高負荷活性污泥法對生活污水的處理效果

宮 晨， 沈翼軍，2， 楊殿海*

(1.同濟大學環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；2.安徽工業大學建筑工程學院，生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心,安徽馬鞍山 243002)

高負荷活性污泥法對生活污水的處理效果

宮 晨1， 沈翼軍1，2， 楊殿海1*

(1.同濟大學環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；2.安徽工業大學建筑工程學院，生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心,安徽馬鞍山 243002)

[目的]探究高負荷活性污泥法與短程硝化和TN去除率之間的關系。[方法]采用A/O小試裝置處理低C/N實際生活污水，將水力停留時間(HRT)降低至7.00 和3.50 h，考察該方法對生活污水中氮的去除效果。[結果]在低HRT高負荷工況下，DO需要高達3.00 mg/L才能將NH4+-N完全去除。低HRT對于亞硝化率有一定影響，但進水NH4+-N濃度仍是影響亞硝化率的主要因素。在一定范圍內，較低的NH4+-N去除率對TN去除沒有影響。COD的去除不受低HRT影響。在高COD負荷下，提高DO濃度可以預防污泥膨脹，但會降低TN的去除率。[結論]低HRT對亞硝化率有一定影響，但影響亞硝化率最主要的因素是NH4+-N濃度。

低HRT；亞硝化率；氨氮；COD

高負荷活性污泥法是一種化學需氧量(COD)負荷高、曝氣池停留時間短的處理方法，它可以節省曝氣池體積，降低建設成本。在當前城市用地緊張、地價昂貴的情況下，運用高負荷活性污泥法處理生活污水具有重要意義。此外，在一定條件下較低的水力停留時間(HRT)也能使硝化反應從全程硝化向短程硝化轉換，短程硝化能夠節約碳源和缺氧池體積，提高總氮(TN)去除率，對于低C/N污水脫氮具有重要意義。陳韜等[1]在短程硝化試驗中發現，將HRT延長至12.00 h，出水中NO2--N積累率顯著下降，說明HRT與NO2--N積累率存在一定關系。筆者采用A/O反應器處理低C/N實際生活污水，在HRT為3.50 h及COD負荷達到5.2 kg/(kgMLSS·d)的條件下，研究NO2--N積累率變化情況及對反應器脫氮的影響，以期為低NH4+-N 主流生活污水短程硝化研究中HRT選取提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 工藝流程和反應器控制 試驗裝置由有機玻璃制成的CSTR反應器組成，包括缺氧池、好氧池和豎流二沉池，活性污泥取自合肥某污水廠，反應器內污泥濃度為2 000～3 000 mg/L。裝置示意見圖1。缺氧池有效容積為2.1 L，好氧池有效容積為4.8 L，二沉池有效容積為11.0 L，SRT為20～50 d，內回流比為200%，污泥回流比為100%。罐體內均設置有攪拌器，好氧池內使用曝氣砂頭進行曝氣，通過氣泵上的旋鈕控制曝氣量。進水、內回流和污泥回流由蠕動泵控制。

注：1. 進水泵;2.攪拌器;3.出水口;4.曝氣砂頭;5.內回流泵;6.污泥回流泵;7.豎流二沉池;8.溢流口;9.排泥口。Note: 1. Intake pump; 2. Plunger; 3. Water outlet; 4. Aeration sand head; 5. Internal reflux pump; 6. Sludge reflux pump; 7. Vertical flow two sedimentation tank; 8. Overflow gate; 9. Mud outlet. 圖1 反應器裝置Fig.1 The reactor device

1.2 各階段參數 各階段運行參數見表1。試驗不控制溫度，在室溫條件下進行。

1.3 試驗水質 進水取自合肥某污水廠沉砂池出水，C/N僅為3.7，屬于低C/N污水，水質情況：NH4+-N濃度為14.5～39.8 mg/L,TN 17.8～64.1 mg/L,COD 84.5～222.5 mg/L,pH 7.7～8.0。

1.4 測定項目與方法 采用納氏試劑分光光度法測定NH4+-N濃度；采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法測定NO2--N濃度；采用紫外分光光度法測定NO3--N濃度；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN濃度；采用重鉻酸鉀分光光度法測定COD濃度；采用國標法測定混合液懸浮固體濃度(MLSS)和污泥體積指數(SVI)。

表1 各階段運行參數

2 結果與分析

2.1 NH4+-N的去除 各階段NH4+-N的去除情況見圖2。階段 Ⅰ 為接種馴化期，好氧池HRT為5.00 h，共8 d。該階段NH4+-N去除率從28.4%上升到90.0%以上，且好氧池平均溫度僅為16.6 ℃，說明接種污泥具有良好的硝化性能。

階段 Ⅱ 將HRT縮減50%，好氧池HRT為2.50 h，共13 d。該階段初期(10～17 d)進水NH4+-N濃度較低，但平均去除率為62.0%。這是由于好氧池HRT降低了1倍，攪拌器轉速不夠，使其水力分布不均勻，有些進水未接觸到氧氣就從反應器流出。在加快攪拌器轉速后，NH4+-N去除率立即升高至80.0%以上。

階段Ⅲ將DO濃度降至0.50 mg/L以下，嘗試用低濃度DO抑制硝化細菌(NOB)以達到短程硝化。Hanaki等[2]研究表明，低濃度DO可以抑制NOB的生長，而亞硝化細菌(AOB)增殖的速率加快，補償了低濃度DO造成的代謝下降，使NH4+-N氧化不受影響[2]。在該研究中，DO濃度的降低使平均NH4+-N去除率下降至42.0%。原因可能是該研究所采用的是連續流裝置，好氧池HRT僅為2.50 h，內回流使得實際停留時間更短，微生物、基質未與氧氣充分接觸就流出好氧池。另外，活性污泥濃度較低，AOB基數較小，活性又被抑制，即使增殖速率變快也難以達到充分氧化銨根離子的水平。

階段Ⅳ再將HRT縮減50%，平均DO濃度為0.80 mg/L。該階段NH4+-N平均去除率為48.7%，且去除率較上一階段更加穩定。但由于該階段好氧池HRT僅為1.25 h，因此NH4+-N去除率仍較低。

階段Ⅴ將平均DO濃度提升至2.30 mg/L，則NH4+-N平均去除率提升至70.0%左右。從圖2可以看出，該階段NH4+-N去除率與進水NH4+-N濃度呈負相關。說明當好氧池HRT低至1.25 h時，即使DO濃度高達2.30 mg/L，NH4+-N去除率仍不穩定。

階段Ⅵ將平均DO濃度提升至3.00 mg/L，NH4+-N去除率穩定在98.0%以上。

圖2 各階段進出水NH4+-N濃度和去除率變化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration in influent and effluent and removal rate in each stage

2.2 亞硝化率的變化 短程硝化反硝化有節省碳源、反硝化速率較高等優點[3]。目前國內關于連續流反硝化的研究較少，其中馬勇等[4]把DO濃度控制在0.30～0.70 mg/L，利用AO中試實現短程硝化反硝化脫氮；曾薇等[5]通過低濃度DO和改變內回流比在A2/O反應器中實現短程硝化反硝化；李冬等[6]采用2級CSTR反應器，通過外加NH4+-N抑制NOB活性達到短程硝化的目的。在該研究中，亞硝化率計算方法為η=ρNO2--N/(ρNO2--N+ρNO3--N)×100%。

從圖3可見，階段 Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 的平均亞硝化率均在6.0%以下，其中階段Ⅲ的平均DO濃度為0.40 mg/L，在該階段平均出水NO3--N濃度下降至3.26 mg/L，但平均出水NO2--N濃度僅為0.14 mg/L，說明出水NO3--N濃度降低可能是由于基質不足而非NOB受到抑制。階段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ平均NH4+-N負荷率達到0.4 gN/(L·d)，屬于高NH4+-N負荷，其中階段Ⅳ的DO濃度較低，NOB生長受到抑制，但其平均亞硝化率為13.6%，低于階段Ⅴ的17.5%。高亞硝化率主要有兩方面原因，一方面是AOB在NOB的抑制因素下仍保持高活性，其氨氧化能力不受抑制，另一方面是NOB受到抑制，對于NO2--N的氧化能力下降，造成NO2--N的積累。階段Ⅴ的亞硝化率比階段Ⅳ略高，而其平均DO濃度也較階段Ⅳ高1.50 mg/L，說明在低HRT下，DO濃度不是主要抑制因素。由于NH4+-N氧化和NO2--N氧化有先后順序，較短的HRT使得部分NO2--N來不及被氧化就從好氧池中流出，造成NO2--N的積累，較高濃度的DO反而使AOB氨氧化能力加強，同時在低HRT的抑制下，NOB氧化能力提高較小，這使得亞硝化率有所提高。階段Ⅵ的DO濃度提升至3.00 mg/L，NOB的氧化能力恢復，平均亞硝化率下降至7.0%。但此時過高的DO濃度使NOB的活性高于階段Ⅴ，因此亞硝化率下降。

圖3 各階段進水NH4+-N和出水亞硝化率變化Fig.3 Variation of NH4+-N in influent and nitrite rate in effluent in each stage

由此可見，與SBR反應器不同，連續流反應器的短程硝化是由HRT和DO濃度共同影響的結果。一方面，由于硝化反應有先后順序，較低的HRT能使一部分亞硝酸鹽未被氧化就流出好氧池，但HRT過低也使氨氧化變得困難，需要提高DO濃度才能使NH4+-N完全氧化。另一方面，NOB的抑制因素主要是DO濃度，但在該研究中，在好氧池HRT較短的工況下，較低的DO濃度同時抑制了AOB和NOB的活性，難以達到短程硝化反硝化的目的。因此，在連續流反應器中，若想達到短程硝化反硝化的目的，好氧池HRT不能過長或過短，當好氧池HRT確定后，它就不再是短程硝化的決定性因素。

從圖3可以看出，在整個試驗階段，亞硝化率與進水NH4+-N濃度有較強的正相關性，其波動與進水NH4+-N濃度波動基本一致。由此可以看出，進水NH4+-N濃度是形成短程硝化的重要因素之一，以上在連續流中采用實際污水形成短程硝化的研究，平均進水NH4+-N濃度均在60.00 mg/L以上。而在該研究中，平均進水NH4+-N濃度不足50%，因此亞硝化率始終較低。雖然從亞硝化率來看，低HRT對NOB的抑制效應大于對AOB的抑制效應，但過短的HRT對AOB的抑制也極強，這難以達到短程硝化的目的。如果提高污泥濃度，亞硝化率可能會有一定提高，但是仍難以達到較高的亞硝化率。

2.3 TN的去除 階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的TN的去除情況見圖4。各階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)平均TN去除率分別為30.9%、35.3%、51.3%、49.0%、51.8%、39.4%，階段 Ⅰ 和 Ⅱ 的TN去除率較低，一方面是由較低的溫度和較短的HRT共同導致，另一方面反硝化細菌尚未適應反應器工況也是原因之一。階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的TN去除率相差不多，說明在高負荷條件下低HRT并不是TN去除的限制性因素。階段Ⅵ的平均DO濃度達到3.00 mg/L，此時過高的DO濃度導致內回流進入缺氧區的DO增加，異養菌在DO濃度過高的環境下與反硝化細菌爭奪進水中的COD基質，導致反硝化率下降，這與鄭翔等[7]的研究結果一致。

另外，在該研究中，階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的平均亞硝化率分別為4.6%、13.6%、17.5%。亞硝化率的提高并未伴隨TN去除率的提高，但這是兩方面因素引起的。階段Ⅲ的亞硝化率雖然較低，但因好氧池DO濃度較低，減小了回流到缺氧區的DO濃度，降低了對缺氧池中反硝化細菌的抑制，因而有利于反硝化。階段Ⅳ、Ⅴ的DO濃度雖然較高，但亞硝化率也較高，一部分亞硝酸鹽進入缺氧區使反硝化作用的時間縮短，同時節省了碳源。雖然進水COD在缺氧池中被異養菌消耗了一部分，但短程硝化作用抵消了這部分消耗，使TN去除率與階段Ⅲ相似。但階段Ⅵ過高的DO濃度使亞硝化率下降，同時使流入缺氧區的DO濃度進一步升高，因此TN去除率下降。

從NH4+-N和TN的去除情況來看，高負荷活性污泥法并不適合處理生活污水。NH4+-N只有在較高的DO濃度下才能被完全去除，但高濃度DO又影響TN的去除，使二者成為相互矛盾的因素。低HRT導致的一定程度的亞硝化也難以提高TN的去除率。而生活污水較低的進水NH4+-N使完全短程硝化反硝化難以實現，這也使得TN的去除率難以提高。

圖4 各階段進出水TN和去除率變化Fig.4 Variation of TN in influent and effluent and removal rate in each stage

2.4 COD的去除 各階段COD的去除情況見圖5。在A/O反應器中，缺氧池的反硝化細菌利用COD作為碳源，以硝酸鹽為電子受體進行反硝化作用，好氧池中異養菌也能利用COD。因此，在該研究中，階段Ⅲ和階段Ⅳ的DO濃度雖然較低，且好氧池HRT也較短，但出水COD濃度仍能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。整個試驗階段的平均COD去除率為73.4%，說明該研究所用生活污水的可生化COD占總COD的比例約為70.0%。但進水總COD較低，限制了TN的去除。

圖5 各階段進出水COD和去除率變化Fig.5 Variation of COD in influent and effluent and removal rate in each stage

2.5 MLSS和SVI的變化 在每個階段結束時測定MLSS和SVI，各階段MLSS和SVI的變化見圖6。從圖6可以看出，反應器的MLSS在前4個階段穩步上升，而在階段Ⅴ某一天反應器因故障而漏泥，導致MLSS有所下降，階段Ⅵ雖然DO濃度達到3.00 mg/L，但由于COD負荷高，基質豐富，因此MLSS仍略有上升，并未發生內源呼吸作用。導致SVI升高的主要原因是有機負荷過高和DO不足等，筆者引入有機負荷與階段平均DO之比(COD負荷/DO)可以更直觀地理解有機負荷和DO之間的關系。有機負荷代表1 kg污泥1 d的COD負荷，DO為階段平均DO。6個階段COD負荷/DO分別為1.2、2.3、5.5、5.6、2.5、1.3。因此，階段Ⅰ的污泥沉降性能良好，SVI較低。當COD負荷/DO升高至2.0以上時，污泥發生膨脹，SVI持續升高。階段ⅤCOD負荷/DO從5.5下降到2.5，因此SVI也下降到190.00 mL/g，正好與階段Ⅱ相似。階段Ⅵ COD負荷/DO下降至1.3，但由于時間較短，SVI下降到156 mL/g，如果反應器能夠在該工況下運行更長時間，SVI可能會下降到階段 Ⅰ 的水平，恢復良好的沉降性能。

圖6 各階段MLSS和SVI變化Fig.6 Variation of MLSS and SVI in each stage

3 結論

(1)在HRT為1.75 h的條件下，好氧池DO濃度達到3.00 mg/L才能將NH4+-N完全去除，說明高水力負荷對NH4+-N去除影響較大。

(2)在連續流反應器中，低HRT是抑制NOB的因素之一，但對AOB也有很強的抑制作用。因此，僅靠縮短HRT難以達到短程硝化的效果。

(3)HRT和NH4+-N去除率對TN去除影響不大，但高DO濃度對TN去除影響較大。低C/N是限制TN去除的主要因素。

(4)引入COD負荷/DO作為SVI的影響因子，兩者有較強相關性，在COD負荷的工況下，將COD負荷/DO降至1.3，SVI也能下降到156.00 mL/g。參考文獻

[1] 陳韜，王淑瑩，彭永臻,等.常溫下A/O工藝的短程硝化反硝化[J].中國給水排水，2002，18(12):5-8.

[2] HANAKI K,WANTAWIN C,OHGAKI S.Nitrification at low levels of dissolved oxygen with and without organic loading in a suspended-growth reactor[J].Water research，1990，24(3): 297-302.

[3] TURK O，MAVINIC D S.Selective inhibition: A novel concept for removing nitrogen from highly nitrogenous wastes[J].Environ Technol Lett，1987，8：419-426.

[4] 馬勇，王淑瑩，曾薇，等.A/O 生物脫氮工藝處理生活污水中試 (一) 短程硝化反硝化的研究[J].環境科學學報，2006，26(5)：703-709.

[5] 曾薇,李磊,楊瑩瑩,等.A2O工藝處理生活污水短程硝化反硝化的研究[J].中國環境科學,2010，30(5):625-632.

[6] 李冬,王朗,陳冠宇,等.兩級CSTR亞硝化啟動及穩定運行試驗研究[J].中國環境科學,2016，36(2):437-442.

[7] 鄭翔,王榮昌,司書鵬,等.城市污水的低氧短程脫氮中試研究[J].中國給水排水,2011，27(11):9-13.

Treatment of Domestic Sewage with High Load Activated Sludge Process

GONG Chen1, SHEN Yi-jun1,2, YANG Dian-hai1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092; 2.Biological MembraneWater Purification and Utilization Technology Research Center of the Ministry of Education, College of Architectural Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002)

[Objective] The aim was to explore the relationship between high load activated sludge process and shortcut nitrification, TN removal rate. [Method] Using laboratory scale A/O plant to treat low C/N actual domestic sewage to study the nitrogen removal ratio by reducing HRT to 7.00 and 3.50 h. [Result] Experimental results show that under the low HRT conditions, NH4+-N can be removed completely when dissolved oxygen(DO) reaches up to 3 mg/L. For nitrite rate, low HRT has a certain influence, but the influent NH4+-N concentration is still the main factor affecting nitriterate. Within a certain range, low NH4+-N removal ratio has no effect on TN removal ratio. Low HRT conditions has no effect on the removal of COD. At high COD loading, increasing DO will prevent sludge bulking, contrarily, high DO will affect the removal of TN. [Conclusion] Low HRT has a certain influence to nitrite rate, but NH4+-N concentration is the main factor affecting nitrite rate.

Low HRT; Nitrite rate; Ammonia nitrogen; COD

國家“水體污染與控制治理”科技重大專項(2011ZX07303-002-02)。

宮晨(1991- )，男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：水污染控制技術。*通訊作者，教授，博士，博士生導師，從事水污染控制技術研究。

2016-09-21

S 181；X 52

A

0517-6611(2016)35-0096-04