硝化液回流比對缺氧-生物轉(zhuǎn)盤工藝脫氮效果的影響

馬 駿，查 曉，呂錫武

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.東南大學(xué)無錫分校無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無錫 214000）

分散式生活污水規(guī)模小、水量變化系數(shù)大，成分復(fù)雜但有機(jī)物濃度偏低，常規(guī)城鎮(zhèn)集中式污水處理技術(shù)并不能滿足其處理要求。與此同時，單一的物化、生物或生態(tài)處理方法亦具有各自的局限性。單一的物化處理技術(shù)運(yùn)行成本較高，且對氮的處理效率較低、能力有限；生物技術(shù)無法有效解決分散式生活污水普遍富營養(yǎng)化的問題；生態(tài)技術(shù)占地面積大且處理效率相對較低。因此我國分散式生活污水多采用組合工藝進(jìn)行處理，主要分為：“厭氧＋生態(tài)”、“好氧＋生態(tài)”、“厭氧＋好氧”、“厭氧＋好氧＋生態(tài)”，4種主要類型。其中考慮到活性污泥法運(yùn)行成本高，且存在污泥膨脹問題，在農(nóng)村地區(qū)好氧生物處理技術(shù)部分多采用更易維護(hù)管理的生物膜法，主要包括接觸氧化和生物濾池兩大類［1-4］。

本文從農(nóng)村生活污水水質(zhì)、水量特征出發(fā)，結(jié)合居民生活方式、經(jīng)濟(jì)水平考慮，提出了“厭氧＋缺氧＋好氧＋人工濕地”的生物生態(tài)組合工藝對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理［5］。厭氧部分將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，去除部分有機(jī)物；缺氧部分混合好氧池回流液，實現(xiàn)反硝化脫氮與脫臭；好氧部分在實現(xiàn)氨氮硝化的同時繼續(xù)去除有機(jī)物；人工濕地利用剩余有機(jī)物及氮磷轉(zhuǎn)化為植物所需并將之去除，經(jīng)過四部分各自分工與配合最終使出水達(dá)標(biāo)。由于濕地部分需較大占地面積才能保證氮的有效去除，強(qiáng)化缺氧-好氧單元的脫氮功能顯得尤為必要，回流比是重要的控制因素。過大的回流比使得系統(tǒng)造價及運(yùn)行費用變高，降低回流比可降低能耗和建造、運(yùn)行費用，但可能造成出水不達(dá)標(biāo)。因此，本試驗好氧單元利用水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤加強(qiáng)充氧效率，探究不同回流比下缺氧-好氧單元的脫氮效果及規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram

本試驗所采用組合工藝中生物部分由厭氧折板反應(yīng)器、缺氧反應(yīng)器、水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤裝置組成（圖1）。為減少裝置占地面積、降低后續(xù)反應(yīng)負(fù)荷，選擇將高濃度、小水量的黑水利用厭氧折流板反應(yīng)器處理后再與低濃度、大水量的灰水進(jìn)行混合進(jìn)入缺氧池及好氧池，并通過好氧池硝化液回流至缺氧池進(jìn)行硝化反硝化脫氮。好氧部分采用多級跌水的水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤裝置，利用裝置內(nèi)循環(huán)水驅(qū)動水車帶動生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，省去了常規(guī)生物轉(zhuǎn)盤驅(qū)動用電機(jī)，節(jié)約耗能，更適宜農(nóng)村地區(qū)小型生活污水。與此同時，每級跌水充氧與盤片轉(zhuǎn)動復(fù)氧保證了裝置充足的充氧能力。

生物生態(tài)組合工藝中利用厭氧折流板反應(yīng)器處理黑水后再與灰水混合進(jìn)入缺氧-好氧部分進(jìn)行處理，好氧部分采用水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤裝置，且硝化液部分回流至缺氧池進(jìn)行反硝化脫氮，好氧部分出水進(jìn)入人工濕地對氮磷進(jìn)行進(jìn)一步去除。本試驗重點考察缺氧-好氧部分的運(yùn)行效果。

缺氧池尺寸長為 40 cm、寬為 40 cm、高為100 cm，總有效體積為120 L，池內(nèi)采用組合式填料掛膜，池壁從下而上每隔10 cm設(shè)一出水口，出水水位可由不同高度出水口進(jìn)行調(diào)節(jié)。好氧單元設(shè)三級水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤，每級池體長為35 cm、寬為20 cm、高為20 cm，總有效容積為36 L，盤片直徑為16 cm，間距為1 cm，共10片。每級水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤均由水車區(qū)和轉(zhuǎn)盤區(qū)組成，其中水車區(qū)和轉(zhuǎn)盤區(qū)體積比為1∶6。水車部分由最后一級出水自循環(huán)驅(qū)動，控制驅(qū)動水量保持盤片轉(zhuǎn)速為2～4 r／min。參考已有對接觸氧化池跌水高度的研究［6］，轉(zhuǎn)盤每級之間跌水高度設(shè)為0.6 m，各水箱和反應(yīng)器均由PVC材料制成。

試驗共使用2組平行的單向進(jìn)水潛流人工濕地系統(tǒng)及2組平行的可控型兩端進(jìn)水潛流人工濕地系統(tǒng)，每組濕地系統(tǒng)進(jìn)水通過閥門控制流量。兩種潛流人工濕地平面尺寸均為：長 L＝2.0 m；寬 B＝0.3 m；高 H＝0.55 m；基質(zhì)層高度為 0.4 m；單元有效表面積為 0.6 m2，濕地沿程方向上距進(jìn)水端0.65 m及1.3 m處分別設(shè)置取樣口，沿長度方向每隔0.5 m加設(shè)穿孔折流板，引導(dǎo)污水在濕地中以上下折流方式推流流動。濕地內(nèi)部基質(zhì)填料由下至上依次為：粗礫石（層高為 15 cm，粒徑為 30～50 mm），細(xì)礫石（層高為 15 cm，粒徑為 10～20 mm），土壤（層高為10 cm），礫石層除作為濕地墊層以外，也是主要的吸附介質(zhì)，土壤層有利于擴(kuò)大種植植物的篩選范圍，整個基質(zhì)層空隙率約為40%。人工濕地夏秋季主要種植水稻和空心菜，冬春季主要種植芹菜、豆瓣菜等植物。

1.2 試驗方法

本試驗于東南大學(xué)無錫分校實驗中心開展，特別設(shè)計了處理模擬分散式污水的試驗裝置。本試驗中缺氧池進(jìn)水由厭氧出水和灰水兩部分組成，厭氧出水為厭氧折流板反應(yīng)器處理黑水（取自東南大學(xué)無錫分校東南院南側(cè)化糞池）后的出水，灰水取自東南大學(xué)無錫分校宿舍區(qū)生活污水。由于學(xué)校污水水質(zhì)與我國農(nóng)村地區(qū)污水水質(zhì)仍有些許差別，試驗過程中通過加藥對試驗用水進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控以模擬實際農(nóng)村生活污水水質(zhì)。試驗監(jiān)測黑水、厭氧出水、灰水水質(zhì)和缺氧進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗期間原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality during the Experiment

試驗由6月下旬開始～9月下旬結(jié)束，試驗期間水溫為25～32℃，缺氧池采用組合填料進(jìn)行掛膜，生物轉(zhuǎn)盤經(jīng)過預(yù)掛膜處理后放入水車式生物轉(zhuǎn)盤中。反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間定期從缺氧池進(jìn)出水口及各級水車式生物轉(zhuǎn)盤出水處取樣并進(jìn)行測定。

1.3 水質(zhì)分析方法

水質(zhì)指標(biāo)測定采用國家環(huán)境保護(hù)總局編制的標(biāo)準(zhǔn)方法［7］：COD，密閉回流消解滴定法；TN，過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；氨氮，水楊酸鹽分光光度法；硝氮，氨基磺酸紫外分光光度法；pH，便攜式pH計測定法；水溫，溫度計。

2 結(jié)果與討論

本試驗在運(yùn)行期間通過調(diào)整硝化液回流比優(yōu)化對污染物的處理效果，從而選擇反應(yīng)器較適合工況條件。

2.1 回流比對COD去除效果影響

由圖2可知，試驗期間缺氧單元進(jìn)水CODCr濃度為 62.79～276.35 mg／L，好氧單元 CODCr出水濃度為 14.07～54.90 mg／L。分別考察進(jìn)水、缺氧出水及好氧出水COD濃度，可以觀察到COD的降低主要發(fā)生在缺氧單元。分析原因可知，COD濃度的降低主要來自三個方面［5］：回流的硝化液將好氧出水中的硝酸鹽帶入缺氧反應(yīng)器中，反應(yīng)器中反硝化細(xì)菌利用硝酸鹽和碳源進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)；回流硝化液與缺氧進(jìn)水同時進(jìn)入缺氧反應(yīng)器，稀釋了缺氧進(jìn)水的COD濃度，降低了缺氧反應(yīng)器內(nèi)的COD濃度；缺氧反應(yīng)器內(nèi)生物膜對進(jìn)水中的大顆粒有機(jī)物具有一定的吸附攔截作用。當(dāng)回流比為300%、200%、100%和50%時，好氧單元COD平均去除率分別為 86.66%、82.12%、82.13%及 63.86%。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流比從50%提升到100%時，COD去除率出現(xiàn)了一定的上升，這表明此時硝化液的回流對COD的降低產(chǎn)生了積極的作用，而當(dāng)回流比繼續(xù)提升時，COD去除率提升出現(xiàn)放緩的趨勢，去除效果提升極其微弱，當(dāng)回流比大于100%時，硝化液回流對COD去除影響甚微，有機(jī)物已經(jīng)得到了充分的降解。同時，在缺氧單元出水中硝氮濃度極低，這表明缺氧單元反硝化脫氮效果良好，且碳源濃度足夠，此時碳源并不是影響缺氧脫氮的主要因素。

圖2 不同硝化液回流比條件下COD的去除效果Fig.2 Effect of COD Removal under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

2.2 脫氮效果

2.2.1 不同回流比下氮形態(tài)的變化

如圖3所示，污水經(jīng)過三級水車式生物轉(zhuǎn)盤，硝氮濃度逐級上升。硝化菌利用無機(jī)碳為碳源，在好氧條件下氧化無機(jī)物獲取能量，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮。當(dāng)回流比為300%、200%、100%和50%時，氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮的平均轉(zhuǎn)化率分別為 51.94%、51.97%、43.32%和 31.52%。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流比小于200%時，隨著回流比的提升，氨氮和硝氮濃度變化較明顯，氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮的轉(zhuǎn)化率逐漸提升。而當(dāng)回流比超過200%時，轉(zhuǎn)化效果趨于穩(wěn)定。這是因為，一方面回流比的增大提高了相應(yīng)的跌水流量，加快了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，增加了生物轉(zhuǎn)盤與空氣接觸而獲得了更好的充氧效果，使得硝化效果得到了提升；另一方面，回流比的增大減少了污水在水車式生物轉(zhuǎn)盤的停留時間，導(dǎo)致硝化反應(yīng)時間的減少，回流比過大時水力停留時間過短，硝化反應(yīng)無法充分進(jìn)行。

圖3 不同硝化液回流比下氨氮的轉(zhuǎn)化效果Fig.3 Effect of Ammonia Nitrogen Conversion under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

如圖4所示，污水經(jīng)過缺氧池和三級水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤后，氨氮濃度逐級降低，硝態(tài)氮濃度在好氧單元中逐級增加。減少的氨氮中一部分被用作微生物自身物質(zhì)的合成，另一部分則在好氧單元中通過硝化菌的硝化作用轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮，同時在缺氧單元中，硝化液的回流一定程度上稀釋了氨氮的進(jìn)水濃度。試驗期間缺氧反應(yīng)池氨氮進(jìn)水濃度為11.43～23.17 mg／L，水車驅(qū)動式生物轉(zhuǎn)盤最后一級出水氨氮濃度為 1.70～15.67 mg／L。當(dāng)回流比為300%、200%、100%和50%時，氨氮平均去除率分別為 83.9%、89.98%、57.32%和 46.55%，硝氮的平均轉(zhuǎn) 化 率 分 別 為 51.94%、51.97%、43.32% 和31.52%。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流比從50%逐漸增加到200%時，氨氮平均去除率逐漸增大，當(dāng)回流比大于200%時，氨氮去除率出現(xiàn)了一定的下降。一方面，隨著回流比的增加，硝化回流液對進(jìn)水氨氮濃度的稀釋作用更加顯著；另一方面，在好氧條件下，氨氮由硝化菌消化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，氨氮去除率的變化與上一節(jié)硝氮轉(zhuǎn)化效果的分析具有一定的一致性，所以氨氮的去除率隨著回流比的增加同樣呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。

圖4 不同硝化液回流比條件下氨氮的去除效果Fig.4 Effect of Ammonia Nitrogen Removal under Different Ditrification Diquid Reflux Ratio

2.2.2 回流比對TN去除效果影響

如圖5所示，試驗期間缺氧池進(jìn)水TN濃度為8.21～43.31 mg／L，好氧單元出水 TN 濃度為 6.36～30.23 mg／L。當(dāng)回流比為 300%、200%、100% 和50%時，TN的平均去除率分別為38.08%、51.23%、29.30%和20.99%。當(dāng)回流比從50%增加到200%時，TN去除率不斷提升，隨著回流比的變大，更多來自好氧單元出水的硝態(tài)氮通過回流進(jìn)入了缺氧池為反硝化反應(yīng)提供電子受體，在碳源充足的情況下，硝態(tài)氮的去除率提高。同時，更大的回流比更大程度地稀釋了缺氧進(jìn)水的TN，使得缺氧出水TN濃度降低。而當(dāng)回流比增大為300%時，TN去除率出現(xiàn)了一定幅度的下降。

綜合以上幾點分析，僅從生物處理單元考慮時，當(dāng)回流比為200%時，TN的去除效果最優(yōu)。但組合工藝中為保證出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)接入人工濕地，因此保留一定濃度的氮有利于人工濕地中植物的生長。所以實際運(yùn)用中，可適當(dāng)降低回流比。

圖5 不同硝化液回流比條件下總氮的去除效果Fig.5 Effect of TN Removal under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

2.3 與生態(tài)單元的組合聯(lián)用

由于生物單元出水含氮濃度仍然較高，且?guī)缀鯚o除磷效果，為滿足出水排放要求，本試驗將生物單元與生態(tài)單元進(jìn)行組合聯(lián)用。試驗共使用2組平行的單向進(jìn)水潛流人工濕地系統(tǒng)及2組平行的可控型兩端進(jìn)水潛流人工濕地系統(tǒng)，每組濕地系統(tǒng)進(jìn)水通過閥門控制流量。兩種潛流人工濕地平面尺寸均為：長 L＝2.0 m，寬 B＝0.3 m，高 H＝0.55 m，基質(zhì)層高度為0.4 m，單元有效表面積為0.6 m2，整個基質(zhì)層空隙率約為40%。人工濕地夏秋季主要種植水稻和空心菜，冬春季主要種植芹菜、豆瓣菜等植物，不存在植物停止生長期，保證了工藝運(yùn)行的連續(xù)性。

由圖2～圖5可知，經(jīng)過生物單元處理后，出水CODCr濃度基本小于 50 mg／L，滿足 GB 18918—2002中一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)；而出水TN和氨氮濃度在一級A標(biāo)準(zhǔn)附近波動。為此，需要在后續(xù)增加人工濕地生態(tài)單元這一保障性環(huán)節(jié)，使得出水滿足GB 18918—2002中的一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)。

在生物生態(tài)組合工藝聯(lián)用運(yùn)行期間，水溫為25～32℃，考察組合工藝對COD、TN、氨氮和TP的去除效果。結(jié)果表明：人工濕地進(jìn)水CODCr、TN、氨氮和 TP 濃 度 分 別 為 14.07 ～ 54.90、6.36 ～30.23 mg／L 和 1.70～15.67 mg／L；2.23～4.23 mg／L其出水 CODCr、TN 氨氮和 TP 濃度為 8.23～34.56、4.93～13.34、1.53～7.34 mg／L；0.45～1.23 mg／L 對應(yīng)平均去除率分別為 31.57%、45.23%、34.29%和68.23%；當(dāng)回流比為 100%時，出水 CODCr、TN、氨氮和 TP 濃 度 分 別 為 17.23、8.23、6.73 mg／L 和0.67 mg／L。由此可見，通過生態(tài)單元這一保證性環(huán)節(jié)，出水可以滿足GB 18918—2002中的一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）僅考慮生物單元，當(dāng)回流比為200%時，COD去除率為82.12%，TN去除率為51.23%，出水CODCr、TN 和氨氮濃度為 14.15 ～ 47.64、9.41 ～23.86、1.81～1.95 mg／L。

（2）硝化液回流可以起強(qiáng)化脫氮的作用，當(dāng)回流比為50%、100%、200%和300%時，生物單元TN平均 去 除 率 分 別 為 38.08%、51.23%、29.30%和20.99%。

（3）將生物單元與生態(tài)單元聯(lián)用后，考慮工藝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，將回流比設(shè)為100%，COD、TN和氨氮濃度均可滿足GB 18918—2002中的一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)。

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