兩級AO 礫間接觸氧化工藝治理重度黑臭水體研究

黃 聰，王 靜，周金艷，彭 聃，任曉玲，李柏林

（1.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，湖北武漢 430000；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

黑臭水體治理是提高水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵內(nèi)容之一。礫間接觸氧化工藝因其經(jīng)濟(jì)、高效、綠色等優(yōu)勢〔1〕，近年來在黑臭水體治理領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。該工藝?yán)锰烊坏[石作為填料，微生物附著生長于填料表面形成好氧層、缺氧層和厭氧層，污染物通過吸附、沉淀、生物降解等作用得以去除〔2〕。礫間接觸氧化工藝在日本〔3-4〕和中國臺灣〔5〕的微污染河流治理中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)以往研究，其對COD 和NH4+-N 去除效果良好，但TN 去除效果不佳〔6〕。

傳統(tǒng)礫間接觸氧化工藝沒有嚴(yán)格的功能分區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)高效硝化反硝化〔7〕。本研究將其與多級A/O（缺氧/好氧）技術(shù)結(jié)合，使工藝具有更強(qiáng)的污染物去除能力〔8〕。礫間接觸氧化工藝多用于微污染水體治理〔9-10〕，要使其達(dá)到理想的重度黑臭水體治理效果，還需進(jìn)一步優(yōu)化性能。適當(dāng)延長HRT可增強(qiáng)反應(yīng)器脫氮效率〔11〕，但HRT過長易導(dǎo)致成本增加甚至降低脫氮效果〔12〕。內(nèi)回流可將含有大量含NO3--N的硝化液帶入缺氧區(qū)，促進(jìn)缺氧區(qū)的反硝化作用〔13〕，但回流的硝化液過多可能會破壞缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境，不利于反硝化菌生長〔14〕。分段進(jìn)水可優(yōu)化碳源利用，在無需外加碳源的條件下獲得較高的脫氮效果〔15〕，但不適宜的進(jìn)水量分配比會導(dǎo)致反硝化區(qū)出現(xiàn)碳源不足或過多的情況〔16〕，達(dá)不到提高脫氮效果目的。此外，單一參數(shù)調(diào)控對工藝的污染物去除效果提升有限，因此在本研究中，筆者擬采用多參數(shù)調(diào)控方式對工藝進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化。

本研究采用兩級AO 型礫間接觸氧化反應(yīng)器治理重度黑臭水體，通過調(diào)控HRT、硝化液內(nèi)回流比、A1 和A2 區(qū)進(jìn)水量分配比等參數(shù)強(qiáng)化污染物去除效果。根據(jù)沿程污染物濃度變化，分析不同功能區(qū)對污染物的降解規(guī)律。在最優(yōu)條件下考察污染物去除效果，為兩級AO 型礫間接觸氧化工藝治理黑臭水體提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自制的長方體有機(jī)玻璃反應(yīng)器，礫間接觸氧化反應(yīng)器示意見圖1。

圖1 礫間接觸氧化反應(yīng)器Fig.1 Gravel contact oxidation reactor

反應(yīng)器有效容積126 L。進(jìn)水方式為蠕動泵進(jìn)水，底部設(shè)有曝氣、排泥和反沖洗管道。生物區(qū)中缺氧區(qū)1（A1 區(qū)）、好氧區(qū)1（O1 區(qū)）、缺氧區(qū)2（A2 區(qū)）均填充粒徑約100 mm 的礫石，填充率為55%；好氧區(qū)2（O2 區(qū)）填充粒徑約6 mm 的蛭石，A 區(qū)和O 區(qū)體積比為3∶4。為避免發(fā)生短流，采用穿孔隔板式折流結(jié)構(gòu)；為充分利用碳源、提高脫氮效果，采用兩點(diǎn)進(jìn)水方式，并在第一級AO 反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置回流。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為在自來水的基礎(chǔ)上添加葡萄糖、NH4Cl 等藥劑的模擬黑臭水。實(shí)驗(yàn)期間COD 為50～150 mg/L，NH4+-N 為15～25 mg/L，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ的質(zhì)量濃度均為1 mg/L（配方見文獻(xiàn)〔17〕），pH 保 持 在8 左 右。

1.3 啟動運(yùn)行效果

筆者課題組前期采用接種掛膜的方式啟動反應(yīng)器〔18〕，進(jìn)水平均COD 和NH4+-N 分別為140 mg/L 和20 mg/L。啟動過程分三個(gè)階段：間歇培養(yǎng)階段（1～3 d）、快速啟動階段（4～26 d）和穩(wěn)定運(yùn)行階段（27～58 d）。反應(yīng)器歷時(shí)21 d成功啟動，之后通過縮短HRT、增設(shè)內(nèi)回流、多點(diǎn)進(jìn)水使反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定。最終COD、NH4+-N、TN 的去除率穩(wěn)定在70%、90%、40%左右。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

3個(gè)平行反應(yīng)器啟動成功后，分別調(diào)控不同反應(yīng)器的HRT、內(nèi)回流比和進(jìn)水量分配比以提升污染物去除性能，并在最優(yōu)工況參數(shù)條件下考察反應(yīng)器對污染物的去除效果，工況運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 工況運(yùn)行參數(shù)Table 1 Different operational parameters in group

1.4.1 系統(tǒng)性能優(yōu)化階段

（1）提升水力負(fù)荷降成本。為降低運(yùn)行成本，縮短HRT（12 h→10 h→8 h→6 h）以增大系統(tǒng)單位時(shí)間處理水量。分析不同HRT 下污染物去除效果，在滿足出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，選擇較低HRT。

（2）優(yōu)化脫氮性能促高效。為提升反硝化能力，提高內(nèi)回流比（0%→100%→200%→300%）以增加缺氧區(qū)NO3--N 含量；為充分利用碳源，降低進(jìn)水量分配比（6∶4→5∶5→4∶6→3∶7）為二級AO 提供更多電子供體。探究不同工況下污染物去除效果，確定系統(tǒng)運(yùn)行最佳內(nèi)回流比和進(jìn)水量分配比。

1.4.2 最優(yōu)工況運(yùn)行階段

保持其他條件不變，在最佳HRT、內(nèi)回流比、進(jìn)水量分配比條件下運(yùn)行反應(yīng)器，研究系統(tǒng)優(yōu)化后性能提升效果。

1.5 測試項(xiàng)目及方法

COD、NH4+-N、TN 的分析方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）〔19〕，DO、pH、溫度由哈希便攜測試儀進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力負(fù)荷提升

為增強(qiáng)反應(yīng)器處理水量性能，縮短HRT 以增加單位時(shí)間處理水量。不同HRT 下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果見圖2。

由圖2 可知，隨著HRT 降低，反應(yīng)器對COD 的去除效果逐漸降低。HRT 從12 h 降低至10 h 時(shí)，COD 平均去除率下降了6%；從10 h 降低至8 h 時(shí)，COD 平均去除率下降4%，HRT 的降低對COD 去除率的影響不太明顯；HRT 從8 h 降至6 h 時(shí)，COD 平均去除率下降9%，降幅較大，此時(shí)COD 平均去除率僅有56%。HRT從12 h 降至10 h 時(shí)，對NH4+-N 的去除效果影響不大；HRT繼續(xù)降低，NH4+-N去除率逐漸下降，這是因?yàn)镠RT的縮短，不利于世代周期較長的硝化細(xì)菌生長繁殖〔20〕，使得出水NH4+-N 逐漸升高，與此同時(shí)硝化效果降低導(dǎo)致反硝化效果不佳，TN 去除率下降。綜合考慮COD、NH4+-N 和TN 去除率，確定最佳HRT 為10 h。

圖2 不同HRT 下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果Fig.2 Removal effect of main pollutants in the reactor under different HRT

不同HRT 下反應(yīng)器沿程COD、NH4+-N、TN 的變化情況見圖3。

圖3 不同HRT 下反應(yīng)器沿程COD、NH4+-N 和TN 的 變 化 情 況Fig.3 COD，NH4+-N and TN changes along the reactor under different HRT

由圖3 可知，HRT 為12 h 時(shí)，硝化細(xì)菌生長旺盛，NH4+-N 去除效果優(yōu)良，但HRT 過長使得反應(yīng)前期碳源大量消耗，反應(yīng)后期反硝化碳源不足導(dǎo)致出水TN 濃 度 較 高；HRT 分 別 為8 h 和6 h 的 情 況 下，NH4+-N 消耗不完全導(dǎo)致第一級出水TN 升高，第二級AO 的TN 出水濃度高更大程度上是由于NO3--N去除效果不佳。4 種工況下，出水TN 中NH4+-N 占比分別為9.36%、33.20%、38.14%和35.41%。

2.2 脫氮性能優(yōu)化

2.2.1 內(nèi)回流比優(yōu)化

回流可為缺氧區(qū)提供更多的NO3--N，從而增強(qiáng)系統(tǒng)脫氮效果。不同內(nèi)回流比下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果見圖4。

圖4 不同內(nèi)回流比下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果Fig.4 Removal effect of main pollutants in the reactor under different internal reflux ratio

由圖4 可知，內(nèi)回流比為0～200%時(shí)，COD 平均去除率隨內(nèi)回流比的增大而升高，回流比增至300%時(shí)，回流硝化液攜帶較多DO 破壞了A1 區(qū)缺氧環(huán)境〔21〕，導(dǎo)致COD 去除率下降；內(nèi)回流比為0～200%時(shí)，NH4+-N 去除率維持在85%以上，內(nèi)回流比為300%時(shí)，NH4+-N 的去除率大幅降低；在內(nèi)回流比為0～200%時(shí)，TN 去除率隨內(nèi)回流比增加而增加，內(nèi)回流比為300%時(shí)，TN 去除率下降。綜合上述分析，內(nèi)回流比為200%時(shí)，反應(yīng)器具有較好的污染物去除效果。

2.2.2 進(jìn)水量分配比優(yōu)化

合理設(shè)定進(jìn)水量分配比可使碳源得到充分利用，提高反應(yīng)器脫氮除碳效果。不同進(jìn)水量分配比下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果見圖5。

圖5 不同進(jìn)水量分配比下反應(yīng)器對主要污染物的去除效果Fig.5 Removal effect of main pollutants in the reactor under different influent water distribution ratio

由圖5 可知，進(jìn)水量分配比對COD 和NH4+-N 的去除都有一定程度影響，進(jìn)水量分配比越小，出水COD 和NH4+-N 越高?？赡苁且?yàn)檩^小的進(jìn)水量分配比增大了第二級AO 的污染負(fù)荷，致使污染物降解不完全。出水TN 濃度也受到進(jìn)水量分配比的影響，4 種工況下TN 平均去除率分別為53.34%、43.77%、47.53%和38.88%。當(dāng)進(jìn)水量分配比為6∶4時(shí)，A1 區(qū)碳源充足，NO3--N 得到充分去除從而使TN去除率較高；當(dāng)進(jìn)水量分配比為3∶7 時(shí)，O2 區(qū)硝化作用及蛭石的吸附作用有限，NH4+-N 反應(yīng)不完全，限制了TN 的去除?？傮w來看，進(jìn)水量分配比為6∶4時(shí)可以達(dá)到較高的TN 去除效果，使碳源得到有效利用，因此6∶4 為最優(yōu)進(jìn)水量分配比。

2.2.3 不同功能區(qū)污染物降解規(guī)律

為了更深入探究系統(tǒng)內(nèi)部污染物去除效能，通過測定不同功能區(qū)進(jìn)出口污染物濃度，考察各功能區(qū)污染物降解規(guī)律，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 不同內(nèi)回流比下污染物沿程變化情況Fig.6 Changes of pollutants along the path under different internal reflux ratio

由圖6 可知，內(nèi)回流比分別增至100%和200%時(shí)，第一級AO 污染物去除效果逐漸提升。這是因?yàn)榛亓飨趸簬磔^多NO3--N 促進(jìn)反硝化作用進(jìn)行〔22〕；另外O1 區(qū)COD 濃度降低使得自養(yǎng)硝化菌生長繁殖加快，硝化作用也得到增強(qiáng)〔14，23〕。隨著內(nèi)回流比繼續(xù)增加，A1區(qū)缺氧環(huán)境遭到破壞，COD 去除主要貢獻(xiàn)區(qū)由A1 區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)镺1 區(qū)。此時(shí)第一級AO 脫氮效果不佳。雖然A2區(qū)可去除部分NO3--N，但O2 區(qū)硝化能力有限且難以進(jìn)行反硝化，第 二 級AO 出水NH4+-N 和TN 明 顯 升 高。

由圖7 可知，隨著進(jìn)水量分配比逐漸減小，第一級AO 脫氮除碳效果呈上升趨勢。對于A1 區(qū)，碳源減少削弱了反硝化作用〔2〕，但TN 去除效果提升。推測該區(qū)域可能發(fā)生了厭氧氨氧化或自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，且這種反應(yīng)隨碳源量相對不足而增強(qiáng)〔24〕。A1 區(qū)反硝化脫氮貢獻(xiàn)率降低導(dǎo)致出水COD升高，更多有機(jī)物在O1區(qū)去除。對于第二級AO，進(jìn)水量增加，反硝化電子供體充足有利于反應(yīng)進(jìn)行；然而進(jìn)水量增加也帶來更多NH4+-N，O2區(qū)硝化能力有限，系統(tǒng)出水NH4+-N升高并成為導(dǎo)致出水TN 升高的主要因素。

圖7 不同進(jìn)水量分配比下污染物沿程變化情況Fig.7 Changes of pollutants along the path under different influent water distribution ratio

2.3 優(yōu)化后運(yùn)行效能分析

本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)：HRT=10 h，內(nèi)回流比為200%，進(jìn)水量分配比為6∶4。在最優(yōu)工況下運(yùn)行反應(yīng)器，污染物的去除效果見表2。

表2 生物接觸氧化技術(shù)治理重度污染河道實(shí)例Table 2 Examples of biological contact oxidation technology for treatment of severely polluted rivers

相對于啟動穩(wěn)定時(shí)的效果，優(yōu)化后系統(tǒng)HRT縮短，單位時(shí)間內(nèi)處理水量增多，脫氮除碳性能也有較大提升。COD 平均去除率由70%升至88%，NH4+-N 平均去除率略有增加，出水兩種污染物分別達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅰ類和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。TN平均去除率由40%升至55%，出水平均TN約9.25 mg/L。通過多個(gè)生物接觸氧化工藝治理重度污染河道實(shí)例對比，可以看出：功能分區(qū)促進(jìn)硝化反硝化進(jìn)行；硝化液回流有利于脫氮除碳；多級AO 分段進(jìn)水效果提升的原因在于優(yōu)化了碳源分配。優(yōu)化后兩級AO 礫間接觸氧化工藝合理設(shè)置了功能分區(qū)、硝化液回流和分段進(jìn)水，又可處理較大水量，因此具有優(yōu)良的綜合性能。

3 結(jié)論

（1）HRT 過短嚴(yán)重影響污染物的去除；內(nèi)回流比增加可顯著增強(qiáng)TN 去除效果，但較大的內(nèi)回流比會抑制TN 的去除；較小的進(jìn)水量分配比會增大第二級AO 的污染負(fù)荷，削弱反應(yīng)器對污染物的去除。最終確定最優(yōu)參數(shù)：HRT=10 h，內(nèi)回流比為200%，進(jìn)水量分配比為6∶4。

（2）回流可為缺氧區(qū)提供電子受體從而促進(jìn)A1區(qū)的反硝化作用，但較大的內(nèi)回流比易破壞A1 區(qū)缺氧環(huán)境，致使第一級AO 污染物去除效果不佳，出水污染物濃度較高；分段進(jìn)水可優(yōu)化碳源利用，隨著進(jìn)水量分配比減小，第二級AO 污染負(fù)荷增大，NH4+-N成為導(dǎo)致出水TN 升高的主要因素。

（3）在最優(yōu)工況下，COD、NH4+-N、TN 平均去除率分別為88%、90%、55%，出水COD 和NH4+-N 分別達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅰ類和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，出水平均TN 約9.25 mg/L。