ABR-生物接觸氧化工藝處理低碳氮比污水的碳源調配

黃繼國，高文翰，夏婷婷，叢喜彬，蘇君,

(1. 吉林大學 地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春，130021；2. 中國市政工程東北設計研究院，吉林 長春，130021)

近年來，城市生活污水呈現出低碳氮比的趨勢[1]，所面臨的主要問題是如何以最低的代價提高脫氮效率[2]。目前，我國城市污水處理廠普遍采用缺氧/好氧(A/O)脫氮工藝。盡管 A/O工藝采取缺氧前置、回流等措施，對碳源調配起到一定的促進作用，在一定程度上提高了碳源利用率和脫氮效率，但在實際工程中脫氮效率仍普遍低于 70%[3]，而且一旦進水m(COD)/m(N)過低，脫氮率將下降到50%以下，不能保證出水TN濃度達標。Carrera等[4]研究表明，生物脫氮受進水m(COD)/m(N)影響。在生物脫氮系統中，39%的有機物被氧化消耗，脫氮所需m(COD)/m(N)至少為7.1。李德豪等[5]對一體化A/O反應器研究表明：當m(COD)/m(N)為7.5左右時，具有較高的TN去除效果，TN去除率達到 70%。當碳源不足時，可以通過投加碳源的方法提高脫氮效率[6-8]。王之暉等[9]對A/O工藝脫氮的研究表明：當進水m(COD)/m(N)為3.5～4.0，投加碳源量為221.58 mg/L時，脫氮效果最佳，但是投加碳源勢必增加運行費用[5]。針對傳統A/O工藝脫氮效率低、碳源利用不充分的現狀，試驗將通過改進反應器結構和優化工藝運行參數來提高系統對碳源的利用率，以達到在不外加碳源的條件下取得最高脫氮效率的運行效果。在改進反應器的結構方面，試驗將傳統 A/O工藝缺氧段改為厭氧折流板反應器(ABR)多隔室結構，并在好氧段設置軟性填料，形成ABR-生物接觸氧化新型工藝。相較于傳統A/O工藝，改進后的工藝具有的獨特分格式結構和推流式流態，促使每個隔室內馴化培養出與流至該隔室污水 COD濃度相適應的微生物群落[10-12]，有效提高了對不同濃度下碳源的利用率，同時反應器好氧區軟性填料的設置，增大了微生物與水中污染物的接觸面積，有利于氧的轉移，提高系統抗沖擊負荷的能力[13]。在改進反應器結構的基礎上，對反應器的運行參數進行優化，進一步提高系統碳源利用率。本文作者考察水力停留時間(HRT)、回流比(R)、溫度(t)對系統碳源利用率的影響，探求系統利用碳源的最佳運行條件，并確定本工藝在不同m(COD)/m(N)條件下對TN的去除效果。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用水采用人工模擬配制，保證了進水各項污染指標的穩定，同時配合試驗的不同階段調整碳源(葡萄糖)的投加量以實現不同進水m(COD)/m(N)。試驗啟動和運行參數優化階段保持進水ρ(COD)≈300 mg/L，ρ(TN)≈60 mg/L。

試驗期間進水成分及配比見表1。

表1 試驗用水配比Table 1 Quality of experimental water

試驗所用活性污泥取自長春市西郊污水處理廠的A/O生物池，經20 d馴化培養后投加到反應器各隔室正常運行。

1.2 試驗裝置

本試驗采用改進的 ABR-生物接觸氧化復合式反應器，試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

反應器由玻璃制成，長為60 cm，寬為15 cm，高為35 cm(其中保護高5 cm)，有效容積為27 L。反應器由豎向導流板分為五隔室，ABR缺氧區和好氧區部分所占容積比為3:2。ABR缺氧區隔室上設排氣口，底部折流板起角為45°；好氧區隔室內懸掛軟性填料，底部設曝氣頭，由小型曝氣機進行曝氣。

整個反應器放置在恒溫水浴槽內，采用溫控加熱棒控制水浴溫度。原水由30 L高位水箱進入ABR缺氧區，依次通過3個隔室后進入到好氧區，好氧區部分出水再經回流泵返回到 ABR缺氧區，形成回流。進水和回流軟管分別設閥門和流量計以控制 HRT和回流比R。

1.3 試驗方法

試驗裝置的啟動采用連續進水的方式，根據污泥生長狀況和污水處理效果，分階段降低HRT，提高反應器進水 COD容積負荷。啟動階段試驗用水中的m(COD)/m(N)為5，啟動溫度t=25 ℃，混合液回流比R=2。整個過程共歷時30 d。

在反應系統穩定運行后，保持進水水質不變，依次改變反應器運行的水力停留時間HRT、回流比R和溫度t，考察在不同運行條件下反應器進出水COD和TN濃度，確定反應器利用碳源的最佳運行條件。最后，在最佳條件下，調整進水 COD質量濃度，確定本工藝對不同m(COD)/m(N)條件下污水的處理效果。

2 結果與分析

2.1 影響碳源調配運行參數優化

為確定不同運行條件下反應器對污水的處理效果和碳源利用情況，采用的考察指標為COD和TN去除率，以及 Δρ(TN)/Δρ(COD)。

COD去除率η( C OD)和TN去除率η(TN)計算式如下：

式中：ρ( C ODin)為進水 COD質量濃度，mg/L；ρ( C ODout)為出水COD質量濃度，mg/L；ρ( T Nin)為進水TN質量濃度，mg/L；ρ( T Nout)為出水TN質量濃度，mg/L。

碳源利用率以消耗單位質量COD所去除的TN量即 Δρ( T N ) /Δρ(COD)來表征， Δρ( T N ) /Δρ(COD)越高，表明碳源利用越充分，計算式如下：

式中：Δρ(TN)為進出水 TN質量濃度變化，mg/L；Δρ(COD)為進出水COD質量濃度變化，mg/L。

2.1.1 HRT對碳源調配的影響

在反應器溫度t為25 ℃，回流比R為2的條件下，調節進水流速，控制HRT在4～12 h內變化，經3～5 d系統穩定后測得不同HRT下反應器進出水的COD和TN質量濃度，分別計算去除率和 Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗結果如圖2所示。

圖2 不同HRT下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.2 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different HRTs

由圖2可以看出：COD的平均去除率隨著水力停留時間的增大而緩慢升高，去除率保持在80 %以上，最終達到95.6 %。這表明系統在較低的HRT下即對COD具有較高的去除率。TN的平均去除率隨停留時間的變化趨勢為先升高后降低。當HRT為10 h時，TN的去除率最高，達到68.2 %。Δρ( T N ) /Δρ(COD)與TN去除率的變化趨勢相似，二者具有一定的相關性。當HRT為10 h時， Δρ( T N ) /Δρ(COD)最大，達到0.167 5。

其原因主要是由于隨著HRT的增大，污水在硝化和反硝化階段的停留時間均得到延長，反應較為充分。同時由于碳源在反硝化階段停留時間的增加，有利于反硝化過程獲取更多的碳源，在一定程度上實現了碳源的合理調配，提高了碳源利用率。當停留時間繼續增大時，好氧區 COD去除較為充分，回流于反硝化區的碳源逐漸不足，因此，導致TN去除率和系統碳源利用率下降。

2.1.2 回流比對碳源調配的影響

在反應器溫度t為25 ℃，HRT為10 h的條件下，通過調節回流管閥門改變回流比，使回流比R在1～3.5內變化，經3～5 d系統穩定后測定不同回流比條件下反應器進出水的COD和TN質量濃度，分別計算去除率和 Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗結果如圖3所示。

圖3 不同回流比下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.3 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different reflux ratios

由圖3可看出：COD去除率受回流比變化的影響較小，主要在85%～95%范圍內變化，出水COD比較穩定，均低于50 mg/L。TN的去除率隨著混合液回流比的增大，出現先升高后下降的趨勢。當混合液回流比R為 2.5時，TN的去除率最高，達到 69.8%。Δρ( T N ) /Δρ(COD)隨回流比的變化情況與TN去除率基本相符，在R為2.5時達最大值，為0.167 0。

回流比是硝化-反硝化過程中重要的控制變量，對碳源調配起著重要作用。反應器通過回流將好氧段出水回流到 ABR缺氧段，使得好氧段未消耗的碳源重新進入缺氧反硝化段，從而增加反硝化段碳源含量，實現了對硝化和反硝化過程中碳源的有效調配。但是，回流比過高和過低均對系統有不利影響：回流比過低時回流碳源較少，造成缺氧段的反硝化潛力不能充分利用，起不到理想的調配效果，出水TN濃度難以達標；回流比過高時一方面增加運行費用，另一方面使好氧區部分溶解氧進入缺氧區從而破壞反硝化環境[14]。所以，從脫氮的角度考慮，要把回流比控制在合適的范圍內，系統才能實現較高的碳源利用率和理想的脫氮效果。綜合試驗結果可知，系統運行的最佳回流比R為2.5。

2.1.3 溫度對碳源調配的影響

在反應器HRT和回流比R分別為10 h和2.5的條件下，調節控溫加熱器，使水浴溫度在10～30 ℃內變化，經3～5 d系統穩定后測定不同溫度下反應器進水和出水的COD和TN質量濃度，分別計算去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)。試驗結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下COD，TN平均去除率和Δρ( T N ) /Δρ(COD)的變化Fig.4 Changes of average removal rate of COD and TN and Δρ( T N ) /Δρ(COD)with different temperatures

由圖4可看出：COD和TN的去除率隨著溫度的升高而增大。當溫度t為30 ℃時，TN的去除率最高，達到74.3%。Δρ( T N ) /Δρ(COD)也隨溫度升高而增大，在溫度為30 ℃時取得最大值0.168 9。

溫度和系統硝化-反硝化速率有密切關系。在脫氮過程中，通過改變溫度調配碳源，實際上是通過溫度的改變適當抑制硝化過程對碳源的消耗，同時促進反硝化過程對碳源的利用。研究表明[15]，硝化反應的適宜溫度為 20～30 ℃，反硝化反應的適宜溫度為20～40 ℃。當溫度過低(小于15 ℃)時，硝化和反硝化速率都極低，影響反應速率和碳源的利用。而溫度過高(大于30 ℃)，會出現亞硝酸鹽積累的現象。這可能是由于亞硝酸鹽還原酶較硝酸鹽還原酶對溫度更為敏感，一旦溫度不適宜，則其受到的抑制作用要大于硝酸鹽還原酶，進而造成亞硝酸鹽的積累。對于本試驗，在溫度為30 ℃的條件下，系統碳源利用率最高，碳源在硝化和反硝化過程中的調配處于最優。

綜上所述，當系統運行參數改變時，碳源利用率和TN去除率的變化趨勢呈現出一定的相關性；當反應器HRT為10 h，R為2.5，溫度為30 ℃時，系統對碳源的調配達到最優，碳源利用率和 TN去除率也最高。

2.2 對不同m(COD)/m(N)污水的去除效果

為保證本工藝在實際工程中的應用，試驗出水標準采用《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級 B 標準，即ρ(COD)＜60 mg/L，ρ(TN)＜20 mg/L。

調整進水的 COD濃度，以測定最佳運行條件下反應器對不同m(COD)/m(N)污水中TN的去除率。試驗結果如圖5所示。

圖5 不同m(COD)/m(N)條件下TN平均去除率的變化Fig.5 Changes of average removal rate of TN with different m(COD)/m(N) ratios

由圖5以看出：TN的平均去除率隨著進水m(COD)/m(N)的減小而迅速降低。

當進水m(COD)/m(N)為2～4時，TN的平均去除率在39.5%～55.4%之間，均低于60%，處理效果不理想。這表明，ABR-接觸氧化工藝不適合處理污水m(COD)/m(N)極低的情況。

當進水m(COD)/m(N)約為5時，TN平均去除率達到71.3%，出水TN質量濃度小于20 mg/L，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。當進水m(COD)/m(N)為6～7時，TN平均去除率達到80%以上，最高為82.1%，出水TN質量濃度小于15 mg/L。由此可以看出：系統存在穩定高效的脫氮作用。

對比傳統A/O工藝，若使TN去除率達到70%以上，所需進水m(COD)/m(N)一般至少為8，而改進后的ABR-生物接觸氧化工藝在進水m(COD)/m(N)為5時，即可達到與傳統A/O工藝相同的脫氮效果(TN去除率70%以上)。

ABR-生物接觸氧化工藝能夠在較低m(COD)/m(N)條件下實現較高TN去除率的原因主要是其相對于傳統A/O工藝強化了脫氮功能，有效提高碳源利用率。具體表現在以下幾個方面：

(1) 好氧段通過設置豎向導流板，延長了水力停留時間，有利于世代時間較長的硝化細菌生長。同時懸掛軟性填料，提高系統生物量濃度，增大污水與微生物的接觸面積，好氧區硝化效率顯著升高，由傳統A/O工藝的85%左右提升至90%以上[16]。

(2) 缺氧段采用ABR形式，水流呈局部完全混合而整體推流的流態，不僅有利于提高反應器的容積利用率，而且在每個隔室中可以馴化培養出與污水水質、環境條件相適應的微生物群落，充分發揮反硝化菌群的活性。碳源在沿程各隔室內得到有效利用，提高了碳源利用率。

(3) 通過設置回流和調節 HRT，實現碳源在硝化和反硝化段之間的轉移，對碳源進行合理的調配，使系統硝化和反硝化作用處于動態的平衡。

(4) 系統中不同的微生物群落要求不同的適宜溫度。通過調節系統溫度適當抑制好氧過程微生物的代謝，減少好氧段對碳源的消耗，同時促進反硝化細菌的繁殖代謝，加強缺氧反硝化段對碳源的利用，在一定程度上實現了碳源的合理利用。

3 結論

(1) 采用 ABR-生物接觸氧化工藝對低碳氮比污水進行處理，相對于傳統A/O工藝，進一步提高了碳源利用率，在進水m(COD)/m(N)為5時即可達到TN去除率 70%的處理效果(傳統 A/O工藝進水m(COD)/m(N)至少為8)，實現了碳源的合理調配，一定程度上解決低碳氮比污水脫氮中碳源不足的問題。

(2) 當工藝運行條件發生改變時，系統碳源利用率與TN去除率的變化趨勢基本相符；當反應器HRT為10 h，R為2.5，溫度為30 ℃時，系統對碳源的利用率和TN去除率均達到最高。

(3) TN的平均去除率隨著進水m(COD)/m(N)的減小而迅速降低。當進水m(COD)/m(N)為 2～4時，TN的平均去除率低于 60%，處理效果不理想；當進水m(COD)/m(N)為5時，TN的平均去除率達到71.3%，出水TN質量濃度小于20 mg/L，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準；當進水m(COD)/m(N)為6～7時，去除率達到80%以上，出水TN質量濃度小于15 mg/L。

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