低C/N值污水強(qiáng)化生物脫氮工藝

大量氮素進(jìn)入受納水體是造成富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一。隨著2007年太湖藍(lán)藻事件的發(fā)生，污水處理廠擴(kuò)建及提標(biāo)改造在全國(guó)范圍內(nèi)拉開(kāi)了帷幕。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，擴(kuò)建及提標(biāo)改造關(guān)注的指標(biāo)主要包括SS、總磷、總氮。其中，可以通過(guò)增設(shè)砂濾池、濾布濾池等過(guò)濾單元達(dá)到深度去除SS的目的，可以采取化學(xué)強(qiáng)化除磷手段確保出水總磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。但截至目前，研究人員尚未發(fā)現(xiàn)適用于大規(guī)模工業(yè)運(yùn)行需求的物化脫氮技術(shù)，而傳統(tǒng)低成本的生物技術(shù)仍是當(dāng)前污水脫氮的首選。

生物脫氮技術(shù)主要包括氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)。其中，氨化反應(yīng)機(jī)理為氨化菌在有氧或無(wú)氧條件下將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N；硝化反應(yīng)機(jī)理是利用亞硝化菌與硝化菌在有氧和無(wú)機(jī)碳源參與下將氨氮氧化為NO3--N；反硝化反應(yīng)機(jī)理為反硝化菌利用有機(jī)碳源在缺氧環(huán)境下將NO3--N逐級(jí)還原為N2，從而完成脫氮過(guò)程。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市污水C/N值普遍介于3.8~8.5之間，屬于典型低C/N值污水，采用傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)往往會(huì)因?yàn)橛袡C(jī)碳源不足而使得反硝化階段缺乏能量及電子供體，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)進(jìn)行不徹底，造成總氮去除率較低。

此外，從上述反應(yīng)機(jī)理還可以看出，NO3--N也是實(shí)現(xiàn)生物脫氮的重要基質(zhì)，該基質(zhì)濃度水平與內(nèi)回流比直接相關(guān)。而反硝化反應(yīng)階段的DO濃度水平對(duì)氮素的去除有顯著影響，高濃度DO會(huì)與硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)電子供體，同時(shí)也會(huì)抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，對(duì)總氮的去除產(chǎn)生抑制作用，從而嚴(yán)重影響水環(huán)境質(zhì)量的改善。高效生物脫氮已成為水處理領(lǐng)域的難點(diǎn)，因此備受研究人員和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

鑒于此，筆者在改良型A2/O工藝基礎(chǔ)上，針對(duì)低C/N值城市污水，在具體工程實(shí)例中探討了內(nèi)回流比與DO濃度對(duì)生物脫氮效果的影響，并采取輔助外加碳源的方式進(jìn)一步強(qiáng)化出水氮素指標(biāo)的可控性，從而為低C/N值污水在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的優(yōu)化控制提供參考。

1、材料與方法

1.1 工程概況

重慶市某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為6×104m3/d，采用改良型A2/O+V型砂濾池工藝，工程占地7hm2（含擴(kuò)建用地），總投資約3.5億元，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，具體工藝流程如圖1所示。

該污水處理廠尾水的受納水體為長(zhǎng)江，為切實(shí)改善長(zhǎng)江上游水環(huán)境質(zhì)量，該污水處理廠于2019年6月完成了擴(kuò)建及提標(biāo)改造，但由于受內(nèi)回流基質(zhì)不足、DO控制不合理、進(jìn)水C/N值長(zhǎng)期偏低、反硝化不徹底的影響，導(dǎo)致經(jīng)改造后的污水處理廠出水總氮可控性仍然較差，長(zhǎng)期維持在11.9~14.4mg/L之間，已接近一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值，存在嚴(yán)重的水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)改良型A2/O工藝進(jìn)行強(qiáng)化生物脫氮性能研究。首先穩(wěn)定每種工況下的好氧區(qū)尾端DO濃度均一致，調(diào)整內(nèi)回流比，探討內(nèi)回流比對(duì)生物脫氮效果的影響；其次穩(wěn)定每種工況下內(nèi)回流比均一致，調(diào)整好氧區(qū)尾端DO濃度，探討DO濃度對(duì)生物脫氮效果的影響。具體工藝運(yùn)行條件見(jiàn)如表1所示，其中各工況的污泥回流比均為60%~70%，污泥濃度為4000~5000mg/L。在上述最優(yōu)內(nèi)回流比與DO濃度基礎(chǔ)上，輔以外加碳源的方式進(jìn)一步強(qiáng)化氮素指標(biāo)的可控性。

試驗(yàn)期間進(jìn)水BOD5為91~197mg/L，總氮為32.2~39.7mg/L，氨氮為22.1~31.4mg/L，C/N值為2.61~5.37。試驗(yàn)所用有機(jī)碳源為食品級(jí)葡萄糖，葡萄糖含量（以干物質(zhì)計(jì)）≥99.5%，干燥失重≤10%，比旋光度為+52.0°~+53.5°，pH值為4.0~6.5，氯化物含量≤0.01%，硫酸灰分≤0.25%。1.3分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，BOD5采用生化需氧量分析儀測(cè)定，NH3-N采用納氏試劑比色法測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，DO采用熒光法測(cè)定，NO3--N采用離子選擇電極法測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)回流比對(duì)氮素去除效果的影響

不同內(nèi)回流比下對(duì)氮素的去除效果如圖2所示?？梢钥闯觯?span style="font-family: Calibri;">5種工況下出水總氮平均濃度分別為14.2、13.6、12.9、12.1、13.7mg/L。工況Ⅰ~Ⅳ的出水總氮濃度隨著內(nèi)回流比的增大呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。工況Ⅳ中總氮濃度最低降至11.7mg/L，總氮平均去除率為65.6%，相比工況Ⅰ提高了7.2%。但在工況Ⅴ中，隨著內(nèi)回流比的進(jìn)一步增加，出水總氮卻呈現(xiàn)急劇反彈的趨勢(shì)，濃度最高達(dá)到14.4mg/L，總氮平均去除率降至61.7%。

分析原因，隨著內(nèi)回流比的增大，進(jìn)入缺氧區(qū)的NO3--N逐漸增加，參與反硝化反應(yīng)的基質(zhì)濃度呈上升趨勢(shì)，大量NO3--N轉(zhuǎn)化為N2，達(dá)到了脫氮目的，使得出水總氮濃度下降。當(dāng)內(nèi)回流比為300%時(shí)，大量硝化液攜帶DO進(jìn)入缺氧區(qū)，提升了缺氧區(qū)DO濃度，破壞了反硝化所需的缺氧環(huán)境，導(dǎo)致硝酸鹽還原酶的合成及其活性受到抑制，反硝化反應(yīng)受到嚴(yán)重影響。

圖3為缺氧區(qū)DO濃度隨內(nèi)回流比的變化。可以看出，工況Ⅰ～Ⅳ中缺氧區(qū)DO濃度約為0.1mg/L，滿(mǎn)足反硝化脫氮所需的缺氧條件，但工況Ⅴ的缺氧區(qū)DO濃度最高升至0.65mg/L，對(duì)反硝化脫氮產(chǎn)生了抑制作用。

5種工況條件下，出水氨氮濃度較穩(wěn)定，數(shù)值均低于國(guó)標(biāo)檢出限（0.05mg/L），說(shuō)明內(nèi)回流比對(duì)出水氨氮影響較小。究其原因，主要是因?yàn)榘钡霓D(zhuǎn)化場(chǎng)所主要集中在好氧區(qū)域，而內(nèi)回流比僅對(duì)缺氧區(qū)DO產(chǎn)生影響，只要好氧區(qū)DO充足，出水氨氮將不會(huì)受到影響。試驗(yàn)期間，出水氨氮平均去除率均維持在99%以上。綜上所述，當(dāng)內(nèi)回流比為275%時(shí)，出水總氮平均濃度能維持在12.1mg/L左右，平均去除率為65.6%，氨氮濃度低于國(guó)標(biāo)檢出限。為此，從兼顧總氮與氨氮的角度出發(fā)，需要繼續(xù)對(duì)DO進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 DO對(duì)氮素去除效果的影響

不同DO下對(duì)氮素的去除效果如圖4所示?？梢钥闯?，5種工況下出水總氮平均濃度分別為11.9、11.2、11.8、12.9、14.4mg/L。工況A～E中，出水總氮濃度隨著DO的增大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，尤其是工況E，其出水總氮最高為14.6mg/L，接近一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值。從水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與工藝管控要求出發(fā)，立即終止工況E的試驗(yàn)，并將DO濃度重新優(yōu)化為1.2～1.5mg/L，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，出水總氮濃度重新降至11.0mg/L左右，平均去除率維持在67%左右。5種工況下，出水氨氮的平均濃度分別為3.01、0.48、0.05、0.05、0.05mg/L。工況A～E中，隨著DO的增大，出水氨氮濃度呈現(xiàn)急劇下降的變化趨勢(shì)，到工況B后期，逐漸趨于穩(wěn)定，濃度維持在0.05mg/L以下，去除率穩(wěn)步升至99.8%以上。

分析原因，工況A條件下，由于DO過(guò)低，導(dǎo)致好氧區(qū)硝化反應(yīng)受到抑制，氨氮轉(zhuǎn)化受到影響，使得出水氨氮濃度較高，最高升至3.23mg/L，接近一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值的2/3；工況B條件下，隨著DO濃度的升高，硝化反應(yīng)進(jìn)展順暢，好氧區(qū)NO3--N濃度呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，出水氨氮下降趨勢(shì)明顯；從工況C開(kāi)始，由于進(jìn)一步提升了DO濃度，雖然出水氨氮濃度能維持在較低水平，且顯著優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，但過(guò)高的DO濃度會(huì)隨內(nèi)回流硝化液進(jìn)入缺氧區(qū)，從而打破缺氧區(qū)低DO狀態(tài)，對(duì)反硝化反應(yīng)造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致出水總氮惡化。

2.3 碳源的使用情況

碳源是微生物進(jìn)行反硝化脫氮的必備要素，可為反硝化提供源源不斷的電子供體，對(duì)凈化污水具有重要影響。我國(guó)城市污水的C/N值普遍偏低，碳源不足，導(dǎo)致氮素去除率較低。根據(jù)污水處理廠多年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)C/N值大于8時(shí)，才能滿(mǎn)足反硝化所需碳源要求。但本工程中C/N值長(zhǎng)期介于2.5~5.5之間，屬于典型低C/N值污水，僅僅依靠原水碳源無(wú)法穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)生物脫氮，需要輔以外加碳源的方式來(lái)強(qiáng)化對(duì)氮素的深度去除。

在內(nèi)回流比為275%、好氧區(qū)尾端DO濃度為1.2~1.5mg/L條件下，通過(guò)輔以外加碳源的方式進(jìn)一步強(qiáng)化氮素指標(biāo)的可控性，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，工況a（碳源投加量為400kg/d）條件下，出水總氮僅能勉強(qiáng)控制在一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，若出現(xiàn)水質(zhì)、水量沖擊，存在出水水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。工況b（碳源投加量為600kg/d）和工況c（碳源投加量為800kg/d）條件下，出水總氮呈現(xiàn)輕微下降的趨勢(shì)，但濃度仍接近一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值的2/3，指標(biāo)可控性仍然不理想。工況d（碳源投加量為1000kg/d）條件下，出水總氮平均濃度降至9.20mg/L，出水氨氮的平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標(biāo)顯著優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。分析可知，試驗(yàn)所用葡萄糖的COD當(dāng)量為932mg/L，以前述工況b下經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行后的出水總氮平均濃度作為背景值，將總氮降至9.20mg/L，下降濃度約為2mg/L，按照目前污水處理廠水量負(fù)荷約67%計(jì)算，每去除1mg/L總氮需投加的葡萄糖為11.6mg/L。按照葡萄糖市場(chǎng)價(jià)格約4400元/t計(jì)算，每處理1m3污水對(duì)成本的貢獻(xiàn)僅為0.11元，且對(duì)出水指標(biāo)能實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健的控制。

外加碳源對(duì)COD去除效果的影響如圖6所示?？梢钥闯?，受各工況下碳源投加量的影響，試驗(yàn)期間進(jìn)水COD波動(dòng)較大，但出水COD均能穩(wěn)定維持在15mg/L以下，去除率高達(dá)94.9%～98.0%，未受明顯影響。說(shuō)明外加碳源均能被微生物充分利用，不會(huì)對(duì)出水水質(zhì)造成負(fù)面影響。

3、結(jié)論

①適當(dāng)增大內(nèi)回流比有利于提高總氮去除率，但內(nèi)回流比過(guò)高會(huì)使硝化液攜帶大量DO進(jìn)入缺氧區(qū)，不利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。降低DO濃度有利于去除總氮，但會(huì)抑制好氧區(qū)的硝化反應(yīng)，氨氮轉(zhuǎn)化受到影響。

②本試驗(yàn)確定的適宜內(nèi)回流比為275%、適宜DO為1.2~1.5mg/L。在輔以外加碳源的情況下，出水總氮的平均濃度可降至9.20mg/L，氨氮平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標(biāo)顯著優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

③外加碳源不會(huì)對(duì)出水COD產(chǎn)生明顯影響，說(shuō)明碳源均能被微生物充分利用。外加碳源對(duì)成本的貢獻(xiàn)僅為0.11元/m3，且能夠更加穩(wěn)健地控制出水指標(biāo)，有效促進(jìn)了成本與水質(zhì)的雙贏。（來(lái)源：重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶市三峽水務(wù)渝北排水有限責(zé)任公司，長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院）