改良型氧化溝內氮的質量平衡及轉化途徑分析

苑丹丹，于靜潔，蘇凡凱，鄭劍鋒，張 燕，孫力平

（1.天津城建大學 a.環境與市政工程學院；b.天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384；2.云南省設計院集團 第三機電設計研究院，昆明 650228）

環境與市政

改良型氧化溝內氮的質量平衡及轉化途徑分析

苑丹丹1a，1b，于靜潔1a，1b，蘇凡凱2，鄭劍鋒1a，1b，張 燕1，孫力平1a，1b

（1.天津城建大學 a.環境與市政工程學院；b.天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384；2.云南省設計院集團 第三機電設計研究院，昆明 650228）

改良型循環比可調式氧化溝在廊道內設置緩流板，以此調節循環比（氧化溝廊道斷面通過的循環流量與進水流量的比值），同時改變好氧區混合液回流向缺氧區的量.利用質量平衡的方法，研究了設置緩流板前后系統內氮污染物的轉化途徑及有機物、氮和磷去除效果的變化.結果表明：不設緩流板，循環比為 241時，COD、TP、TN、的平均去除率分別為 91.2%，、86.4%，、67.2%，和 82.7%，進水總氮中有 23.6%，通過傳統硝化反硝化去除，12.3%，通過反硝化除磷去除；而增設緩流板，循環比為27時，COD、TP、TN、的平均去除率分別為93.3%，、96.0%，、78.1%，和 87.1%，進水總氮中有 12.0%，通過傳統硝化反硝化去除，41.1%，通過反硝化除磷去除.綜上可知：增設緩流板控制循環比，有助于提高氧化溝工藝的同步脫氮除磷效果，更有利于增強反硝化除磷脫氮能力.

改良型氧化溝；緩流板；循環比；氮的轉化

由于氧化溝工藝具有耐沖擊負荷、不設初沉池、有機物去除率高等特性，自1954年以來，世界各地先后建立起了多種多樣的氧化溝污水處理廠.但是國內外學者、工程師對氧化溝工藝的設計、運行及管理中通常采用污泥濃度、污泥齡、污泥負荷等作為設計和調控參數，而沒有將循環比（氧化溝廊道斷面通過的循環流量與進水流量的比值）作為工藝參數考慮在內.對于氧化溝廊道內設置好氧區和缺氧區的工藝，調節循環比會改變好氧區向缺氧區回流混合液的量，最終會影響到氧化溝內碳、氮、磷污染物的去除效果［1］.已建的各種類型氧化溝工藝循環比大小不等，可相差十幾至數百倍［2-3］.因此，試驗過程中，改良型循環比可調式氧化溝將循環比作為主要調節參數，并對比了設置緩流板前后氧化溝內碳、氮、磷污染物的去除效果，對氮污染物進行了質量平衡，分析了系統內氮污染物的轉化途徑，研究了循環比對改良型循環比可調式氮化溝脫氮除磷能力的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

改良型循環比可調式氧化溝體積為 0.1，m3，含厭氧1～3區及主反應區，主反應區內4個無曝氣的廊道為缺氧1～4區，另外兩個曝氣廊道為好氧1、2區.沉淀池體積為0.024 m3.在厭氧1～3區及主反應區內轉彎處分別設置攪拌器以推動廊道內混合液流動.進水量及污泥回流量由蠕動泵控制，由氣體轉子流量計控制好氧區的供氣量.試驗裝置詳見圖1.

圖1 循環比可調式氧化溝系統示意（第Ⅰ工況）

1.2 試驗水質

試驗用水為人工配水，配水情況如表1所示.

1.3 試驗運行條件

系統連續運行，試驗用泥取自天津市某污水處理廠.不設緩流板作為第Ⅰ運行工況，設置緩流板作為第Ⅱ運行工況（缺氧1區和好氧1區前端分別設置一板），兩工況下的操作參數見表2.

表1 配水表

表2 不同運行工況的操作參數

由試驗結果可知，第Ⅰ工況不設緩流板，好氧1區、2區廊道起始端設置點狀曝氣器供氧；第Ⅱ工況設置緩流板，好氧 1區、2區廊道采用條狀曝氣器均勻供氧.兩種工況下，缺氧區溶解氧濃度都在0～0.5，mg/L，好氧區溶解氧濃度均在 1～2，mg/L范圍內.綜上所述，第Ⅰ工況、第Ⅱ工況溶解氧濃度梯度基本一致，操作參數混合液懸浮固體濃度、污泥齡、水力停留時間、容積負荷、污泥回流比不變的條件下，循環比的變化成為了影響氧化溝系統污染物去除效果及氮轉化途徑的主要因素.

1.4 分析項目與測定方法

循環比可調式氧化溝進、出水水質的檢測按照國家標準方法［4］進行，詳見表3.

表3 分析項目與測定方法

2 兩工況下氮磷去除效果對比

每一工況下污泥穩定培養 25，d左右，穩定培養期末觀察系統內活性污泥菌群，當污泥馴化成熟的指示生物（如鐘蟲）出現時，表明氧化溝運行穩定［5-6］.之后取樣檢測氧化溝各水質指標變化情況，結果詳見表4.

表4 兩個工況下進、出水水質測定結果過

2.1 第Ⅰ工況下氮的質量平衡及轉化途徑

循環比可調式氧化溝進水流量Qin為10，L/h，第Ⅰ工況下由實驗測得的揮發性懸浮固體濃度（Xv）值為3.323，g/L，剩余污泥排放量（Qp）為8，L/d.進出水水質詳見表5.

表5 第Ⅰ工況下氮污染指標測定結果 mg·L-1

2.1.1 系統內氮質量平衡

由于厭氧區和沉淀池無曝氣，且厭氧區是形成聚羥基脂肪酸酯（PHA）的功能區，因此假定厭氧區和沉淀池不存在硝化過程和反硝化除磷過程.由于沉淀池內有機物濃度很低，且存在的有機物是降解殘余有機物，因此假定沉淀池不存在微生物生長過程.下列公式中C代表濃度，Q代表流量，M代表質量.

TN的質量平衡方程式為

沉淀池出水排出的TN的量為

剩余污泥排放的 TN量通過剩余污泥排放量（Qp，L/d）、揮發性懸浮固體濃度（Xv，mg/L）和 fN的乘積得到，Barker［8］和 Lee［9］等人在其研究中采用fN為 0.1，g N/gVss，Chen［10］等人的研究中對 fN進行測定，其值也將近是 0.1，g N/gVss，因此本文采用fN=0.1，g N/gVss.剩余污泥排放的TN量為

整個系統中轉化成氮氣去除的氮主要由以下幾部分組成：?回流污泥攜帶到厭氧區的硝態氮和亞硝態氮反硝化去除的氮；?沉淀池發生傳統硝化反硝化去除的氮；?主反應區中反硝化去除的氮.

厭氧區傳統反硝化去除的氮量為

沉淀池傳統反硝化去除的氮量為

計算主反應區反硝化去除的氮量較為復雜，首先應計算主反應區TN的減少量，即

主反應區液相中 TN的減少量，一部分是由于反硝化過程將氮轉化為氮氣去除（即液相轉移至氣相），另外一部分則用于微生物增長，轉化為微生物細胞（即液相轉移至固相）.由于改良型氧化溝是一個開放式的系統，難以準確收集測定氮氣產量，因此為確定主反應區反硝化去除的氮量，需要先確定主反應區用于微生物增長的 TN消耗量.而厭氧區用于微生物增長的TN消耗量為

因此，主反應區用于微生物增長的TN消耗量為

進而，主反應區反硝化去除的氮量為

在整個系統中通過反硝化過程去除的氮量為

所以由式（1）知

進入系統的TN的量為

N平衡率為

因此，由氮的質量平衡計算得出的平衡率可知本研究的試驗數據基本可靠.

由于穩定期內系統進、出水水質基本恒定，同一工況下運行參數也恒定不變，可假定每天進入系統的 TN量與流出系統的TN量相等.此外，由于沉淀池出水排出的 TN量（MTN，沉出）、剩余污泥排放的 TN量（MTN，剩余污泥）、厭氧區傳統反硝化去除的氮量以及沉淀池傳統反硝化去除的氮量是依據測定數據直接計算得到的，因此以每天進入系統的 TN量為準，對整個系統中反硝化過程去除的氮量和主反應區反硝化去除的氮量進行修訂，即

2.1.2 主反應區內氮質量平衡及轉化途徑

氧化溝主反應區脫氮經由以下兩個生化反應過程：①反硝化除磷消耗的氮量；②傳統硝化反硝化去除的氮量.

本研究通過試驗驗證了整個系統中存在反硝化除磷過程，系統中反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為17.54%，，反硝化聚磷菌的除磷量為 589.895，mg/ d.反硝化除磷脫氮的反應式為［11］

由式（16）可以看出，每去除1，g P消耗2.20，g N，丁彩娟等人［12］的研究結果表明，轉化2，mg NO3--N可以促進1，mg PO43--P的吸收，本文取2.00，則理論上系統中反硝化除磷菌去除 589.895，mg/d磷時所需要的氮量為

即主反應區反硝化除磷消耗的氮量為1，179.79， mg/d.

主反應區通過傳統反硝化去除的氮量為

因此，改良型工藝系統中傳統反硝化去除的氮量為

經以上計算可知，在循環比可調式氧化溝工藝系統中不設置緩流板時，氮污染物中有 27.71%，（MTN，剩余污泥/MTN，系統進）是通過剩余污泥排放的，有36.43%，（MTN，沉出/MTN，系統進）是通過沉淀池出水排出的，有12.30%是通過反硝化聚磷途徑去除的，有 23.56%是通過傳統反硝化去除的.

2.2 第Ⅱ工況下氮的質量平衡及轉化途徑

第Ⅱ工況下氮的質量平衡及轉化途徑的分析方法同第Ⅰ工況.本工況下測得的Xv值為3.071，g/L，Qp為8，L/d.各水質指標檢測結果詳見表6，質量平衡結果詳見表7.

表6 第Ⅱ工況下氮污染指標測定結果 mg·L-1

由上表中Nη=101.92%，可以看出，本研究的試驗數據是可靠的.經計算可知，在循環比可調式氧化溝工藝中設置緩流板，調節循環比，氮污染物含量中有 26.33%，通過剩余污泥排放，20.63%，是通過沉淀池出水排出的，有 41.05%，通過反硝化除磷消耗的，有11.99%，通過傳統硝化反硝化去除.

表7 第Ⅱ工況下氮的質量平衡結果

2.3 第Ⅰ、第Ⅱ工況下氮轉化途徑對比

兩工況下氮的轉化途徑如表8所示.由表8看出，第Ⅰ工況厭氧區發生傳統反硝化消耗的氮大于第Ⅱ工況.原因是由于該工況下回流污泥攜帶回厭氧區的硝態氮和亞硝態氮濃度較高，同時由于厭氧區有較充足的碳源，因此導致第Ⅰ工況厭氧區通過傳統反硝化去除的氮量比第Ⅱ工況的大.

表8 兩工況下TN在各反應區內的轉化量 mg·d-1

試驗證明，兩工況都存在反硝化除磷，但第Ⅰ工況中反硝化除磷菌占總聚磷菌的比例僅為17.54%，低于第Ⅱ工況下的 46.1%，.因此，第Ⅱ工況反硝化除磷消耗的氮量高于第Ⅰ工況.

綜上所述，兩工況下的改良型氧化溝內污染物氮的轉化途徑存在差異，即由于第Ⅱ工況氧化溝內設置了緩流板，降低了氧化溝廊道內混合液的循環比，減小了好氧廊道混合液回流向缺氧廊道的量，進而延長了混合液在好氧區和缺氧區循環流動時單次停留時間.同時，保證了硝化和反硝化反應的有效進行，最終強化了反硝化除磷菌的富集，從而使得第Ⅱ工況由反硝化除磷過程去除的氮量顯著高于未加緩流板情況下的第Ⅰ工況.

3 結 論

本文通過比較兩種不同工況下（有無緩流板）氧化溝內污染物去除效果的差異，研究了不同循環比下氮污染物去除途徑的變化情況，將結論歸結如下.

（1）在氧化溝廊道內設置緩流板調控循環比，有利于氧化溝內氮磷污染物的去除.

（2）氧化溝工藝中，調節循環比可以影響系統內氮的轉化.增設緩流板前后，反硝化除磷過程去除的氮量由 12.30%，提高到 41.05%，傳統反硝化作用去除的氮量由23.56%，下降到11.99%.

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Analysis of Nitrogen Mass Balance and Conversation Pathway in Modified Oxidation Ditch

YUAN Dandan1a，1b，YU Jingjie1a，1b，SU Fankai2，ZHENG Jianfeng1a，1b，ZHANG Yan1，SUN Liping1a，1b
（1a.School of Environmental and Municipal Engineering；1b.Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，TCU，Tianjin 300384，China；2.The Third Electromechanical Design and Research Institute，Designing Institute Group of Yunnan Province，Kunming 650200，China）

The recirculation ratio （namely the ratio of circulation flow to influent flow in compartment section）is changed by adding flashboard in compartment section to regulate mixed liquor refluxing from aerobic zone to anoxic zone in modified oxidation ditch.This study has been done by comparing the changes of the organics，simultaneous nitrogen and phosphorus removal before and after adding flashboard in oxidation ditch compartment，and with mass balance to the differences of the conversion pathways of nitrogen.The results show that，when the recirculation ratio is 241without the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+removal are 91.2%，86.4%，67.2% and，82.7% respectively.The ratios are 23.6% and 12.3% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.When the recirculation ratio is 27 with the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+，removal are 93.3%，96.0%，78.1% and 87.1%，respectively.The ratios are 12.0%and 41.1% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.To sum up，regulating recirculation ratio by adding flashboard is helpful for improving the simultaneous nitrogen and phosphorus removal of oxidation ditch process，and is also helpful for increasing the capability of denitrifying phosphorus and nitrogen removal.

modified oxidation ditch；flashboard；recirculation ratio；nitrogen conversation

X703

A

2095-719X（2016）03-0200-06

2015-05-05；

2015-11-06

國家自然科學基金（51108299）；天津市自然科學基金（10JCYBJC05300）

苑丹丹（1991—），女，河北衡水人，天津城建大學碩士生.

于靜潔（1978—），女，教授，從事污水處理與工藝系統模擬方面的研究.E-mail: yjj.mary@163.com