叶翠红+申慧彦

摘要：为解决传统工艺脱氮效率低的问题，采用分段进水 A/O 工艺对脱氮效果进行了试验研究，在两段缺氧-好氧交替运行方式下，分析了序批式活性污泥反应器（SBR）系统在C/N不同的条件下，主要污染物的去除效果和生物脱氮性能。结果表明：在C/N分别为5、6.5、8时，系统对COD、NH3-N和TN的去除率最高可以达到90.52%、98.49%和83.77%。

关键词：两段A/O工艺；不同C/N； 生物脱氮

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0012-03

1 引言

随着科技的快速发展，人民生活水平有了很大的提高，用水量也在急剧增加。近年来，为防止水体富营养化和环境污染，国家提高了污水中氮的排放标准。就去除氮、节约成本和能源而言，相比物理化学处理，生物方法处理城市污水吸引了大量学者来进行研究。各种污水生物脱氮处理工艺迅速发展起来，且得到了广泛的应用，例如A2/O工艺、A/O工艺、UCT工艺等。国内外的工艺试验研究和工程应用结果表明，分段进水生物脱氮工艺具有脱氮效果好、处理效率高、所需池容小、运行费用省、运行管理方便等优点[1，2]，具有很好的发展前景，适用于各种规模污水处理厂的改造和新厂建设。然而，工程实际应用中反应器段数多采用2～4 段[3]，这是因为系统运行的稳定性、脱氮效率与反应器段数有着密切联系，脱氮效率会随着反应器段数的增多而增加， 因此系统越稳定， 但是工艺设计与运行也会随之变复杂。所以本研究采用的是两段进水A/O处理工艺。

2 材料与方法

2.1 装置

采用序批式活性污泥反应器（SBR），材料为有机玻璃，高40 cm，直径16 cm，总有效容积为4 L，反应装置如图1所示。在反应器侧壁上设置一排间距10 cm 的取样口，用以取样和排水。安装搅拌器用以提供充分的泥水混合，反应器底部采用黏沙曝气头曝气，用转子流量计调节曝气量，维持反应器中溶解氧（DO）在2～3 mg/L。

2.2 接种污泥与水质

SBR的接种污泥取自实验室已经培养好的具有硝化反硝化能力的污泥。

实验采用人工配水，常量元素（mg/L）：MgSO4·7H2O 108，CaCl2·2H2O 17.2，NH4Cl 92， KH2PO4 10.4，K2HPO4·3H2O 17.6；微量元素（ug/L）：FeCl3·6H2O 1.8，CuSO4·5H2O 0.036，H3BO3 0.18，KI 0.216，Na2MoO4·2H2O 0.072，ZnSO4·7H2O 0.144，MnCl2·4H2O 0.144，CoCl2·6H2O 0.18，EDTA 12；COD浓缩液（用C2H3O2Na配制而成）（g/L） ；NH4HCO3溶液（g/L）：87.8。进水C/N根据实验进行调整。

2.3 样品收集与分析方法

实验中对此两段A/O工艺的各级反应段的节点进行取样，再进行各指标测定与分析。 每个典型周期取样间隔为：0 min、1 h、2 h、1 h、2 h、30 min；上清液中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和COD的浓度测定均参照《水和废水监测分析方法》[4]。氨氮（NH3-N）含量：纳氏试剂分光光度法；亚硝酸盐氮（NO-2-N）含量：N-（1- 萘基）- 乙二胺分光光度法；硝酸盐氮（NO-3-N）：紫外分光光度法；COD：重铬酸钾法。DO值：便携式DO仪；MLSS采用标准重量法测定。

2.4 试验方案

试验过程中，将反应器中的MLSS维持在3000～3500 mg/L，每天运行3个周期，每个周期运行时间为480 min，其中进水5 min（进水量为1 L），搅拌1 h，曝气2 h，搅拌1 h（搅拌开始同时进水5 min），曝气2 h，沉淀30 min，排水5 min，闲置80 min。SBR的排水比设置为50%，从而反应器的水力停留时间（HRT）为16 h。试验分3个阶段进行，各阶段的C/N比、运行天数等如下表1所示。

3 结果与分析

3.1 不同C/N比对硝化效果的影响

由图2可知，实验结果表明，系统中硝化产物大部分是NO-3-N，NO-2-N积累得很少。出水NH3-N浓度为0.5～6.8 mg/L，其去除率保持在78.75～98.49%，由此可知NH3-N的去除率受进水C/N比的影响较小。

不同C/N比條件下各段好氧区对NH3-N的去除率，结果如表2所示。缺氧条件下，碳源会被反硝化菌利用；曝气阶段，反应器处于好氧环境，这时反应器会保持低的营养状态，COD浓度相对较低，反硝化菌活性由于缺乏碳源而受到抑制[5]。硝化菌是化能自养菌，在好氧区中可以进行硝化作用，相对于异养型细菌，硝化细菌处于优势，使得NH3-N得以转化。

3.2 不同C/N比对反硝化效果的影响

在缺氧状态下，异养型的反硝化菌可利用有机物作为电子供体来进行反硝化反应，将硝态氮还原为气态氮N2，从而达到脱氮的目的。这会使得反应器后各段缺氧区NO3-N浓度低于好氧区NO3-N浓度，如图3a所示。另外，进水TN为NH3-N，出水TN主要为NO3-N，这说明系统的硝化反应进行得比较完全，而反硝化效果不好。随着C/N的增加，整个系统的反硝化效果逐渐增强。

TN的去除主要是通过硝化和反硝化实现的，而反硝化作用是氮得以去除的主要途径。如 图3b所示，当逐渐提高C/N时，出水TN浓度也会有所降低，从而使得TN去除率随之升高。邱慎初等[3]在分段进水的生物除磷脱氮工艺一文中提到的美国纽约市水污染控制厂，采用该工艺得到的出水情况与本试验结果相一致。当C/N为5时，反应器去除TN的效率为43.33%，出水TN为18.7 mg/L；当C/N为6.5时，TN去除率提高到72.65%，出水TN为9.3 mg/L达到国家一级A标准；当C/N进一步提高，TN去除率是有限的，当C/N为8时，出水TN浓度为5.6 mg/L，TN去除率上升到83.77%。由此可知，尽管反应器里所构成的微生物的特殊环境对生物脱氮是有利的，但当C/N较低时，由于碳源不足，导致反硝化过程不完全，因此对TN的去除效果相对较低。

同时，由图3b可以看出，好氧区中发生了一定的氮损失现象，因为在C/N为6.5、8时，好氧区中氨氮的减少量大于硝酸盐氮的增加量，TN在好氧区中出现0.7～2.9 mg/L的减少，分析原因可能是：好氧区通过微生物的代谢对TN有少量的去除，可能是发生了同化现象或者是同步硝化反硝化（SND）现象。近年来研究表明控制较低的DO浓度有利于SND的发生，能够大大提高处理效果，且可以减少池容[6，7]。因此，要使得脱氮效果更好，可以在脱氮过程中保证好在满足硝化反应的条件下，尽量减少曝气量，从而促进好氧反硝化现象的出现。由图2～4可知，在不同C/N下，出水中TN的主要组成成分为NO3-N，而且随着C/N的增加，就会有更多的碳源能够用于反硝化脱氮，这会使得反应器中的泥水混合液中的NO3-N得到去除，因此导致出水中的NO3-N有所降低，从而TN也会相应下降。

3.3 进水C/N对去除COD效果的影响

由图4可以看出，COD的去除主要在各段的缺氧区发生，这主要是由于反硝化过程和释磷作用消耗了较多的进水有机物[8]。在缺氧条件下，异养型的反硝化菌利用有机物作为电子供体进行反硝化反应，使得有机物得以去除。在此两段A/O工艺中，进水在每段的缺氧区中，会为系统反硝化提供碳源，此时大部分易降解的有机物多被利用，这主要是用于反硝化前-好氧段内产生的硝态氮，之后污水在曝气条件下会进行硝化反应。缺氧区中的剩余的碳源会在好氧条件下发生同步硝化反硝化或者碳化现象，这会使得原水中的有机物得以充分利用。若反硝化后期系统内仍有碳源剩余，这时聚磷菌便会利用这部分碳源进行厌氧放磷[9]。当进水C/N分别为5、6.5、8时，进水COD浓度为165.16～263.75 mg/L，出水COD浓度为24.8～28.30 mg/L，系统去除率稳定在83.63～90.52%，出水COD浓度能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准，可见系统具有较强的抗冲击负荷能力和去除有机物的能力，且系统中的有机物去除率高且稳定。

4 结论

本研究采用两段进水A/O工艺分析了在C/N不同时，序批式活性污泥反应器（SBR）对主要污染物的去除效果和生物脱氮性能，结论如下。

（1）进水C/N为5～8时，两段A/O系统对COD和NH3-N去除效果稳定，对TN的去除率高达83.77%，随着进水C/N的逐渐增加，系统的生物脱氮效果更好，COD、NH3-N、TN出水都能达到一级A标准。

（2）系统两段的缺氧段会将进入反应器的碳源降解充分，且反硝化效果会随C/N的增大而相应的有所增加。 随着C/N的增加，整个系统的硝化和反硝化效果逐渐增强，出水TN浓度相应会有所降低，从而使得TN去除率随之升高。好氧区中发生了一定的氮损失现象，要使得脱氮效果更好，可以在脱氮过程中保证好在满足硝化反应的条件下，尽量减少曝气量，从而促进好氧反硝化现象的出现。

参考文献：

[1]Cao Guihua，Wang Shuying，Peng Yongzhen，et al.Biological nutrient removal by applying modified four step feed technology to treat weak wastewater[J].Bioresour Technol，2013（128）：604～611.

[2]Ge Shijian，Zhu Yunpeng，Wang Shuying，et al.Enhanced nutrient removal in a modified step feed process treating municipal wastewater with different inflow distribution ratios and nutrient ratios[J].Bioresour Technol，2010（101）：9012～9019.

[3]邱慎初，丁堂堂.分段进水的生物除磷脱氮工艺[J].中国给水排水， 2003 ，19 （4）： 32～36 .

[4]魏复盛.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出社，2002：200～246.

[5]Michaud L ，Blancheton J P ，Bruni V. Effect of particulate organic carbon on heterotrophic bacterial populations and nitrification efficiency in biological filters[J]. Aquacultural Engineering ，2006 ，34 （3）： 224～233

[6]Beril S A ，Aysenur U. The effect of an anoxic zone on biological phosphorus removal by a sequential batch reactor[J]. Bioresource Technology.2004 ，94 （1）： 1～7

[7]Third K A ，Burnett N ，Cord-Ruwisch R. Simultaneous nitrification and denitrification using stored substrate （PHB） as the electron donor in an SBR[J]. Biotechnol Bioeng ，2003 ，83 （6）： 706～720

[8]葛士建，彭永臻，張 亮，等. 改良UCT 分段进水脱氮除磷工艺性能及物料平衡[J]. 化工学报，2010，61 （4） ：1009～1017.

[9]Pochana K ， Keller J. Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification （SND）[J]. Water Sci Technol ，1999，39（6）： 61～68.