改良UCT工藝處理高氨氮生活污水的實驗研究

賈軍峰，吳俊奇，王真杰，劉書敏，孫鵬展

(1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2.住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心，北京 100835；3.倍適科技有限公司，北京 100124)

污水中氮磷含量增加是引起水體富營養化的主要原因，隨著人們生活水平提高和生活習慣改變，高氨氮、低碳氮比生活污水普遍存在[1]。高氨氮生活污水對微生物的生長有抑制作用，很難進行生物處理，必須增加回流比來稀釋原污水[2]。生活污水中C/N低會影響總氮和磷的去除。所以，一般活性污泥法處理高氨氮污水有一定困難[3]。

高氨氮生活污水對活性污泥有很大沖擊。一方面，使原生或后生動物不能適應高氨氮環境，形成胞囊，從而活性降低；另一方面，硝化反應中溶解氧不足，導致脫氮效果不好[4]。通過對UCT工藝進行改進，系統具有較高的總氮、氨氮和COD去除率。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

生活污水，取自某大學家屬樓生活污水排污口，水質見表1；葡萄糖、堿性過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸鹽、酒石酸鉀鈉、納氏試劑均為分析純。

表1 進水水質

TU-1810型紫外可見分光光度計；BOXUN立式壓力蒸汽滅菌器；CM-05型COD多參數水質測定儀(與之配套藥劑有COD耗材1號和COD試劑2號)；WTW Multi3630溶解氧測定儀；Milwaukee pH56筆式酸度計。

1.2 實驗方法

采用改良的UCT工藝處理高氨氮生活污水，裝置分厭氧區、缺氧區、好氧區和沉淀區共4個區，工藝流程示意見圖1。其中r1回流為缺氧區至厭氧區，r2回流為好氧區至缺氧區，r3回流為沉淀區至缺氧區，r4回流為缺氧區內循環，r5回流為沉淀區至缺氧區，碳源投加點在缺氧區首端。

圖1 工藝流程示意圖

實驗期間白天對進、出水取3次，間隔4 h取樣1次，混合后作為待測平均水樣。實驗測定項目及分析方法見表2。

表2 實驗測定項目及分析方法

2 結果與討論

2.1 總氮去除效果

2.1.1 回流比對出水總氮的影響 回流比的調整分為七個工況，不同工況回流比對進出水總氮的影響見圖2。

圖2 不同工況進、出水總氮隨時間變化曲線

氮主要是在好氧區氨氮轉化為硝酸鹽氮和在缺氧區硝酸鹽氮轉化為氮氣而去除，回流比是污水處理過程中一個重要的參數[5]。由圖2可知，第一工況(1～5 d)，沉淀區至缺氧區污泥回流100%，硝化液回流100%，缺氧區至厭氧區回流100%，出水總氮平均值37.93 mg/L。第二工況(6～11 d)增加缺氧區內循環，回流比為100%，出水總氮平均值31.98 mg/L，缺氧區內循環的增加提高了系統的反硝化效果。第三工況(12～15 d)加大沉淀區至缺氧區污泥回流至200%，出水總氮平均值為22.18 mg/L，使沉淀區更多的硝酸鹽氮進入到缺氧區，增大了缺氧區反硝化的潛力。第四工況(16～21 d)取消缺氧區內循環，反硝化反應減弱，出水總氮平均值為25.70 mg/L。第五工況(22～25 d)增大硝化液回流至200%，硝化液回流的加大，更多的硝酸鹽氮進入缺氧區，通過反硝化反應轉化為氮氣，總氮去除效果提高，平均值為21.65 mg/L。第六工況(26～35 d)污泥回流降為50%，出水總氮平均值28.58 mg/L。故第七工況從第36 d起回流比調整如下：沉淀區至缺氧區污泥回流200%，硝化液回流200%，缺氧區至厭氧區回流100%，出水總氮平均值21.05 mg/L。可見不同回流比對出水總氮有很大的影響。

回流比的增加使進水氨氮稀釋增加，系統各區的氨氮濃度降低，在好氧區對硝化細菌的抑制減弱，進而硝化細菌大量繁殖，隨著系統的運行逐漸達到低氨氮的穩態環境。

2.1.2 碳源投加量對出水總氮的影響 由于進水COD平均值為220 mg/L，進水總氮平均值為95 mg/L，C/N≈2.3∶1，C/N嚴重不足，僅依靠自身碳源不能使系統有較好的脫氮效果。反硝化菌屬異養型兼性厭氧菌，碳源的種類和C/N是生物脫氮除磷重要因素[6]。碳源對于反硝化過程起著重要作用。本實驗選用碳源為葡萄糖，葡萄糖投加分六個工況，碳源投加量對出水總氮的影響見圖3。

圖3 葡萄糖不同投加量的進出水總氮隨時間變化曲線

由圖3可知，系統運行穩定后，未投加碳源時，出水總氮平均值為37.58 mg/L，此工況進行反硝化主要靠內碳源反硝化(PHAs)，由于反硝化效率較低、速率慢，從而脫氮效率不可能很高。第一工況(1～5 d)在缺氧區投加葡萄糖，C/N為3∶1，出水總氮平均值為32.41 mg/L，第二工況(6～11 d)，C/N為4.5∶1，出水總氮平均值為22.12 mg/L，碳源增加給反硝化細菌提供了營養，反硝化細菌利用碳源進行反硝化反應，出水總氮降低。第三工況(12～29 d)C/N為4∶1，出水總氮平均值為25.69 mg/L，第四工況(30～35 d)C/N為3.5∶1，出水總氮平均值為30.58 mg/L，可見系統脫氮效果受碳源影響很大，投加碳源的多少對總氮的去除有很大的影響。第五工況(36～42 d)恢復C/N為4.5∶1，出水總氮下降，隨著系統運行出水總氮平均值為20.23 mg/L，此工況進行異養反硝化的外碳源較多，反硝化速率較快，進而脫氮效率提升。第六工況(43～65 d)C/N保持4.5∶1不變，通過調節回流比、增加沉淀區至好氧區回流等措施，出水總氮平均值為12.02 mg/L。

在不改變工況條件下，系統的脫氮效果難以進一步提高。可能原因是：①高濃度氨氮經硝化后轉化為大量的硝酸鹽氮，通過硝化液回流至缺氧區，高DO濃度破壞了缺氧環境，給缺氧區造成了較大的壓力，反硝化細菌在不利環境中難于生存，數量減少，從而影響了反硝化作用，導致系統脫氮效率較低。同樣污泥回流中DO濃度對缺氧區也產生一定影響；②實驗進水COD平均值220 mg/L，進水總氮平均值 95 mg/L，C/N≈2.3∶1，可見碳源不足，僅靠自身碳源脫氮效果難以進一步提高。為了使出水總氮達標，通過上述六個工況的調整，出水總氮平均值為12.02 mg/L，出水總氮保持在15 mg/L以下，在第57 d和第59 d出水總氮分別為9.21 mg/L和 7.35 mg/L。

2.2 氨氮去除效果

氨氮的去除與好氧區DO濃度有很大關系，本實驗通過調節曝氣量，改變好氧區的DO濃度，共有六個工況。進出水氨氮含量隨時間變化曲線見圖4。

由圖4可知，污泥培養時期，出水氨氮濃度較高，去除率偏低。這是因為進水氨氮濃度過高，好氧區的硝化細菌還沒有培養成熟，數量也少，硝化效果不明顯。隨著污泥培養的進行，系統逐漸達到穩定。第一工況(1～9 d)出水氨氮濃度雖然很低，氨氮平均值為0.91 mg/L。為了保持滿足好氧區的硝化效果，系統DO濃度為4.25 mg/L。高DO含量使好氧區的污泥發黃、松散，出水硝氮含量很高，導致污水進入沉淀區后發生反硝化反應，大量污泥上浮，污泥流失嚴重，使污泥處于輕度膨脹狀態，污泥濃度下降，且出水SS和COD含量上升。

為解決沉淀區污泥上浮問題，第二工況(10～15 d)的DO平均濃度為3.10 mg/L，污泥上浮問題有很大緩解，污泥顏色變深，氨氮出水平均值2.25 mg/L。第三工況(16～21 d)、第四工況(22～27 d)和第五工況(28～33 d)DO平均濃度分別為2.21，1.48，1.02 mg/L，隨著DO濃度的降低，氨氮出水濃度逐漸升高，第31 d出水氨氮濃度最高，可達7.38 mg/L，未達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》國家一級A排放標準。第六工況從第34 d起DO濃度維持在1.40～1.50 mg/L，隨著系統的運行，出水氨氮含量保持在1.50 mg/L以下。

雖然高DO濃度能明顯提高系統的硝化效果，但是DO濃度不能過大，否則不經濟。同時，高DO濃度會使好氧區的污泥發黃、松散，造成沉淀區污泥上浮和污泥膨脹現象。此外，高DO濃度下硝化液回流也會對缺氧區反硝化和裝置除磷效果有影響。所以系統運行工況DO濃度保持在1.40～1.50 mg/L 左右。

2.3 COD去除效果

進、出水COD濃度隨時間變化曲線見圖5。

圖5 進、出水COD濃度隨時間變化曲線

由圖5可知，第1～3 d運行初期系統還沒穩定，微生物沒有培養成熟，數量也較少，出水第2 d的COD達到65 mg/L。隨著系統的逐步穩定，第 7 d 起系統出水COD穩定在20～40 mg/L之間，可達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》國家一級A排放標準，可見接種污泥的數量對于COD的去除有很大關系。在裝置運行工況，出水COD值常常高于好氧區末端的COD值，原因是系統一直保持較高的DO濃度，污泥過氧化較嚴重，好氧區出現大量泡沫，影響沉淀效果，導致出水COD濃度偏高。在穩定運行工況下，通過對好氧區微生物的觀察，好氧區有大量輪蟲出現，可見出水水質良好。

3 結論

(1)回流比對出水總氮有顯著影響。在r1回流為100%，r2回流為100%，r3回流為100%時，增加r4回流為100%，出水總氮平均值由37.93 mg/L降為31.98 mg/L；增大r3回流至200%，出水總氮平均值為22.18 mg/L；r2回流由100%增大為200%，出水總氮平均值由25.70 mg/L降為21.65 mg/L。

(2)碳源投加量能提高出水總氮的去除。通過投加葡萄糖使C/N由2.3∶1變為4.5∶1時，出水總氮平均值由37.58 mg/L降低為20.23 mg/L，基本達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 國家一級B排放標準。

(3)較高DO濃度能明顯提高氨氮的轉化，硝化效果好。但過高DO濃度的硝化液回流會破壞缺氧區環境，降低系統脫氮效率。過高DO濃度也會導致污泥過氧化嚴重，好氧區出現大量泡沫，影響沉淀效果，出水COD濃度升高，出現COD出水值常高于好氧區末端COD值。系統穩定運行時DO濃度維持在1.40～1.50 mg/L之間。

(4)通過對改良UCT工藝的小型生活污水實驗裝置運行監測，在進水總氮含量在80～125 mg/L下，總氮出水平均值12.02 mg/L，出水氨氮小于1.5 mg/L，COD出水穩定在20～40 mg/L，可達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》國家一級A排放標準。