AO兩級生物濾池的同步硝化反硝化脫氮試驗

李國超，王文華，王 悅,3，邱立平,*，邱 琪，孫紹芳

(1.濟南大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東濟南 250022；2.山東省臨沂市市政工程建設(shè)處，山東臨沂 276000；3.中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院，山東濟南 250101；4.濟南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東濟南 250022)

在我國，水體富營養(yǎng)化的問題日益嚴(yán)重，其最重要的誘因之一便是氮元素超標(biāo)[1]，而源頭治理是解決該水體污染問題的最有效措施。源頭治理，即對現(xiàn)存的污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，滿足各種氮類污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。Wang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，我國市政生活污水有“碳低氮高”的特點，在生物處理階段，傳統(tǒng)活性污泥處理工藝碳源不足的問題難以解決。因此，開發(fā)行之有效的市政二級出水深度脫氮工藝迫在眉睫。

近年來，以厭氧氨氧化[5]、短程硝化反硝化[6]以及同步硝化反硝化[7]為代表的新興處理工藝發(fā)展迅猛。其中，同步硝化反硝化工藝自20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)以來，受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。同步硝化反硝化工藝中的硝化及反硝化過程位于同一空間內(nèi)，解決了傳統(tǒng)工藝中好氧段、缺氧段及回流系統(tǒng)的分置問題，同時，其碳源及堿度投加量也明顯低于現(xiàn)行傳統(tǒng)工藝[8-10]，在污水處理領(lǐng)域具有經(jīng)濟高效的現(xiàn)實意義。在現(xiàn)行污水處理廠的處理單元中，曝氣生物濾池因其具有高效性、高兼容性、低占地面積等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[11-12]。曝氣生物濾池耦合同步硝化反硝化工藝，既簡化工藝流程、降低能耗、節(jié)省建設(shè)投資，又克服傳統(tǒng)脫氮處理工藝的缺點，對污水處理廠的深度脫氮，具有十分重要的研究價值。

在傳統(tǒng)缺氧-好氧(AO)生物濾池基礎(chǔ)上，重點研究了AO生物濾池深度脫氮效能，發(fā)現(xiàn)AO生物濾池缺氧段實現(xiàn)了同步硝化反硝化作用。首先在生物膜掛膜成功后，對主要運行參數(shù)[碳氮比(C/N)、回流比、溶解氧(DO)]的影響進(jìn)行探究，確定AO生物濾池最佳運行工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了最優(yōu)工況條件下的脫氮效果，為污水處理廠脫氮效能的提高提供理論參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置為AO兩級生物濾池(圖1)，柱體為有機玻璃材質(zhì)，其中，左柱為缺氧柱，右柱為好氧柱，兩邊濾柱高度均為1 200 mm，內(nèi)徑為70 mm。濾料的填充高度均為850 mm，底部承托層高度為150 mm，2個濾柱各設(shè)有5個取樣口，各個相鄰取樣口間隔175 mm。該裝置在好氧柱底部設(shè)有微孔曝氣器，外接空壓機，可根據(jù)試驗需要對好氧柱進(jìn)行曝氣。在出水水箱處設(shè)有回流泵，可將部分出水回流至缺氧柱的進(jìn)水端。該裝置還設(shè)有反沖洗系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高速水流反沖洗的方式，反沖洗強度為10 L/(m2·s)，反沖洗時間為30 min，反沖洗周期根據(jù)出水水質(zhì)確定，濾池的運行和反沖洗均采用上向流進(jìn)水方式。本試驗采用的濾料為本課題組自主研發(fā)的礦渣基復(fù)合濾料(粒徑為3～5 mm、吸水率為24.90%、孔隙率為32.20%)。AO生物濾池掛膜成功共歷時34 d。在啟動階段，控制進(jìn)水中氨氮含量為8～10 mg/L，總氮含量為8～12 mg/L，CODCr含量為50～70 mg/L，pH值為6.5～6.8，溫度為15～25 ℃，回流比為100%，進(jìn)水流量為0.33 L/h。

圖1 AO生物濾池結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AO Biofilter

1.2 試驗分析方法

本試驗中，常規(guī)指標(biāo)分析主要依據(jù)水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)[13]執(zhí)行。其中，CODCr采用重鉻酸鉀消解法測定；氨氮采用納氏分光光度法測定；亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定；總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定；pH用pH計測定；DO用便攜式溶解氧儀測定。

2 結(jié)果和討論

2.1 進(jìn)水C/N

本試驗水質(zhì)為模擬市政二級出水[14]，各進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)中，氨氮含量為9～11 mg/L，硝態(tài)氮含量為13～16 mg/L，亞硝態(tài)氮含量為0～0.5 mg/L，CODCr設(shè)4個質(zhì)量濃度梯度，分別為50、75、100、125 mg/L，對應(yīng)C/N分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，進(jìn)水pH值為6.5～6.8，水力停留時間為2 h，好氧柱DO質(zhì)量濃度為2 mg/L，回流比為100%。在此試驗條件的基礎(chǔ)上，檢測不同C/N條件下各污染物的去除情況。

如圖2所示，不同進(jìn)水C/N條件下，反應(yīng)器對進(jìn)水中的氨氮、硝態(tài)氮和總氮去除效果均較好。隨著進(jìn)水C/N的增加，氨氮平均去除率分別為98.8%±1.0%、99.2%±0.8%、99.3%±0.5%和99.9%。其中，缺氧柱對氨氮的去除作用明顯，分別可達(dá)到45.7%±2.1%、47.1%±3.1%、49.5%±3.3%和49.1%±2.4%。這是由于硝化細(xì)菌為化能自養(yǎng)菌，外界碳源對其影響較小，隨碳源增加，反硝化作用有微弱加強，進(jìn)水中硝態(tài)氮去除率增加，在一定程度上也促進(jìn)了氨氮的去除[15]。硝態(tài)氮的去除主要依賴缺氧柱的反硝化作用，隨C/N增加，缺氧柱對硝態(tài)氮的平均去除率分別為48.3%±3.4%、61.9%±4.1%、75.2%±5.3%和86.2%±3.1%。這表明缺氧柱菌群除滿足自身生命活動外，增加的多余碳源用于反硝化作用的含量逐漸提高，進(jìn)而增強了系統(tǒng)的反硝化脫氮作用[16]。同時，好氧出水中的硝態(tài)氮濃度較缺氧出水也有一定程度的上升，這表明好氧柱中部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。對比氨氮和硝態(tài)氮濃度，缺氧柱中發(fā)生這兩者的同步去除，這與常規(guī)的生物脫氮過程不同。Langeland 等[17]對曝氣生物濾池中同步硝化反硝化的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)DO含量為0.5～3 mg/L時，同步硝化反硝化效果良好。在本次試驗中，缺氧柱中DO含量在0.8～1 mg/L，且在缺氧柱中出現(xiàn)了氨氮和硝態(tài)氮的同步去除，因此，可認(rèn)為在缺氧段中出現(xiàn)了同步硝化反硝化作用，這與尤勇軍等[18]的研究一致。隨著C/N的升高，系統(tǒng)出水中總氮平均質(zhì)量濃度分別為(8.1±0.7)、(5.9±0.5)、(4.4±0.3)mg/L和(3.4±0.2)mg/L，平均去除率為50.9%±2.3%、62.6%±2.6%、69.8%±3.1%和75.7%±3.0%，這表明不同C/N條件下，系統(tǒng)總氮的處理效能均良好。

圖2 進(jìn)水C/N對反應(yīng)器的去除效果Fig.2 Effect of Influent C/N on Removal Performance of Reactor

對于整個工藝而言，當(dāng)碳氮比為4∶1時，各氮類污染物的含量較低，繼續(xù)增加C/N對于氮類污染物的去除作用相對較小，同時考慮到實際運行的經(jīng)濟因素，當(dāng)體系中投加碳源過量時，會造成資源浪費。因此，選定C/N為4∶1作為反應(yīng)體系的最優(yōu)工況之一。

2.2 回流比

回流對于AO生物濾池有著十分重要的影響。一方面，增加出水回流可以有效補充進(jìn)水段的硝態(tài)氮濃度，增強缺氧段的脫氮效果。另一方面，過高的回流比也會使得出水中過多的DO進(jìn)入缺氧段，使得缺氧段的環(huán)境遭到破壞，生物反硝化作用減弱。因此，研究最佳回流比具有重要意義。

選用最優(yōu)C/N為4∶1的條件，控制進(jìn)水條件：氨氮含量為9～11 mg/L,硝態(tài)氮含量為13～16 mg/L,亞硝態(tài)氮含量為0～0.5 mg/L,CODCr含量為100 mg/L,進(jìn)水pH值為6.5～6.8,水力停留時間為2 h，好氧柱DO含量為2 mg/L,各回流比濃度梯度分別為100%、200%、300%和400%，分析各種污染物去除效果。

由圖3可知，各個回流比條件下反應(yīng)器出水中氨氮的質(zhì)量濃度都較低，均小于0.3 mg/L，這表明好氧段中生物硝化作用較強，氨氮去除效果較好。然而缺氧段中氨氮的平均去除率卻隨回流比的增加逐漸下降，當(dāng)回流比分別為100%、200%、300%和400%時，缺氧段氨氮的平均去除率分別為48.4%±2.1%、40.1%±1.5%、38.1%±2.3%和37.9%±2.3%。分析表明，隨回流量的增大，進(jìn)水中污染物的濃度被稀釋，硝化菌攝取氨氮難度增大，硝化速率降低。同時，反應(yīng)器內(nèi)水力負(fù)荷增強，濾柱上生物膜遭到破壞，甚至部分脫落，使得同步硝化反硝化作用減弱，氨氮去除率降低[19]。同時，系統(tǒng)對硝態(tài)氮的去除率也在不斷降低。在好氧柱出水時，硝態(tài)氮的平均去除率分別為64.1%±3.2%、38.6%±3.5%、17.4%±1.3%和8.6%±0.5%；在缺氧柱中，硝態(tài)氮的平均去除率分別為76.3%±4.5%、59.8%±3.8%、32.5%±2.0%和19.2%±1.3%。試驗結(jié)果表明，隨著回流比升高，好氧段回流的部分DO對缺氧環(huán)境造成破壞，對反硝化細(xì)菌的生理生化特性造成影響，同時回流比升高使得進(jìn)水中CODCr濃度減小，缺氧柱中用于反硝化的碳源濃度降低，限制了同步硝化反硝化作用[20]。在兩方面作用下，回流比的增加對硝態(tài)氮的去除起到了抑制作用。當(dāng)回流比為100%時，出水中總氮平均質(zhì)量濃度分別為(4.2±0.4)、(5.6±0.5)、(8.3±0.7)mg/L和(10.0±0.8)mg/L，平均去除率為69.3%±4.3%、53.4%±4.1%、33.8%±2.2%和23.2%±2.0%。根據(jù)前文分析，總氮的去除主要受缺氧柱同步硝化反硝化作用的影響，這導(dǎo)致隨回流比增加，出水總氮濃度升高，去除率降低。因此，選用回流比100%為系統(tǒng)最優(yōu)工況條件之一。

圖3 回流比對反應(yīng)器的去除效果Fig.3 Effect of Reflux Ratio on Removal Performance of Reactor

2.3 DO

DO對AO生物濾池脫氮效果具有重要影響，適當(dāng)提高好氧段中DO濃度可促進(jìn)氨氮的降解。同時，好氧段出水回流會裹挾部分DO進(jìn)入缺氧段，促進(jìn)缺氧段硝化作用，但過高的DO濃度會嚴(yán)重影響缺氧段中的反硝化作用，抑制硝態(tài)氮的去除。適當(dāng)?shù)腄O濃度可提高反應(yīng)器的脫氮能力。

在DO濃度試驗中，最優(yōu)C/N條件為4∶1，回流比為100%?？刂七M(jìn)水條件：氨氮含量為9～11 mg/L，硝態(tài)氮含量為13～16 mg/L，亞硝態(tài)氮含量為0～0.5 mg/L，CODCr含量為100 mg/L，進(jìn)水pH值為6.5～6.8，水力停留時間為2 h，設(shè)置好氧柱DO質(zhì)量濃度梯度分別為2、3、4、5 mg/L。在此試驗條件基礎(chǔ)上，分析檢測各種污染物去除效果。

由圖4可知，隨系統(tǒng)中DO濃度的提高，好氧柱出水氨氮的平均去除率均可達(dá)98%±1%，DO濃度對好氧柱的生物活性影響較小。在缺氧柱中，氨氮的平均去除率隨DO濃度的提高有所增加，分別為47.5%±3.8%、50.7%±4.0%、54.0%±3.2%、56.9%±2.2%。試驗結(jié)果表明，提高好氧柱中DO濃度可使得出水回流液中DO濃度也有所提升，促進(jìn)了缺氧段的硝化作用，然而缺氧柱中硝化細(xì)菌較少且混合液中氨氮含量較低，硝化細(xì)菌對氨氮的利用率不高，去除效果提升幅度較小[10]。隨著好氧柱中DO濃度逐漸增大，缺氧柱中硝態(tài)氮的平均去除率呈下降趨勢，分別為79.5%±4.1%、71.0%±2.2%、59.0%±3.1%和42.6%±2.2%。這是由于出水回流液中DO濃度升高，缺氧階段反硝化菌受到影響，同步硝化反硝化作用受到抑制，造成缺氧柱出水中硝態(tài)氮濃度升高[21]。系統(tǒng)出水中硝態(tài)氮平均增量為(1.7±0.1)、(2.3±0.2)、(3.2±0.2)mg/L和(3.0±0.2)mg/L。原因是DO含量升高，缺氧段中氨氮的去除效果較差，使得好氧段進(jìn)水氨氮濃度較高，好氧段硝化菌轉(zhuǎn)化氨氮為硝態(tài)氮，最終造成系統(tǒng)出水中硝態(tài)氮濃度隨DO濃度升高而增加。隨DO濃度升高，缺氧段總氮平均去除率為69.1%±3.5%、58.4%±3.1%、44.1%±2.1%和34.8%±2.4%;系統(tǒng)出水中總氮平均去除率為71.7%±3.1%、62.7%±3.2%、49.4%±2.2%和38.8%±1.5%。綜上，總氮的去除主要依賴于缺氧段作用，但過高的DO濃度使得缺氧段同步硝化反硝化處理效能降低[22]，因此，選用DO含量為2 mg/L做系統(tǒng)最優(yōu)工況之一。

圖4 DO對反應(yīng)器的去除效果Fig.4 Effect of DO on Removal Performance of Reactor

2.4 AO生物濾池整體運行效果評價

選用系統(tǒng)最優(yōu)工況條件，即投加CODCr含量為100 mg/L，C/N為4∶1，氨氮含量為9～11 mg/L，亞硝態(tài)氮含量為0.8～1.5 mg/L，硝態(tài)氮含量為13～16 mg/L，控制進(jìn)水pH值穩(wěn)定于6.5～6.8，水力停留時間為2 h，回流比設(shè)定為100%，好氧柱中DO含量為2 mg/L，進(jìn)水的流量為0.33 L/h，對實際的運行情況進(jìn)行考察。

如圖5所示，系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運行十分穩(wěn)定，缺氧段中，氨氮的平均出水質(zhì)量濃度為(2.540±0.221)mg/L，平均去除率達(dá)49.0%±3.1%。硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度較低，僅為(2.150±0.202)mg/L，平均去除率為77.3%±3.6%，作為總氮的主要處理單元，該階段總氮平均去除率為68.1%±3.2%。上述試驗結(jié)果表明，在AO生物濾池的缺氧段實現(xiàn)了同步硝化反硝化作用，這可能是在缺氧柱中由于傳質(zhì)阻力的存在，生物膜內(nèi)有機物、DO等基質(zhì)傳遞存在濃度梯度，從膜外到膜內(nèi)形成流動水層-附著水層-好氧層-厭氧層-附著介質(zhì)的漸變結(jié)構(gòu)，為好氧硝化和厭氧反硝化分別提供了適宜的條件[23-25]。系統(tǒng)出水中氨氮平均質(zhì)量濃度為(0.026±0.001)mg/L，硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度為(3.500±0.310)mg/L，亞硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度為0.005 mg/L，總氮平均質(zhì)量濃度為(4.210±0.352)mg/L，CODCr平均質(zhì)量濃度僅為(12.560±1.033)mg/L，出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，去除效果良好。

圖5 AO生物濾池最佳工況運行污染物去除效果Fig.5 Optimized Operation Condition of Pollutant Removal Performance in AO Biofilter

3 結(jié)論

(1)當(dāng)進(jìn)水的C/N為4∶1時，系統(tǒng)的脫氮效果最佳，繼續(xù)增加C/N，對整體脫氮作用影響較小。適當(dāng)提高進(jìn)水的碳源含量，可顯著地為同步硝化反硝化作用提供碳源，強化系統(tǒng)的脫氮效果。

(2)當(dāng)系統(tǒng)的回流比取100%時，AO生物濾池的脫氮效果最佳。隨進(jìn)水中回流比的提高，稀釋了進(jìn)水氨氮濃度，增加了生物獲取的難度，同時水力負(fù)荷增強，生物膜生長受到影響，同步硝化反硝化作用減弱，系統(tǒng)的處理效果隨之變差。

(3)反應(yīng)器對于DO質(zhì)量濃度為2 mg/L有著最強的處理效果，隨著DO濃度的增加，促進(jìn)了缺氧柱中的硝化作用，氨氮去除效果良好，但卻對反硝化作用產(chǎn)生明顯抑制，影響其他污染物的去除。

(4)在選定的最優(yōu)工況條件下，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，脫氮效果明顯，出水氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮和CODCr平均質(zhì)量濃度分別為(0.026±0.001)、0.005、(3.500±0.310)、(4.210±0.352)mg/L和(12.560±1.033)mg/L，處理后水質(zhì)指標(biāo)完全達(dá)到一級A污水排放標(biāo)準(zhǔn)。