5mg·L-1。我們通過物料衡算對各個階段的N處理效果進行計算。一個周期進水5h，進水水量為113m3/h，一個周期內(nèi)系統(tǒng)N的總丟失量為113×5×326-113×5×（25.5+2.1）=168.8kg，總氮去除率為91.6%。

第3 h，系統(tǒng)內(nèi)COD、氨氮、TKN、硝酸鹽氮分別為115mg·L-1、0.89mg·L-1、2.1mg·L-1、16.5mg·L-1。前3h內(nèi)，N的總丟失量為113×3×326+3300×（25.5+2.1）-（3300+113×3）×（16.5+2.1）=134.0 kg，前3h去除了72.7%的氮。后3h內(nèi)，N的總丟失量為113×2×326+（3300+113×3）×（16.5+2.1）-（3300+113×5）×（25.5+1.8）=34.8kg，后3h去除了18.9%的氮。

前3h，DO一直低于2.0mg·L-1，氨氮、COD由5.6mg·L-1、144mg·L-1降至1.5mg·L-1、118mg·L-1。之后，DO升高至2.5mg·L-1左右，這是由于系統(tǒng)內(nèi)COD、氨氮都很低。最后1h停止進水，DO躍升至5.8～6.5mg·L-1左右。

基于降解過程的研究，可以推斷同時硝化反硝化的發(fā)生是由于同一好氧池內(nèi)不同位置存在DO濃度梯度，在低DO濃度區(qū)域（即缺氧區(qū)域）適合反硝化發(fā)生，而高DO區(qū)域適合硝化過程。同時也發(fā)現(xiàn)，DO濃度的分布是呈現(xiàn)一定的規(guī)律，進水段DO較低，只是由于進水段易降解COD較多，會迅速消耗溶解氧，而隨著降解過程的推進，易降解有機物去除殆盡，DO逐漸上升。進一步可以認為：

（1）高COD/N比、COD易生物降解是同時硝化反硝化發(fā)生的關(guān)鍵因素。只有足夠的易降解有機物存在的情況下，COD的降解才能快速消耗DO使得缺氧局部區(qū)域出現(xiàn)。在Pochana[4]的研究中，雖然進水的TCOD/TKN高達16，但SCOD/TKN僅為1～2，TCOD幾乎為顆粒態(tài)。因此在不投加乙酸鈉（SCOD）的情況下，脫氮率只達到50%～60%。在周期試驗中投加了乙酸鈉，SCOD/NH3-N在20以上，因而達到了95%的脫氮率。在Zeng[5]的研究中，進水COD/NH3-N高達10，但是由于COD不是易降解有機物，其SND脫氮效率只達到了47%，而在投加糖原（易降解有機物）后，SND脫氮效率達到98%。

（2）推流反應器、大回流也是同時硝化反硝化不可或缺的條件。推流反應器有利于形成DO濃度的梯度現(xiàn)象（前端溶解氧低，隨著降解進程DO逐步升高）;同時硝化反硝化的脫氮效率取決于低溶解氧區(qū)域反硝化效率，提高回流比有利于系統(tǒng)脫氮。由于在曝氣反應器中存在局部缺氧區(qū)域，為反硝化提供了有利的環(huán)境場所，因而達到了脫氮的目的，事實上，這種解釋跟傳統(tǒng)的缺氧反硝化的理論是一致的。

3 結(jié)論

（1）本文研究了一個SBR工程裝置內(nèi)發(fā)現(xiàn)的顯著同時硝化反硝化現(xiàn)象，在同一個好氧池內(nèi)TN去除率達到90.8%。

（2）同時硝化反硝化發(fā)生的根本原因是，反應池內(nèi)存在DO濃度的梯度分布，主要表現(xiàn)為進水段DO較低，故而適合反硝化的發(fā)生，而末端隨著COD的降低DO逐漸上升，故而適合硝化反應。

（3）COD/TN較高，且COD易生物降解是同時硝化反硝化發(fā)生的關(guān)鍵因素，充足的易降解有機物有利于在好氧池前端造成了低DO區(qū)域（缺氧環(huán)境），使得回流返回的硝酸鹽在此區(qū)域去除。

參考文獻

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收稿日期：2019-07-02

作者簡介：王鋒（1985-），男，漢族，博士學歷，研究方向為工業(yè)廢水處理。