脫氮除磷一體化污水處理裝置運(yùn)行性能研究

馮欣

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

農(nóng)村生活污水治理是當(dāng)前農(nóng)村人居環(huán)境整治的突出短板，隨著“廁所革命”的推進(jìn)，農(nóng)村污水處理的需求將不斷增大，成為影響水環(huán)境的重要因素［1-2］。農(nóng)村生活污水處理存在運(yùn)行維護(hù)資金保障困難、缺少專業(yè)技術(shù)人員、處理工藝選擇不當(dāng)?shù)葐栴}［3-4］，尤其針對氮磷去除要求較高的水質(zhì)敏感區(qū)域的污水處理技術(shù)還比較缺乏。總氮（TN）去除需要采用硝化反硝化方法，但農(nóng)村污水處理設(shè)施規(guī)模小，硝化液回流比難以控制［5］。總磷（TP）的穩(wěn)定去除需要采用化學(xué)除磷法，對農(nóng)村污水處理設(shè)施而言，存在投藥費(fèi)用多、管理水平要求過高等問題。脫氮除磷一體化污水處理裝置通過控制間歇曝氣活性污泥法中曝氣和攪拌交替運(yùn)行的時間，在同一反應(yīng)池內(nèi)形成好氧、缺氧、厭氧環(huán)境的切換，可以簡化運(yùn)行，強(qiáng)化氮磷的處理效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程

裝置為一體化設(shè)計，采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，包括調(diào)節(jié)池、反應(yīng)池一、反應(yīng)池二、沉淀池，各池體之間由隔板進(jìn)行分隔，污水通過自流方式流動，如圖1 所示。調(diào)節(jié)池主要起到調(diào)節(jié)水量和沉淀分離的作用；反應(yīng)池一和反應(yīng)池二內(nèi)設(shè)置曝氣管、攪拌器、溶解氧測定儀探頭、氧化還原電位（OPR）電極，采用間歇曝氣活性污泥法，曝氣和攪拌交替運(yùn)行；沉淀池下半部為斜板式設(shè)計，角度為60°；沉淀池內(nèi)設(shè)置污泥回流泵，污泥通過污泥回流管回流至反應(yīng)池一；裝置配套自動運(yùn)行控制系統(tǒng)，控制曝氣、攪拌、污泥回流的啟動和運(yùn)行時長，記錄反應(yīng)池內(nèi)溶解氧和氧化還原電位的變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)為連續(xù)進(jìn)水，考察了反應(yīng)周期、曝氣和攪拌的時間分配比例對處理效果的影響，具體的反應(yīng)條件見表1。實(shí)驗(yàn)還考察了C/N（ρCOD/ρTN）對裝置處理性能的影響，曝氣和攪拌采用了表1 中條件3 的反應(yīng)條件。反應(yīng)池一和反應(yīng)池二的水力停留時間均為6 h，反應(yīng)池一初始MLSS 濃度為3 210 mg/L，反應(yīng)池二為2 950 mg/L，污泥回流比為100%。

表1 反應(yīng)條件 min

2.2 測定項(xiàng)目與方法

COD 測定采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017），TN 測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012），TP 測定采用鉬銻抗分光光度法，DO 測定采用溶解氧測定儀探頭，pH 值測定采用便攜式pH 測定計。

2.3 實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水：葡萄糖140 mg/L，蛋白胨140 mg/L，碳酸氫鈉150 mg/L，氯化鈉50 mg/L，磷酸二氫鉀15 mg/L，氯化銨70 mg/L。C/N 比實(shí)驗(yàn)TN濃度基本保持不變，通過調(diào)節(jié)COD 濃度來改變C/N。COD，TN，TP 的 濃 度 范 圍 分 別 為183 ～412，35.7 ～47.5，3.4～4.3 mg/L。接種污泥取自沈陽市某污水處理廠二沉池。

3 結(jié)果與討論

3.1 曝氣攪拌反應(yīng)條件對處理效果的影響

圖2 為實(shí)驗(yàn)期間條件1～3 對COD 的去除效果。3 種運(yùn)行條件下，出水COD 濃度均低于50 mg/L，平均值為41.3 mg/L，平均去除率為85%。在不同反應(yīng)周期、不同曝氣和攪拌時間分配比例條件下，裝置對COD 的去除效果均較好。裝置設(shè)有2 個串聯(lián)的反應(yīng)池，可以提高生物多樣性，污水經(jīng)過反應(yīng)池一處理后，在反應(yīng)池二中有機(jī)物得到進(jìn)一步的降解，保證了良好的出水水質(zhì)。

圖2 COD 處理效果

圖3 為實(shí)驗(yàn)期間條件1～3 對TN 的去除效果。條件1 的TN 出水平均值為19.2 mg/L，平均去除率53%；條件2 的TN 出水平均值為9.9 mg/L，平均去除率75%；條件3 的TN 出水平均值為7.5 mg/L，平均去除率81%。條件2 和條件3 對TN 的去除效果較好，出水均低于15 mg/L，條件1 對TN 的處理效果則明顯低于條件2 和條件3。污水中TN 的去除，首先是有機(jī)氮被氨化菌氧化生成氨氮，然后氨氮在亞硝化菌的作用下被氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽在硝化菌的作用下被氧化為硝酸鹽，最后亞硝酸鹽和硝酸鹽在缺氧條件下被反硝化菌還原為氮?dú)猓?］。也就是說，TN 的去除需要好氧、缺氧環(huán)境的形成以及充分的反應(yīng)時間。條件1 的反應(yīng)周期為60 min，曝氣和攪拌的時間比例為30 ∶30，反應(yīng)池內(nèi)溶解氧濃度在曝氣開始20 min 后快速提升，達(dá)到2 mg/L 以上，停止曝氣并開始攪拌20 min 后降至0.5 mg/L 以下，進(jìn)入缺氧狀態(tài)，一個反應(yīng)周期內(nèi)的缺氧狀態(tài)實(shí)際僅有10 min。李旭東等的研究表明，間歇曝氣系統(tǒng)內(nèi)反硝化速率約為硝化速率的1/2［7］。條件1 好氧與缺氧環(huán)境的切換過快，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)不充分，TN 去除率相對較低。

圖3 TN 處理效果

圖4 為實(shí)驗(yàn)期間條件1～3 對TP 的去除效果。條件1 的TP 出水平均值為1.85 mg/L，平均去除率52%；條件2 的TP 出水平均值為1.61 mg/L，平均去除率59%；條件3 的TP 出水平均值為0.73 mg/L，平均去除率82%。條件3 對TP 的去除效果明顯好于條件1 和條件2。生物除磷是在厭氧好氧交替運(yùn)行條件下，利用聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷的生物特性，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)外，達(dá)到除磷的效果［8］。條件3 的反應(yīng)周期為120 min，反應(yīng)池一曝氣和攪拌的時間比例為30 ∶90，在一個反應(yīng)周期內(nèi)的攪拌時間遠(yuǎn)長于曝氣時間，有利于厭氧環(huán)境的形成，能夠充分釋磷；污水進(jìn)入反應(yīng)池二后，可以彌補(bǔ)反應(yīng)池一好氧時間的不足，強(qiáng)化吸磷反應(yīng)和有機(jī)物的降解，因此TP 處理效果較好。

圖4 TP 處理效果

3.2 C/N 對裝置處理性能的影響

農(nóng)村生活污水存在C/N 偏低的情況［9］，實(shí)驗(yàn)考察了當(dāng)C/N 為10，7，5 時對處理效果的影響，見圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同C/N 條件下，COD 的去除效果均較好，整個實(shí)驗(yàn)期間COD 的平均去除率為86%，出水均低于50 mg/L。

圖5 不同C/N 條件下的COD 處理效果

TN 的去除效果則根據(jù)C/N 的不同有所變化，見圖6。當(dāng)C/N 為10 和7 時，TN 的去除效果基本相同，出水均低于15 mg/L，平均去除率73%。而當(dāng)C/N為5 時，TN 去除率為53%～68%，出水為14～19 mg/L。

生物脫氮是由硝化反硝化來完成的，其中硝化菌為自養(yǎng)型好氧菌，當(dāng)C/N 過高時，會造成異養(yǎng)型細(xì)菌的大量繁殖，抑制硝化菌的活性，本實(shí)驗(yàn)的C/N 最高為10，COD 濃度最高在406 mg/L，不會對硝化反應(yīng)造成大的影響。反硝化菌為異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌，C/N 對反硝化的影響主要體現(xiàn)在低C/N 條件下，有機(jī)物濃度過低，造成反硝化過程 中電子供體不足，抑制硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓罱K導(dǎo)致TN 去除率的降低［10］。本工藝采用間歇曝氣，孫佳峰等的研究表明，反應(yīng)池內(nèi)缺氧、好氧環(huán)境的交替運(yùn)行有利于高效短程硝化和反硝化過程的實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，可減少40%的反硝化有機(jī)碳源消耗［11-12］。因此當(dāng)C/N 為5 時，雖然對TN 的處理效果有所下降，但去除率仍能達(dá)到50%以上。

4 結(jié)論

（1）裝置采用間歇曝氣活性污泥法，在同一反應(yīng)池內(nèi)去除污水中有機(jī)物的同時，實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，可滿足水質(zhì)敏感地區(qū)的污水處理需求。

（2）當(dāng)反應(yīng)周期為120 min，反應(yīng)池一和反應(yīng)池二的曝氣與攪拌時間比例分別為30 ∶90，60 ∶60 時，裝置的脫氮除磷處理效果最佳。

（3）污水C/N 在不低于7 的條件下，不需要外加碳源來提高TN 的去除效果。