進(jìn)水位置和比例對多級生物接觸氧化工藝的影響

李業(yè)輝， 駱志偉

(1.沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽110168;2.中國建筑第八工程局華南分公司，廣東 廣州510730 )

為了加強(qiáng)水體污染的控制并減少河流湖泊富營養(yǎng)化的發(fā)生，改善水體衛(wèi)生環(huán)境，控制農(nóng)村生活污水氮磷的排放已成為日益關(guān)注的焦點［1］。生物接觸氧化工藝具有填料固定生物量大、掛膜周期短、水力停留時間較短、體積小以及處理效果好等特點，在農(nóng)村生活污水處理方面的應(yīng)用越來越廣泛。但傳統(tǒng)的生物接觸氧化工藝需要大量回流［2-3］或增加深度處理工藝［4-5］，且由于生活污水的碳氮比較低，因此需要通過添加外源碳源來提高其脫氮效率。這不僅會導(dǎo)致運行成本的增加，也加大了污水設(shè)施的運行管理難度。

針對傳統(tǒng)生物接觸氧化工藝的弊端，結(jié)合農(nóng)村分散型生活污水的特點和經(jīng)濟(jì)因素條件，設(shè)計出多點進(jìn)水的多級生物接觸氧化工藝。筆者將進(jìn)水以不同的比例投加到不同的生物接觸氧化工藝段，利用原水中原有的有機(jī)物實現(xiàn)對缺氧段碳源的補(bǔ)給，達(dá)到脫氮和節(jié)約能源的目的，并在此基礎(chǔ)上考察工藝的脫氮效能。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由不銹鋼鋼板加工制作而成，總尺寸為1.225 m ×1.2 m ×0.7 m，反應(yīng)區(qū)的有效容積為770 L，如圖1 所示。內(nèi)填充速分球填料(外為直徑10 cm 的PVC 殼體，內(nèi)為火山巖碎塊)，填充率采用經(jīng)驗值，即1 000 個/m3。

圖1 試驗裝置工藝流程Fig.1 Process flow chart of test equipment

試驗設(shè)計2 套體積相同、各段比例不同的裝置:裝置I 各段的水力停留時間比(體積比)O1 ∶A1∶A2 ∶O2 =9 ∶1 ∶3 ∶6;裝置II 各段水力停留時間比相同，即每個工藝段的體積相等。2 套裝置的平面設(shè)計如圖2 所示。

圖2 試驗裝置平面設(shè)計Fig.2 Graphic design of the experiment device

1.2 接種污泥與試驗水質(zhì)

試驗接種污泥取自某市污水處理廠好氧池，污泥濃度約為5 500 mg/L。COD 和-N 的去除率高于75%時，認(rèn)為掛膜完成。試驗用水取自同一污水處理廠，污水源為雨水與周邊農(nóng)村居民生活污水混合而成。

試驗期間進(jìn)水水質(zhì)如下:COD，101 ～364 mg/L;TN，22 ～42 mg/L;- N，4 ～25.8 mg/L;溫度，18.3 ～31.3 ℃;pH，7.69 ～7.98。試驗出水應(yīng)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，即COD≤30 mg/L，NH+4-N≤1.5 mg/L，TN≤15 mg/L，pH 為6 ～9。

1.3 分析儀器與方法

溫度、pH、DO:YSI ProPlus 便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀;COD:快速消解法;TN:過硫酸鉀氧化法;- N:納氏試劑法，然后用WTW 型photoLab 6100 分光光度計檢測。

1.4 運行工況

系統(tǒng)進(jìn)水流量為120 L/h(HRT 為6.55 h)，不設(shè)回流。控制O1 段溶解氧在3.9 ～4.1 mg/L，O2段溶解氧在2. 9 ～3. 1 mg/L。參考傳統(tǒng)A2/O 工藝［6-7］及改良型倒置A2/O 生物膜工藝處理生活污水［8］的最優(yōu)回流比，即100%、200%和400%，將原水進(jìn)水分為4 ∶1、2 ∶1、1 ∶1 這3 種工況。

由于裝置不設(shè)回流，當(dāng)進(jìn)水為1 ∶1 時，缺氧段原水中的總氮不能經(jīng)過好氧段進(jìn)行硝化過程，無法保證脫氮效果。因此，將污水以4 ∶1 和2 ∶1 的比例進(jìn)入O1 段、A1 段或O1 段、A2 段，把系統(tǒng)進(jìn)水分為4 個工況，如表1 所示。考察進(jìn)水位置和比例，對運行效果的影響。

表1 進(jìn)水位置與比例Tab.1 Position and proportion of influent

2 結(jié)果與討論

2.1 對COD 的去除效果

由圖3 可知:盡管COD 的進(jìn)、出水濃度波動較大，但2 套裝置在4 個工況下的出水COD 始終保持在30 mg/L 左右，相差不大。裝置I 在工況一時的出水COD 最低，平均濃度為20.2 mg/L，平均去除率達(dá)到91.93%。

圖3 對COD 的去除效果Fig.3 Removal effect of COD

對比工況一和工況二，進(jìn)水位置相同、進(jìn)水比例不同時COD 出水濃度相差不大，但O1 ∶A1 =4∶1 時的COD 去除率較O1 ∶A1 =2 ∶1 高，這可能是因為O1 段進(jìn)水含量較高時在裝置中的停留時間較長，生化效果較好。對比工況一和工況三發(fā)現(xiàn)，相同比例、不同位置進(jìn)水，對COD 的去除效果存在差別。A1 段進(jìn)水較A2 段進(jìn)水對COD 的去除率更高，很可能是缺氧段時間越長，反硝化作用越強(qiáng)。對比工況一和工況四可以發(fā)現(xiàn)，盡管進(jìn)水位置和比例均不同，但COD 去除率較高且出水濃度穩(wěn)定在30 mg/L以下。

2.2 對氨氮的去除效果

2 套裝置對氨氮的去除效果基本相同，在不同的工況下，氨氮的出水濃度有所差別，去除率變化明顯，如圖4 所示。當(dāng)進(jìn)水位置和比例改變時，裝置一在工況一下的運行效果最好，氨氮出水平均濃度為0.5 mg/L，平均去除率為97.10%。

圖4 對氨氮的去除效果Fig.4 Removal effect of ammonia nitrogen

對比4 個工況下的各項指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水位置相同、比例不同時，O1 段進(jìn)水流量較大、A1 段進(jìn)水較小時的氨氮去除率較高;進(jìn)水比例相同、位置不同時，A1 段進(jìn)水較A2 段進(jìn)水的氨氮去除率略高。在進(jìn)水總量相同，進(jìn)水位置和比例均不同時，工況一對氨氮有更高的去除率，這可能是因為好氧段HRT越長，氨氮的出水效果越好。

2.3 對總氮的去除效果

由圖5 可知，2 套裝置在4 個工況下的出水總氮變化幅度較大，總體上裝置一對總氮的處理效果優(yōu)于裝置二。裝置一在工況一下的總氮平均出水濃度為9 mg/L，平均去除率為64.27%，可以穩(wěn)定達(dá)到污水一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)，這在不設(shè)置回流以及不外加碳源的情況下很難實現(xiàn)。

圖5 對總氮的去除效果Fig.5 Removal effect of total nitrogen

對比4 個工況的運行情況可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水位置相同、比例不同時，O1 段進(jìn)水流量越大，出水總氮越低;進(jìn)水比例相同、位置不同時，原水進(jìn)入A1 段時的總氮去除率較進(jìn)入A2 段時高。在進(jìn)水總量相同，進(jìn)水位置和比例都不同時，工況一的總氮出水濃度較低，脫氮效果最好。

因此，多級生物接觸氧化工藝在工況一進(jìn)水條件下的出水水質(zhì)最優(yōu)，且裝置一的運行效果優(yōu)于裝置二，COD、氨氮、總氮的出水平均濃度分別為20.2，0. 5 和9 mg/L，平均去除率分別為91. 93%，97.10%和64.27%。

2.4 HRT 對總氮去除效果的影響

2 套裝置對總氮的去除效果存在差異，當(dāng)水力停留時間逐漸減小時，總氮去除率呈直線下降的趨勢，且裝置一對總氮的去除率略高于裝置二。當(dāng)HRT 為6.55 h 時，裝置一的出水總氮最低，平均去除率達(dá)到64.27%，平均出水濃度為9 mg/L。HRT減少到4.91 h 后，平均出水總氮為16.6 mg/L，平均去除率為54.10%;HRT 為3.93 h，平均出水總氮升至27.8 mg/L，平均去除率僅為23.61%，出水遠(yuǎn)未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 水力停留時間對總氮去除效果的影響Fig.6 Influence of hydraulic retention time on removal effect of total nitrogen

總氮的去除依靠同步硝化反硝化過程和缺氧段的反硝化過程。當(dāng)系統(tǒng)的水力負(fù)荷隨水體停留時間的減少而逐漸增大時，裝置內(nèi)水流的水力沖刷作用有所增強(qiáng)，生物膜的附著性變差，缺氧段生物膜分泌物質(zhì)的粘性作用不足以抵抗水流的沖刷。這會加快生物膜上微生物的脫落，使反硝化菌隨著水流的沖刷嚴(yán)重流失［10］，反硝化脫氮的效果減弱，對總氮的去除效果變差。同時隨著水力負(fù)荷的增大，好氧段微生物對氨氮的轉(zhuǎn)化能力減弱，反硝化過程受到制約，也降低了對總氮的去除效果。

2.5 最優(yōu)工況下的氮素變化

分析多點進(jìn)水條件下，多級生物接觸氧化工藝對COD、氨氮和總氮的去除效果，結(jié)果表明:當(dāng)進(jìn)水流量為120 L/h、進(jìn)水位置和比例為O1 ∶A1 =4 ∶1、水力停留時間為6.55 h 時的出水水質(zhì)最好。因此，根據(jù)該工況下裝置一的氮素變化來探究總氮的去除機(jī)理，如圖7 所示。

因為缺氧段A1、A2 對氮素的變化情況相同，因此將A2 段出水作為分析指標(biāo)。總氮與氨氮的進(jìn)水平均濃度相差較大，說明原水中的含氮有機(jī)物較高。總氮在多級生物接觸氧化池中各段均呈現(xiàn)下降的趨勢，且下降幅度相近。氨氮在進(jìn)水階段較高，經(jīng)過好氧段后濃度降低，缺氧段A1 進(jìn)入原水后，氨氮大幅度提高，出水滿足排放要求。硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的進(jìn)水濃度幾乎為零，好氧段O1 之后均有所提升，經(jīng)缺氧段后逐漸下降，在末端O2 段有所提升，但幅度較小。

圖7 最優(yōu)工況下氮素的變化Fig.7 Variety of nitrogen under optimal conditions

進(jìn)水中的總氮和氨氮較高，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮較低，經(jīng)好氧段O1 后總氮和氨氮都明顯降低且氨氮的降幅較大，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮均有所升高。這主要是因為氨氮在O1 段硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮［11］，含量較進(jìn)水大幅度降低，而硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮有所增加。經(jīng)過O1 段后總氮有所減少，這說明在O1 段內(nèi)有反硝化作用發(fā)生，該段內(nèi)的微生物可以通過水中有機(jī)物質(zhì)的獲取來供給自身進(jìn)行增殖。同時，隨著生物膜逐漸增厚，水中的溶解氧很難穿透膜表層進(jìn)入內(nèi)部，填料內(nèi)部火山巖上生長的微生物處于缺氧環(huán)境，生物膜內(nèi)外形成足夠的缺氧區(qū)和好氧區(qū)，同步硝化反硝化作用得以進(jìn)行，對總氮取得了一定的去除效果。

當(dāng)污水經(jīng)好氧段O1 流入缺氧段A1 的同時，部分原水進(jìn)入A1 段，由于原水中的氨氮和總氮較高，直接進(jìn)入A1 段時提高了缺氧段兩者的出水濃度。然而缺氧段的反硝化菌可利用原水中的有機(jī)物，將好氧段提供的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮還原為氮氣，降低了總氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度，所以在A2 段出水中很難檢測到硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。總氮在缺氧段呈現(xiàn)下降的趨勢，表明缺氧段的反硝化作用強(qiáng)于進(jìn)水和O1 段出水濃度的混合提高，因此總氮的去除效果較為明顯。污水流出O2 段時，氨氮在好氧的條件下得到轉(zhuǎn)化，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度均有所提高;總氮濃度的降低也表明了O2 段內(nèi)同步硝化反硝化過程依然存在，因此系統(tǒng)對總氮有著較好的去除效果，出水總氮和氨氮均可達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

① 多點進(jìn)水的多級生物接觸氧化條件下，進(jìn)水位置及比例對污染物去除效果具有顯著影響。進(jìn) 好，-N、COD 和TN 的平均濃度分別為0.5，20.2 和9 mg/L，平均去除率為97.10%、91.93%和64.27%，出水水質(zhì)達(dá)到市地標(biāo)一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

② 多級生物接觸氧化工藝好氧段內(nèi)存在同步硝化反硝化過程，可實現(xiàn)脫氮效能。采用多點進(jìn)水方式，可充分利用進(jìn)水中的有機(jī)物，實現(xiàn)節(jié)能減耗的目的。水位置和比例為O1 ∶A1 =4 ∶1 時的出水水質(zhì)最