碳氮比對兩段進水A/O工藝脫氮效果的研究

葉翠紅+申慧彥

摘要：為解決傳統工藝脫氮效率低的問題，采用分段進水 A/O 工藝對脫氮效果進行了試驗研究，在兩段缺氧-好氧交替運行方式下，分析了序批式活性污泥反應器（SBR）系統在C/N不同的條件下，主要污染物的去除效果和生物脫氮性能。結果表明：在C/N分別為5、6.5、8時，系統對COD、NH3-N和TN的去除率最高可以達到90.52%、98.49%和83.77%。

關鍵詞：兩段A/O工藝；不同C/N； 生物脫氮

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0012-03

1 引言

隨著科技的快速發展，人民生活水平有了很大的提高，用水量也在急劇增加。近年來，為防止水體富營養化和環境污染，國家提高了污水中氮的排放標準。就去除氮、節約成本和能源而言，相比物理化學處理，生物方法處理城市污水吸引了大量學者來進行研究。各種污水生物脫氮處理工藝迅速發展起來，且得到了廣泛的應用，例如A2/O工藝、A/O工藝、UCT工藝等。國內外的工藝試驗研究和工程應用結果表明，分段進水生物脫氮工藝具有脫氮效果好、處理效率高、所需池容小、運行費用省、運行管理方便等優點[1，2]，具有很好的發展前景，適用于各種規模污水處理廠的改造和新廠建設。然而，工程實際應用中反應器段數多采用2～4 段[3]，這是因為系統運行的穩定性、脫氮效率與反應器段數有著密切聯系，脫氮效率會隨著反應器段數的增多而增加， 因此系統越穩定， 但是工藝設計與運行也會隨之變復雜。所以本研究采用的是兩段進水A/O處理工藝。

2 材料與方法

2.1 裝置

采用序批式活性污泥反應器（SBR），材料為有機玻璃，高40 cm，直徑16 cm，總有效容積為4 L，反應裝置如圖1所示。在反應器側壁上設置一排間距10 cm 的取樣口，用以取樣和排水。安裝攪拌器用以提供充分的泥水混合，反應器底部采用黏沙曝氣頭曝氣，用轉子流量計調節曝氣量，維持反應器中溶解氧（DO）在2～3 mg/L。

2.2 接種污泥與水質

SBR的接種污泥取自實驗室已經培養好的具有硝化反硝化能力的污泥。

實驗采用人工配水，常量元素（mg/L）：MgSO4·7H2O 108，CaCl2·2H2O 17.2，NH4Cl 92， KH2PO4 10.4，K2HPO4·3H2O 17.6；微量元素（ug/L）：FeCl3·6H2O 1.8，CuSO4·5H2O 0.036，H3BO3 0.18，KI 0.216，Na2MoO4·2H2O 0.072，ZnSO4·7H2O 0.144，MnCl2·4H2O 0.144，CoCl2·6H2O 0.18，EDTA 12；COD濃縮液（用C2H3O2Na配制而成）（g/L） ；NH4HCO3溶液（g/L）：87.8。進水C/N根據實驗進行調整。

2.3 樣品收集與分析方法

實驗中對此兩段A/O工藝的各級反應段的節點進行取樣，再進行各指標測定與分析。 每個典型周期取樣間隔為：0 min、1 h、2 h、1 h、2 h、30 min；上清液中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和COD的濃度測定均參照《水和廢水監測分析方法》[4]。氨氮（NH3-N）含量：納氏試劑分光光度法；亞硝酸鹽氮（NO-2-N）含量：N-（1- 萘基）- 乙二胺分光光度法；硝酸鹽氮（NO-3-N）：紫外分光光度法；COD：重鉻酸鉀法。DO值：便攜式DO儀；MLSS采用標準重量法測定。

2.4 試驗方案

試驗過程中，將反應器中的MLSS維持在3000～3500 mg/L，每天運行3個周期，每個周期運行時間為480 min，其中進水5 min（進水量為1 L），攪拌1 h，曝氣2 h，攪拌1 h（攪拌開始同時進水5 min），曝氣2 h，沉淀30 min，排水5 min，閑置80 min。SBR的排水比設置為50%，從而反應器的水力停留時間（HRT）為16 h。試驗分3個階段進行，各階段的C/N比、運行天數等如下表1所示。

3 結果與分析

3.1 不同C/N比對硝化效果的影響

由圖2可知，實驗結果表明，系統中硝化產物大部分是NO-3-N，NO-2-N積累得很少。出水NH3-N濃度為0.5～6.8 mg/L，其去除率保持在78.75～98.49%，由此可知NH3-N的去除率受進水C/N比的影響較小。

不同C/N比條件下各段好氧區對NH3-N的去除率，結果如表2所示。缺氧條件下，碳源會被反硝化菌利用；曝氣階段，反應器處于好氧環境，這時反應器會保持低的營養狀態，COD濃度相對較低，反硝化菌活性由于缺乏碳源而受到抑制[5]。硝化菌是化能自養菌，在好氧區中可以進行硝化作用，相對于異養型細菌，硝化細菌處于優勢，使得NH3-N得以轉化。

3.2 不同C/N比對反硝化效果的影響

在缺氧狀態下，異養型的反硝化菌可利用有機物作為電子供體來進行反硝化反應，將硝態氮還原為氣態氮N2，從而達到脫氮的目的。這會使得反應器后各段缺氧區NO3-N濃度低于好氧區NO3-N濃度，如圖3a所示。另外，進水TN為NH3-N，出水TN主要為NO3-N，這說明系統的硝化反應進行得比較完全，而反硝化效果不好。隨著C/N的增加，整個系統的反硝化效果逐漸增強。

TN的去除主要是通過硝化和反硝化實現的，而反硝化作用是氮得以去除的主要途徑。如 圖3b所示，當逐漸提高C/N時，出水TN濃度也會有所降低，從而使得TN去除率隨之升高。邱慎初等[3]在分段進水的生物除磷脫氮工藝一文中提到的美國紐約市水污染控制廠，采用該工藝得到的出水情況與本試驗結果相一致。當C/N為5時，反應器去除TN的效率為43.33%，出水TN為18.7 mg/L；當C/N為6.5時，TN去除率提高到72.65%，出水TN為9.3 mg/L達到國家一級A標準；當C/N進一步提高，TN去除率是有限的，當C/N為8時，出水TN濃度為5.6 mg/L，TN去除率上升到83.77%。由此可知，盡管反應器里所構成的微生物的特殊環境對生物脫氮是有利的，但當C/N較低時，由于碳源不足，導致反硝化過程不完全，因此對TN的去除效果相對較低。

同時，由圖3b可以看出，好氧區中發生了一定的氮損失現象，因為在C/N為6.5、8時，好氧區中氨氮的減少量大于硝酸鹽氮的增加量，TN在好氧區中出現0.7～2.9 mg/L的減少，分析原因可能是：好氧區通過微生物的代謝對TN有少量的去除，可能是發生了同化現象或者是同步硝化反硝化（SND）現象。近年來研究表明控制較低的DO濃度有利于SND的發生，能夠大大提高處理效果，且可以減少池容[6，7]。因此，要使得脫氮效果更好，可以在脫氮過程中保證好在滿足硝化反應的條件下，盡量減少曝氣量，從而促進好氧反硝化現象的出現。由圖2～4可知，在不同C/N下，出水中TN的主要組成成分為NO3-N，而且隨著C/N的增加，就會有更多的碳源能夠用于反硝化脫氮，這會使得反應器中的泥水混合液中的NO3-N得到去除，因此導致出水中的NO3-N有所降低，從而TN也會相應下降。

3.3 進水C/N對去除COD效果的影響

由圖4可以看出，COD的去除主要在各段的缺氧區發生，這主要是由于反硝化過程和釋磷作用消耗了較多的進水有機物[8]。在缺氧條件下，異養型的反硝化菌利用有機物作為電子供體進行反硝化反應，使得有機物得以去除。在此兩段A/O工藝中，進水在每段的缺氧區中，會為系統反硝化提供碳源，此時大部分易降解的有機物多被利用，這主要是用于反硝化前-好氧段內產生的硝態氮，之后污水在曝氣條件下會進行硝化反應。缺氧區中的剩余的碳源會在好氧條件下發生同步硝化反硝化或者碳化現象，這會使得原水中的有機物得以充分利用。若反硝化后期系統內仍有碳源剩余，這時聚磷菌便會利用這部分碳源進行厭氧放磷[9]。當進水C/N分別為5、6.5、8時，進水COD濃度為165.16～263.75 mg/L，出水COD濃度為24.8～28.30 mg/L，系統去除率穩定在83.63～90.52%，出水COD濃度能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A標準，可見系統具有較強的抗沖擊負荷能力和去除有機物的能力，且系統中的有機物去除率高且穩定。

4 結論

本研究采用兩段進水A/O工藝分析了在C/N不同時，序批式活性污泥反應器（SBR）對主要污染物的去除效果和生物脫氮性能，結論如下。

（1）進水C/N為5～8時，兩段A/O系統對COD和NH3-N去除效果穩定，對TN的去除率高達83.77%，隨著進水C/N的逐漸增加，系統的生物脫氮效果更好，COD、NH3-N、TN出水都能達到一級A標準。

（2）系統兩段的缺氧段會將進入反應器的碳源降解充分，且反硝化效果會隨C/N的增大而相應的有所增加。 隨著C/N的增加，整個系統的硝化和反硝化效果逐漸增強，出水TN濃度相應會有所降低，從而使得TN去除率隨之升高。好氧區中發生了一定的氮損失現象，要使得脫氮效果更好，可以在脫氮過程中保證好在滿足硝化反應的條件下，盡量減少曝氣量，從而促進好氧反硝化現象的出現。

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