同步硝化反硝化污水處理的工藝優(yōu)化

楊戈威

摘 ???要：研究了生活污水的溶解氧含量、微生物絮體粒徑、水力停留時(shí)間、C/N比以及pH值對(duì)同步消化反硝化脫氮處理效率的影響。其中溶解氧含量、水力停留時(shí)間及pH值對(duì)污水總氮去除率影響較為顯著，而微生物絮體粒徑和C/N比對(duì)其影響程度相對(duì)較輕。當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時(shí)間為30 h，C/N比為4時(shí)，pH為7.0時(shí)，生活污水的氨氮去除率為85%，硝氮去除率為65%，總氮去除率為80%，同步硝化反硝化反應(yīng)進(jìn)程效率較高。

關(guān) ?鍵 ?詞：污水處理;生物脫氮;同步硝化反硝化;工藝優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ014 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?B ?????文章編號(hào)：1671-0460（2019）03-0495-04

Abstract： ?The influences of the dissolved oxygen content， the structures of microbial floc， the hydraulic retention time， the C/N ratio as well as the pH value on the removal rate of nitrogen in wastewater were investigated. The results showed that the dissolved oxygen contents， the hydraulic retention time and the pH value had significant influence， while the structures of the microbial floc and the C/N ratios exhibited negligible effect. When the dissolved oxygen content was 1.5 mg/L， the size of microbial floc was 60 μm， the hydraulic retention time was 30 h， the C/N ratio was 6 and the pH value was 7.0， the efficiency of simultaneous nitrification and denitrification was relatively high， the removal efficiencies of ammonia， nitrate and total nitrogen were 85%， 65% and 80%， respectively.

Key words： Wastewater treatment;Biological removal of nitrogen; Simultaneous nitrification and denitrification technology; Optimization of processing

隨著生活污水的含氮量顯著升高，有機(jī)物含量明顯下降，導(dǎo)致了生活污水中C/N比較低，污水本身所含有的碳源無(wú)法滿(mǎn)足反硝化需求，使得污水脫氮處理技術(shù)和工藝面臨了巨大的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的污水脫氮處理技術(shù)是利用微生物對(duì)污水進(jìn)行生物脫氮，最終將水中的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀欧?。圖1中給出了傳統(tǒng)生物脫氮的工藝流程圖，主要包括氨化、硝化和反硝化三個(gè)工序。

（1）氨化：通常污水中的含氮有機(jī)物首先在氨化細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘?，而不同種類(lèi)的氨化細(xì)菌在富氧和缺氧的條件下都可以存在。

（2）硝化：氨化所產(chǎn)生的氨在硝化細(xì)菌的作用下，轉(zhuǎn)化為硝酸根離子，而常見(jiàn)的硝化細(xì)菌均為好氧細(xì)菌。

（3）反硝化：硝化所產(chǎn)生的硝酸根離子在反硝化菌的作用下逐步還原為氮?dú)?，最后排放至環(huán)境，反硝化細(xì)菌均為厭氧菌[2]。

由于硝化細(xì)菌為好氧細(xì)菌，反硝化細(xì)菌為厭氧細(xì)菌，而且硝化過(guò)程產(chǎn)生酸性物質(zhì)，反硝化過(guò)程產(chǎn)生堿性物質(zhì)。為了有效保證消化和反硝化的順利進(jìn)行，并盡量降低由于酸堿中和而產(chǎn)生的二次污染，通常將消化和反硝化過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行。這就導(dǎo)致了生物脫氮設(shè)備龐大，且對(duì)于高含氮量的生活污水來(lái)說(shuō)還需額外添加電子供體來(lái)保證反硝化過(guò)程順利進(jìn)行。一方面提高了污水處理的成本，另一方面對(duì)高含氮量的脫氮效果也不盡理想。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在某些體系中同時(shí)發(fā)生硝化和反硝化過(guò)程，即同步硝化反硝化[3-5]。如圖2所示，這主要是由于溶解氧在微生物絮體中的擴(kuò)散受到限制，從而使得其表面為富氧區(qū)，主要菌落為硝化細(xì)菌為主;而內(nèi)部為缺氧區(qū)，主要菌落為反硝化細(xì)菌。因此，體系中微生物絮體的結(jié)構(gòu)、溶解氧的含量及其擴(kuò)散速率在很大程度上影響了同步消化反硝化的反應(yīng)進(jìn)程。另外，體系的pH值和C/N同樣也在一定程度上對(duì)該過(guò)程造成一定的影響[6，7]。為了探究對(duì)同步硝化反硝化過(guò)程的主要因素，本文主要研究了不同微生物絮體粒徑、溶解氧含量、水力停留時(shí)間（反應(yīng)時(shí)間）、C/N比及pH值體系中氨、硝酸根及總氮的去除率。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用污水：自配，氨含量為15 mg/L，硝酸根含量為5 mg/L，總氮含量為20 mg/L。

微生物載體：短切碳纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫塑料，自制。

1.2 ?測(cè)試與表征

溶解氧含量測(cè)試：利用上海海恒機(jī)電儀表有限公司生產(chǎn)的JPB-607型便攜式溶解氧儀進(jìn)行測(cè)試。

pH值：利用杭州科曉化工儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PHB-4型便攜式pH計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

微生物絮體粒度：利用丹東市皓宇科技有限公司生產(chǎn)的HYL-1076型激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)試。

氨、硝酸根及總氮含量測(cè)試：利用上海譜元儀器有限公司生產(chǎn)的Alpha1506型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

以上所有測(cè)試均是按照中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社出版的第四版《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的方法進(jìn)行測(cè)試。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?溶解氧含量的影響

選定微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時(shí)間為30 h，C/N比為4，pH值為7時(shí)，我們研究了不同溶解氧含量對(duì)同步硝化反硝化效果的影響。圖3中給出了體系中不同溶解氧含量下的氨氮去除率、硝氮去除率和總氮去除率。由于硝化細(xì)菌為好氧細(xì)菌，隨著體系內(nèi)溶解氧含量的增加硝化反應(yīng)更容易發(fā)生，因此氨氮的去除率隨溶解氧含量增加而增加。當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L時(shí)，氨氮去除率高達(dá)95%。而在該條件下，隨著硝化反應(yīng)進(jìn)程的加快，同時(shí)產(chǎn)生了大量的亞硝酸鹽和硝酸鹽，使得體系內(nèi)硝氮的總含量急劇提升，因此與雖然體系中保持了明顯的富氧區(qū)和缺氧區(qū)的分離，硝氮去除率依然隨體系內(nèi)溶解氧含量增加而降低。隨著溶解氧含量增加，體系中的總氮去除率現(xiàn)增加后降低，當(dāng)溶解氧含量為1.2 mg/L時(shí)，總氮去除率約為80%。

2.2 ?微生物絮體粒徑的影響

當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L，水力停留時(shí)間為30 h，C/N比為4，pH值為7時(shí)，我們研究了不同微生物絮體粒徑對(duì)同步硝化反硝化效果的影響。如圖4所示。

當(dāng)微生物絮體粒徑較小時(shí)，微生物絮體之間容易發(fā)生聚集，從而是一部分好氧的硝化細(xì)菌被包埋在微生物絮體內(nèi)部，使得硝化過(guò)程效率降低;但這種聚集效應(yīng)在影響溶解氧擴(kuò)散的同時(shí)，有效提高了厭氧的反硝化細(xì)菌作用下的反硝化過(guò)程效率，因此當(dāng)微生物絮體粒徑較低時(shí)，氨氮去除率較低，而硝氮去除率較高。隨著粒徑增大，微生物絮體聚集效應(yīng)有所改善，體系中氨氮去除率逐漸提高，但同時(shí)所產(chǎn)生的硝氮也逐漸增多，因此硝氮去除率相應(yīng)降低。而體系中的總氮去除率隨粒徑變化，并未出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)微生物絮體粒徑為60 μm時(shí)，氨氮去除率和硝氮去除率均較高，分別為85%和65%，總氮去除率為80%。

2.3 ?水力停留時(shí)間的影響

水力停留時(shí)間即為含氮污水在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間，停留時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)則越充分。如圖5所示，當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，C/N比為4，pH值為7時(shí)，隨著水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，硝化反應(yīng)越徹底，氨氮去除率越高。隨著氨氮去除率的提高，硝氮去除率逐漸降低。當(dāng)水力停留時(shí)間為25～30 h時(shí)，氨氮去除率和硝氮去除率均保持在中等偏上的范圍內(nèi)，分別為64%～85%和65%～67%。當(dāng)水力停留時(shí)間為30～50 h，體系總氮去除率水平較高，為80%左右。

2.4 ?C/N比的影響

C/N比是指體系內(nèi)碳源有機(jī)物與含氮有機(jī)物的摩爾比，其中碳源有機(jī)物為反硝化細(xì)菌的電子供體，隨著C/N比的提高，有利于提高反硝化進(jìn)程的效率;但與此同時(shí)，較高程度的反硝化反應(yīng)在一定程度上會(huì)對(duì)硝化反應(yīng)起到抑制作用，因此在較高C/N比的情況下，硝化反應(yīng)效率較低。如圖6所示，當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時(shí)間為30 h，pH值為7時(shí)，隨著C/N比的增加，氨氮去除率逐漸降低，而硝氮去除率逐漸升高。當(dāng)C/N比為2～6時(shí)，體系中的總氮去除率為80%左右。

2.5 ?pH值的影響

硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌對(duì)環(huán)境pH值的要求不盡相同，其中適合硝化細(xì)菌存活的pH值為6.0～7.5，而適合僅硝化細(xì)菌存活的pH值為7.0～8.5。如圖7所示，當(dāng)溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時(shí)間為30 h，C/N比為4時(shí)，體系pH處于6～8范圍內(nèi)，硝化反應(yīng)效率較高，氨氮去除率約為85%～96%;而當(dāng)pH為8～9時(shí)硝氮去除率較高，約為50%～65%。雖然當(dāng)pH為7時(shí)也利于反硝化細(xì)菌存活，但由于硝化反應(yīng)效率較高導(dǎo)致產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽和硝酸鹽，因此相對(duì)于初始硝氮含量，pH為7時(shí)硝氮總?cè)コ瘦^低。綜合考慮體系總氮去除含量，pH為8時(shí)是較為理想的反應(yīng)條件。

3 ?結(jié) 論

本文研究了同步硝化反硝化體系中溶解氧含量、微生物絮體粒徑、水力停留時(shí)間、C/N比以及pH值對(duì)生活污水脫氮效果的影響。總體來(lái)說(shuō)，硝化反應(yīng)進(jìn)程和反硝化反應(yīng)進(jìn)程之間是相互抑制的，但綜合考慮體系總氮去除率，本文得到了較為合適的反應(yīng)條件：溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時(shí)間為30 h，C/N比為4時(shí)， pH為7。其中溶解氧含量、水力停留時(shí)間和體系pH值對(duì)總氮去除率影響較為明顯，而微生物絮體粒徑和C/N比對(duì)其影響程度則相對(duì)較低。

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