污水處理廠沉積池中反硝化過程及其反硝化速率分析

鄧茗濂

摘 ?????要： 為考察不同的碳源對缺氧反硝化效率的影響，分析污水處理廠沉積池中反硝化過程的反硝化速率。研究結果表明：反硝化反應分3個階段：第一階段（0～60 min），運用了可快速進行生物降解的碳源;第二階段（60～370 min），已經基本消耗完畢可生物降解的溶解性有機物;第三階段（370～530 min），NO3-N的降解速度繼續減緩。SCOD與COD的濃度的變化規律和NO3-N濃度變化規律相似。反硝化速率各階段反應時間變化與NO3-N濃度呈線性關系，因此根據多段動力學方程得到三階段的反硝化速率。隨著時間的不斷增加，反硝化速率逐漸減小。

關 ?鍵 ?詞：污水處理;沉積池;反硝化;速率

中圖分類號：R123.3 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號：1671-0460（2019）03-0508-04

Abstract： In order to investigate the influence of different carbon sources on the efficiency of anoxic denitrification， the denitrification rate during the denitrification process in the sedimentary pond of sewage treatment plant was analyzed. The results showed that the denitrification reaction was divided into three stages： in the first stage of 0～60 min， the biodegradable carbon source was used quickly; in the second stage of 60 ～ 370 min， dissolved organic matter that can be biodegradable was basically consumed. In the third stage ?of 370 ～ 530 min， the degradation rate of NO3-N continued to slow down. The variation trend of SCOD and COD concentration was similar to that of NO3-N concentration. The change of denitrification rate at each stage was linearly related to NO3-N concentration， so the denitrification rate at three stages was obtained according to the multi-stage kinetic equation. As the time went on， the denitrification rate decreased gradually.

Key words： Sewage treatment; Sedimentation pool; Denitrification; Rate

隨著我國環保事業的發展及國家對水環境污染控制與治理的高度重視。在設計城市污水處理廠時，很多區的構建離不開反硝化速率，例如其生化反應池缺氧區和缺氧選擇池。控制反硝化速率不僅要滿足反硝化工作的持續進行，而且要盡可能降低污水處理廠面積、減少缺氧區池容盡量，還有就是節省建設投資，因此研究污水處理廠沉積池中反硝化過程具有重要的理論意義和研究價值[1-5]。關于污水處理廠沉積池中反硝化過程的研究吸引了國內外很多的研究學者，相關的研究發現，在反硝化效果很大程度上受到碳源形態的影響。COD主要有兩種：一是SCOD，該物質易生物降解的;二是CODSS，該物質緩慢生物降解[6-8]。有人對城市污水中的COD測量時發現， SCOD含量相對較少，占COD質量分數的15%左右[9，10]。該現象說明，在初沉入池進入生物這一過程中，碳源主要增加的是CODSS，在實際生活中，經過很長時間的水解以及酸化后，部分有機物才能得到SCOD，接下來這些降解的有機物才可以被反硝化等微生物吸收[11]。在脫氮除磷時候，顆粒性有機物 CODSS得到了缺氧池的水力停留時間（HRT）所提供的充足酸化以及水解時間，這為有效保證反硝化速率起到了理論鋪墊[12-14]。

為考察不同的碳源對缺氧反硝化效率的影響，針對污水處理廠沉積池中反硝化過程的反硝化速率進行研究，分析污水處理廠沉積池中反硝化過程的反硝化速率，然后從反硝化動力學角度進行系統的分析，進而研究在水環境中顆粒性慢速可生物降解 CODss以及溶解性易生物降解 SCOD對反硝化速率的影響，本文研究成果對提高城市污水處理能力具有一定的實際指導意義。

1 ?試驗部分

1.1 ?碳源與氮源

污水取材選自于某市中心城區的兩座污水處理廠，其市污水BOD5、COD和SS濃度變化規律見圖1所示，市污水NH3-N、TN和TP濃度的變化規律見圖2所示。可以看出選取的此污水水質的波動較大，可見本研究取材具有一定的代表性。

首先對所取的污水進行在進行動態沉淀，其沉淀裝置示意圖見圖3所示。反硝化速率實驗的時候，沉砂池出水SCOD濃度控制在40 mg/L到140 mg/L之間，出水COD控制在210 mg/L到310 mg/L之間。考慮到水源短缺的實際情況，采用投加 KNO3配置氮源方法，為計算初始硝酸鹽氮濃度，用 BOD5/COD 的方式進行預測，然后對于反應器內混合液，控制NO3-N濃度控制在45～50 mg/L范圍。用于對反硝化池的過濾處理參數設置為4 000 r/min，持續2 min。

1.2 ?反硝化試驗裝置

在測定反硝化速率時候，添加間歇性反應裝置，如圖4所示。第一步，并在缺氧環境中進行操作，依次添加反硝化菌、原水以及KNO3，最后瓶口通過橡膠塞進行密封，杜絕與外界的空氣接觸;第二步，為讓水泥持續保持懸浮的狀態，運用轉速為 80r/min的磁力攪拌器進行攪拌;第三步把溶解氧儀放置到反硝化速率測定實驗瓶中進行測定。

1-水箱; 2-進水泵; 3-沉淀住; 4-取水口; 5-排水口; 6-閥門

1.3 ?水質測試

運用快速消解法測定COD濃度變化;運用麝香草酚分光度法進行NO3-N濃度的測定。但CODSS與SCOD缺乏統一的標準去定義來分別兩者，于是考慮水樣分級時運用的過濾技術來區分兩者，即由過濾器孔徑尺寸大小分析可溶性COD和顆粒COD之間的分配關系。因此對于本試驗，研究分析 CODss還有SCOD時，首先對濾膜（0.46μm）進行處理，然后過濾水樣，得到的濾液 COD就是SCOD，COD 減去SCOD剩下的就是CODss。

2 ?結果與分析

2.1 ?反硝化過程中NO3-N的變化

反硝化反應進行時如圖5所示，即觀察反硝化池中NO3-N濃度的變化情況。根據圖1中NO3-N濃度變化趨勢，可以把反硝化過程分為下面這3個階段：

第一階段（0～60 min），反硝化菌選擇電子供體反硝化時，對于能夠快速降解的有機物（混合液SCOD中），由于可快速降解碳源基質有著不一樣的比重，因此所形成的反硝化速率不一樣。根據圖中NO3-N濃度變化趨勢進行分析，NO3-N濃度從最開始的47.10 mg/L，已經降到了39.98 mg/L，且達到了20.6%的去除率，說明對于該階段運用的碳源，能夠很快發生生物降解反應。

第二階段（60～370 min），在進水SCOD中，用于物降解的有機物基本完全消耗。這時NO3-N濃度已經下降到13.91 mg/L，NO3-N濃度下降幅度很少，基本保持不變。根據實驗研究可得，第2階段的反應時間達到了5 h以上，雖然對NO3-N濃度下降趨勢不如前60 min濃度下降的快，但是NO3-N的去除率已經達到了61.9%，從該現象可得，硝態氮的去除反應主要這一階段進行。根據試驗數據可得，在兩個時間段內（110 min到40 min、230 min到260 min），全部出現了NO3-N濃度曲線保持近似直線的狀態，一段時間之后，又恢復了NO3-N濃度曲線下降趨勢。對該現象進行分析，發現反硝化反應進行時，由于CODss（進水中的）發生水解反應，從而在該直線階段，反硝化菌分解有機物具有較快的速度。

第三階段（370～530 min），在CODss中產生大量的可降解有機物，還存在一定量的碳源，此時NO3-N的降解速度繼續減緩。

2.2 ?反硝化過程 COD 及 SCOD 的變化

圖6為反硝化反應中SCOD與COD的濃度的變化規律曲線。在該反應中，反硝化反應的電子供體就是COD，該曲線的變化趨勢和NO3-N濃度變化曲線相似：

過程一，為該反應的初期，時間為反應開始到50 min左右。在該過程內，COD濃度開始發生變化，并且COD 的去除率達到約20%;作為優質的易生物降解的有機物，SCOD碳源濃度降低幅度很大，從 67.28 mg/L迅速降到20.86 mg/L。

過程二，為該反應的中期，時間大約是從50 min到400 min左右。COD的降解速度開始減慢，COD濃度從 188.04 mg/L降到了62.36 mg/L。在第二過程中，COD的去除率達到了56%，該現象表明，去除反應主要這一階段進行，該特征與NO3-N的去除特征類似。

過程三，400 min之后，屬于反硝化末期。COD幅度很小，近似成為一條直線。

2.3 ?反硝化速率

根據異養型微生物事先的反硝化反應，在無氧的環境中，對有機物進行選擇處理，讓其作為電子供體還有碳源，并且選擇處理后化合態氧（硝酸鹽里的）作為電子受體。最后利用反硝化菌，得到還原后的含氮的單質、化合物或者氧化物。因此進行反硝化速率實驗時，分析NO3-N濃度的變化情況（混合液中），進而得到了NO3-N濃度關于時間的變化曲線圖，根據混合液 MLVSS濃度以及曲線的斜率 r，就能求出該反硝化反應的速率。根據曲線得到三個時間階段，且各階段反應 時間變化與NO3-N濃度呈線性關系，因此根據多段動力學方程得到三過程的反硝化速率。

反硝化速率用RD來表示;生物濃度用Xv來表示;比反硝化速率用VD來表示，從而得到比反硝化速率公式：

分析表可得，隨著時間的不斷增加，比反硝化與反硝化速率逐漸減小。根據分析發現，與SCOD相比，發現CODSS的反硝化速率降低，達到45%左右。對整個反硝化階段進行研究分析時，用平均比反硝化速率來表示綜合速率。根據數據進行得出，沉砂池出水進行反硝化反應中，反應時間達到8.8 h左右的時候，平均比反硝化速率達到3.66 mg NO3-N/（g·h），并且NO3-N的去除率達到83%（最大值）。

3 ?結 論

（1）反硝化反應分3個階段：第一階段（0～60 min），該階段運用了可快速進行生物降解的碳源;第二階段（60～370 min），用于物降解的有機物基本完全消耗;第三階段（370～530 min），該階段的NO3-N的降解速度繼續減緩。SCOD與 COD 的濃度的變化規律曲線的變化趨勢和NO3-N濃度變化曲線相似。

（2）反硝化速率各階段反應時間變化與NO3-N濃度呈線性關系，因此根據多段動力學方程得到三階段的反硝化速率。隨著時間的不斷增加，比反硝化與反硝化速率逐漸減小。

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