內(nèi)回流比對內(nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝的脫氮影響

何爭光，崔戰(zhàn)勝，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001）

內(nèi)回流比對內(nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝的脫氮影響

何爭光，崔戰(zhàn)勝，焦耀亮

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001）

對比4種不同內(nèi)回流比（50%，100%，150%，200%）時(shí)的化學(xué)需氧量（COD），N－N和總氮（TN）的質(zhì)量濃度，通過改變單一因素內(nèi)回流比進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，并在最優(yōu)內(nèi)回流比時(shí)，檢測沿程各段反應(yīng)池內(nèi)N－N和N－N的質(zhì)量濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)回流比并不是越大越好，而是有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶粌?nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝在處理低C／N比和高N－N污水方面，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，TN去除率可提高到80%以上；系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)低費(fèi)用、高去除率的效果；內(nèi)回流比為100%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化.

內(nèi)循環(huán)；多級A／O新工藝；高氨氮生活污水；內(nèi)回流比

在國家十二五水專項(xiàng)中，重點(diǎn)對污水中的高氨氮進(jìn)行治理研究.因此，如何實(shí)現(xiàn)高氨氮低C／N比情況下污水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)具有研究價(jià)值.為了在低能耗的情況下實(shí)現(xiàn)高效脫除氮，出現(xiàn)了多段進(jìn)水A／O工藝.該工藝具有脫氮效率高、碳源利用充分、污泥產(chǎn)量少、基建費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn).但是，該工藝處理高氨氮污水時(shí)，發(fā)現(xiàn)總氮（total nitrogen，TN）超標(biāo)的問題.雖然提高反應(yīng)器段數(shù)可以提高脫氮率，但這樣也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性［1－3］.目前，我國對分段進(jìn)水工藝的研究還較少，大多仍處于理論分析和計(jì)算機(jī)模擬階段［4］.本文在多級A／O工藝的基礎(chǔ)上，提出了內(nèi)循環(huán)式三級A／O工藝系統(tǒng)，并研究該工藝對主要污染物的處理效果、各段對污染物的去除情況和其生物脫氮性能.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

內(nèi)循環(huán)式三級A／O實(shí)驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，外形尺寸為360mm×350mm×350mm（長×寬×高），總?cè)莘e為44L，有效池容為36L.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，如圖1所示.反應(yīng)器沿長度方向分成相等的3段，每段均包含一個(gè)缺氧區(qū)和一個(gè)好氧區(qū)，且其體積比均為2∶3.出水從反應(yīng)器的最后一個(gè)好氧池自流進(jìn)入二沉池，二沉池為豎流中進(jìn)周出式，其有效容積為18L.其工藝平面示意圖，如圖2所示.

1.2 試驗(yàn)用水與接種污泥

表1 進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Water quality parameters of inflow water

圖1 內(nèi)循環(huán)式三級A／O工藝裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal cycle three－step A／O process

圖2 內(nèi)循環(huán)式三級A／O工藝平面示意圖Fig.2 Plane schematic diagram of internal cycle three－step A／O process

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)分析項(xiàng)目及方法

從工藝裝置中取樣至100mL燒杯中，經(jīng)沉淀后立即測量COD.用濾紙過濾后，測定N－N，TN，N－N和N－N，每1d測1組數(shù)據(jù).COD，TN，N－N，N－N，N－N的質(zhì)量濃度分別采用重鉻酸鉀法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、重氮偶合分光光度法和紫外分光光度法進(jìn)行測量.

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

采用的4組混合液內(nèi)回流比分別是50%，100%，150%，200%.內(nèi)回流比是指每一級的回流量與本級進(jìn)水量之比，而且每組實(shí)驗(yàn)中各級回流比相同.在這4種工況下，運(yùn)行穩(wěn)定后分別連續(xù)取10d數(shù)據(jù)，一共40d，分別取樣分析COD，N－N，TN這3種指標(biāo)和系統(tǒng)沿程水質(zhì)變化，考察內(nèi)回流對系統(tǒng)去除效果的影響.

試驗(yàn)參數(shù)控制情況，如表2所示.表2中：r為內(nèi)回流比；Q為流量；Q1∶Q2∶Q3為各級進(jìn)水流量比；ρDO為溶解氧（DO）的質(zhì)量濃度；N為污泥回流比；tHR為水力停留時(shí)間.

表2 試驗(yàn)參數(shù)控制情況Tab.2 Control of the experimental parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 混合液內(nèi)回流對COD去除效果的影響

當(dāng)混合液內(nèi)回流比為50%，100%，150%和200%的情況下，內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對COD的去除，如圖3所示.圖3中：ρCOD為COD的質(zhì)量濃度；r為混合液內(nèi)回流比；t為運(yùn)行天數(shù)；ηCOD為COD的去除率；ηCOD，ave為COD的平均去除率.

在內(nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝的處理效果中，COD的去除率是有機(jī)物去除效果的一個(gè)重要表征指標(biāo).由圖3（a）可知：在4種不同的混合液內(nèi)回流比下，COD的去除率相差不大.由圖3（b）可知：COD平均去除率大致相等.表明不同的混合液內(nèi)回流比，對內(nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝的COD去除影響不明顯，且它們的COD出水質(zhì)量濃度都小于50mg·L－1，出水較穩(wěn)定，4種工況下的出水COD的質(zhì)量濃度都能滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)［5－6］.所以，通過提高混合液內(nèi)回流比提高COD去除率這種做法并不科學(xué).

圖3 內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對COD的去除情況Fig.3 COD removal efficiencies on internal cycle three－step A／O process

除此之外，混合液內(nèi)回流比為50%時(shí)，COD的去除率偏低；回流比為100%，150%和200%時(shí)，COD去除率穩(wěn)中有升，比內(nèi)回流比為50%的情況略高.這是因?yàn)橥ㄟ^增大混合液內(nèi)回流比，系統(tǒng)對有機(jī)物的降解能力有所提升，所以對COD的去除情況有所改善，但是并不能顯著提高系統(tǒng)對總氮的去除率［7］.

2.2 混合液內(nèi)回流對氨氮去除效果的影響

當(dāng)混合液內(nèi)回流比分別是50%，100%，150%和200%時(shí)，內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對N－N的去除，如圖4所示.圖4中為N－N的質(zhì)量濃度；r為混合液內(nèi)回流比；t為運(yùn)行天數(shù)為 N－N的去除率為N－N的平均去除率.

圖4 內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對N－N的去除情況Fig.4 N－N removal efficiencies on internal cycle three－step A／O process

由圖4（a）可知：雖然系統(tǒng)在不同混合液內(nèi)回流比時(shí)，進(jìn)水N－N的質(zhì)量濃度有所波動(dòng)，但是出水N－N的去除效果較穩(wěn)定.由圖4（b）可知：在內(nèi)回流比分別為50%，100%，150%和200%時(shí)，進(jìn)水N－N質(zhì)量濃度的平均值分別為75.31，72.14，73.12和72.10mg·L－1，出水N－N質(zhì)量濃度的平均值分別為2.59，2.62，3.20和3.65mg·L－1，對應(yīng)的N－N平均去除率分別是96.56%，96.38%，95.62%和94.93%.雖然進(jìn)水有所不同，但是這4個(gè)工況氨氮的平均出水質(zhì)量濃度均小于5mg·L－1.

2.3 混合液內(nèi)回流對總氮去除效果的影響

當(dāng)混合液內(nèi)回流比分別為50%，100%，150%和200%時(shí)，內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對TN的去除情況，如圖5所示.圖5中：ρTN為TN的質(zhì)量濃度；r為混合液內(nèi)回流比；t為運(yùn)行天數(shù)；ηTN為TN的去除率；ηTN，ave為TN的平均去除率.

圖5 內(nèi)循環(huán)式三級A／O新工藝對TN的去除情況Fig.5 TN removal efficiencies on internal cycle three－step A／O process

由圖5可知：在混合液內(nèi)回流比分別是50%，100%，150%和200%時(shí)，進(jìn)水TN質(zhì)量濃度的平均值分別是77.73，76.28，76.16和76.43mg·L－1，出水TN質(zhì)量濃度的平均值分別是20.83，11.38，13.66和15.28mg·L－1，去除率分別是73.20%，85.08%，82.06%和80.01%.系統(tǒng)的C／N比平均為4.5，屬于低碳氮比生活污水.但是，當(dāng)混合液內(nèi)回流比為100%和150%時(shí)，出水TN分別為11.38和13.66 mg·L－1，都小于15mg·L－1，說明系統(tǒng)對碳源有一個(gè)較高的利用效率，反硝化效果較好.

當(dāng)內(nèi)回流比為100%和150%時(shí)，TN去除率相對內(nèi)回流為50%時(shí)有大幅提高，TN去除率分別為85.08%和82.06%.原因可能有兩方面：一方面，提高內(nèi)回流可以提高污水經(jīng)歷硝化反硝化的次數(shù)，增加反硝化反應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)可以為反硝化提供更多的硝態(tài)氮，當(dāng)有機(jī)碳源為某一特定值時(shí)，作為電子受體的硝態(tài)氮越多，電子供體與受體間的接觸更多，反硝化也更激烈；另一方面，提高內(nèi)回流可以提高缺氧池中的污泥濃度［3］，帶入的內(nèi)碳源也更多，反硝化菌可以利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，從而表現(xiàn)出提高TN的去除率［8］.

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流比為200%時(shí)，TN的去除率相對于內(nèi)回流比為100%和150%時(shí)有所降低，只有80.01%.究其原因可能是，混合液內(nèi)回流比的提高會(huì)帶入更多的的溶解氧，氧還抑制硝酸鹽還原酶的合成和活性，因?yàn)橛行┓聪趸?xì)菌必須在厭氧和有硝態(tài)氮存在的條件下，才能誘導(dǎo)合成硝酸鹽還原酶［9－11］.Pbsz等［12］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在進(jìn)水中易生物降解碳源相對較少的情況下，缺氧區(qū)氧的存在對反硝化速率有非常大的影響，反硝化速率會(huì)顯著降低［13－15］.混合液回流比的提高會(huì)讓好氧區(qū)和缺氧區(qū)的水力停留時(shí)間變小，硝化菌和反硝化菌的反應(yīng)時(shí)間變短使反應(yīng)不是很充分，從而影響脫氮率［16］.

當(dāng)混合液內(nèi)回流比為100%時(shí)，分別測定了該新工藝沿程各段N－N和N－N的質(zhì)量濃度的變化.分別取各段運(yùn)行穩(wěn)定后的平均值，結(jié)果如圖6所示.圖6中：ρa(bǔ)ve為N－N和N－N的質(zhì)量濃度的平均值.

圖6 各反應(yīng)區(qū)的氮素濃度Fig.6 Nitrogen concentration of each reaction area

3 結(jié)論

重點(diǎn)研究了混合液內(nèi)回流對內(nèi)循環(huán)式多級A／O新工藝系統(tǒng)性能的影響.控制其他運(yùn)行條件不變，通過改變混合液內(nèi)回流比，對比分析不同內(nèi)回流比時(shí)，COD，N－N，TN的質(zhì)量濃度和100%內(nèi)回流比時(shí)，N－N，N－N的質(zhì)量濃度.得出以下5個(gè)結(jié)論.

1）內(nèi)回流比為50%，100%，150%，200%時(shí)，COD平均去除率分別為89.34%，90.40%，90.96%和91.28%，COD的平均去除率都比較高，且出水都能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)；COD的去除率隨著內(nèi)回流比的提高略有提高，系統(tǒng)對有機(jī)物的降解有所加強(qiáng)，但效果并不明顯.

2）混合液內(nèi)回流比分別為50%，100%，150%和200%時(shí)，N－N的平均去除率分別為96.56%，96.38%，95.62%和94.93%，去除率都比較高且出水都能達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，但內(nèi)回流比對N－N去除效果的影響不明顯.

3）回流比為100%，150%時(shí)，TN的去除率從內(nèi)回流比為50%時(shí)的73.20%分別提高到85.08%和82.06%.此時(shí)，出水TN也達(dá)到了一級A標(biāo)準(zhǔn)，TN去除率得到顯著提高；回流比為200%時(shí)，TN去除率與100%和150%時(shí)相比有所降低，而且出水TN低于一級A標(biāo)準(zhǔn).說明內(nèi)回流比并不是越大越好，而是有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?

5）當(dāng)混合液內(nèi)回流比為100%時(shí)，缺氧池中反硝化作用雖然有所減弱，但是基本實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化.說明該新工藝對于處理高氨氮生活污水有重要的意義，對后續(xù)工作中關(guān)于短程硝化反硝化的研究十分必要.

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Influence of Internal Reflux Ratio on Performance of a New Internal Cycle Multistage A／O Process

HE Zheng－guang，CUI Zhan－sheng，JIAO Yao－liang

（Department of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

COD，N－N and total nitrogen（TN）removal efficiencies were analyzed at four different internal reflux ratios（50%，100%，150%，200%），and parallel experiments were made by changing the single factor reflux ratio.The concentrations of N－N and N－N in the reactors along the process were detected at the optimal reflux ratio.The results showed that：the internal reflux ratio had an optimal value；the new internal cycle multistage A／O process had a unique advantage for the treatment of low C／N ratio and high N－N wastewater，and the TN removal efficiency could significantly increase to more than 80%；low cost and high removal efficiency could be obtained when the internal reflux ratio was 100%；short－cut nitrification and denitrification occurred when the internal reflux ratio was 100%.

internal cycle；new multistage A／O process；high－ammonia nitrogen wastewater；internal reflux ratio

黃曉楠 英文審校：劉源崗）

X 703.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

1000－5013（2015）05－0546－06 doi：10.11830／ISSN.1000－5013.2015.05.0546

2015－05－28

何爭光（1963－），男，教授，博士，主要從事水處理理論與技術(shù)的研究.E－mail：hezhengguang163＠163.com.

國家科技重大專項(xiàng)水專項(xiàng)資助課題（2012ZX07204－001－02）