同步硝化反硝化污水處理的工藝優化

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、水力停留時間、C/N比以及pH值對同步消化反硝化脫氮處理效率的影響。其中溶解氧含量、水力停留時間及pH值對污水總氮去除率影響較為顯著，而微生物絮體粒徑和C/N比對其影響程度相對較輕。當溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時間為30 h，C/N比為4時，pH為7.0時，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進程效率較高。

關 ?鍵 ?詞：污水處理;生物脫氮;同步硝化反硝化;工藝優化

中圖分類號：TQ014 ????文獻標識碼： ?B ?????文章編號：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，有機物含量明顯下降，導致了生活污水中C/N比較低，污水本身所含有的碳源無法滿足反硝化需求，使得污水脫氮處理技術和工藝面臨了巨大的挑戰[1]。傳統的污水脫氮處理技術是利用微生物對污水進行生物脫氮，最終將水中的含氮有機物轉化為氮氣排放。圖1中給出了傳統生物脫氮的工藝流程圖，主要包括氨化、硝化和反硝化三個工序。

（1）氨化：通常污水中的含氮有機物首先在氨化細菌的作用轉變為氨，而不同種類的氨化細菌在富氧和缺氧的條件下都可以存在。

（2）硝化：氨化所產生的氨在硝化細菌的作用下，轉化為硝酸根離子，而常見的硝化細菌均為好氧細菌。

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

由于硝化細菌為好氧細菌，反硝化細菌為厭氧細菌，而且硝化過程產生酸性物質，反硝化過程產生堿性物質。為了有效保證消化和反硝化的順利進行，并盡量降低由于酸堿中和而產生的二次污染，通常將消化和反硝化過程分開進行。這就導致了生物脫氮設備龐大，且對于高含氮量的生活污水來說還需額外添加電子供體來保證反硝化過程順利進行。一方面提高了污水處理的成本，另一方面對高含氮量的脫氮效果也不盡理想。

近年來，國內外科學家發現在某些體系中同時發生硝化和反硝化過程，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散受到限制，從而使得其表面為富氧區，主要菌落為硝化細菌為主;而內部為缺氧區，主要菌落為反硝化細菌。因此，體系中微生物絮體的結構、溶解氧的含量及其擴散速率在很大程度上影響了同步消化反硝化的反應進程。另外，體系的pH值和C/N同樣也在一定程度上對該過程造成一定的影響[6，7]。為了探究對同步硝化反硝化過程的主要因素，本文主要研究了不同微生物絮體粒徑、溶解氧含量、水力停留時間（反應時間）、C/N比及pH值體系中氨、硝酸根及總氮的去除率。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗原料

實驗用污水：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：短切碳纖維增強聚氨酯泡沫塑料，自制。

1.2 ?測試與表征

溶解氧含量測試：利用上海海恒機電儀表有限公司生產的JPB-607型便攜式溶解氧儀進行測試。

pH值：利用杭州科曉化工儀器設備有限公司生產的PHB-4型便攜式pH計進行測試。

微生物絮體粒度：利用丹東市皓宇科技有限公司生產的HYL-1076型激光粒度分布儀進行測試。

氨、硝酸根及總氮含量測試：利用上海譜元儀器有限公司生產的Alpha1506型紫外可見分光光度計進行測試。

以上所有測試均是按照中國環境科學出版社出版的第四版《水和廢水監測分析方法》中的方法進行測試。

2 ?結果與討論

2.1 ?溶解氧含量的影響

選定微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時間為30 h，C/N比為4，pH值為7時，我們研究了不同溶解氧含量對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。由于硝化細菌為好氧細菌，隨著體系內溶解氧含量的增加硝化反應更容易發生，因此氨氮的去除率隨溶解氧含量增加而增加。當溶解氧含量為1.5 mg/L時，氨氮去除率高達95%。而在該條件下，隨著硝化反應進程的加快，同時產生了大量的亞硝酸鹽和硝酸鹽，使得體系內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和缺氧區的分離，硝氮去除率依然隨體系內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增加后降低，當溶解氧含量為1.2 mg/L時，總氮去除率約為80%。

2.2 ?微生物絮體粒徑的影響

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

當微生物絮體粒徑較小時，微生物絮體之間容易發生聚集，從而是一部分好氧的硝化細菌被包埋在微生物絮體內部，使得硝化過程效率降低;但這種聚集效應在影響溶解氧擴散的同時，有效提高了厭氧的反硝化細菌作用下的反硝化過程效率，因此當微生物絮體粒徑較低時，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有所改善，體系中氨氮去除率逐漸提高，但同時所產生的硝氮也逐漸增多，因此硝氮去除率相應降低。而體系中的總氮去除率隨粒徑變化，并未出現明顯變化。當微生物絮體粒徑為60 μm時，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 ?水力停留時間的影響

水力停留時間即為含氮污水在反應器內停留的時間，停留時間越長，反應則越充分。如圖5所示，當溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，C/N比為4，pH值為7時，隨著水力停留時間延長，硝化反應越徹底，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。當水力停留時間為25～30 h時，氨氮去除率和硝氮去除率均保持在中等偏上的范圍內，分別為64%～85%和65%～67%。當水力停留時間為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比是指體系內碳源有機物與含氮有機物的摩爾比，其中碳源有機物為反硝化細菌的電子供體，隨著C/N比的提高，有利于提高反硝化進程的效率;但與此同時，較高程度的反硝化反應在一定程度上會對硝化反應起到抑制作用，因此在較高C/N比的情況下，硝化反應效率較低。如圖6所示，當溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時間為30 h，pH值為7時，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C/N比為2～6時，體系中的總氮去除率為80%左右。

2.5 ?pH值的影響

硝化細菌和反硝化細菌對環境pH值的要求不盡相同，其中適合硝化細菌存活的pH值為6.0～7.5，而適合僅硝化細菌存活的pH值為7.0～8.5。如圖7所示，當溶解氧含量為1.5 mg/L，微生物絮體粒徑為60 μm，水力停留時間為30 h，C/N比為4時，體系pH處于6～8范圍內，硝化反應效率較高，氨氮去除率約為85%～96%;而當pH為8～9時硝氮去除率較高，約為50%～65%。雖然當pH為7時也利于反硝化細菌存活，但由于硝化反應效率較高導致產生大量的亞硝酸鹽和硝酸鹽，因此相對于初始硝氮含量，pH為7時硝氮總去除率較低。綜合考慮體系總氮去除含量，pH為8時是較為理想的反應條件。

3 ?結 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、水力停留時間、C/N比以及pH值對生活污水脫氮效果的影響。總體來說，硝化反應進程和反硝化反應進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，水力停留時間為30 h，C/N比為4時， pH為7。其中溶解氧含量、水力停留時間和體系pH值對總氮去除率影響較為明顯，而微生物絮體粒徑和C/N比對其影響程度則相對較低。

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（上接第500頁）

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