基于组合工艺对碳源的物料衡算

夏姣　李冬冬

摘要：为解决污水处理过程中的碳源不足问题，提出了生物絮凝吸附-水解酸化-前置反硝化曝气生物滤池组合工艺，研究了该组合工艺处理生活污水有机物去除的情况，建立了该组合系统处理过程碳源（以化学需氧量计，COD）的物料衡算公式。研究结果表明：该组合工艺的COD去除率为89%，去除效果比较明显；生物絮凝吸附部分COD 的物料衡算公式平衡百分比为100%，其中COD主要靠被吸附氧化和出水来排出系统，分别占进水的49.42%和43.83%；前置反硝化曝气生物滤池部分COD 的物料衡算公式平衡百分比为92.76%，其中COD的去除主要是通过DN BAF池反硝化消耗和C/N BAF池中氧化以及其他作用来完成的，分别占进水COD的30.92%和44.17%。该研究有助于更好地了解系统碳源的去向，解释其去除原理。

关键词：组合工艺；碳源；物料衡算

中图分类号：X703.1

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10002804

1 引言

我国污水处理普遍存在着低碳氮比的问题，碳源量不足将会导致污水处理过程中的脱氮反应得不到彻底地进行，进而影响出水水质[1]。针对碳源不足这一问题，目前采用较多的是外加碳源（通常向工艺中加入乙酸钠等）。此举虽然解决了碳源不足的问题但是同时也增加了污水处理的成本。也有些学者尝试寻找一些别的有机物作为外加碳源，比如啤酒废水等[2]，这些新碳源投入污水厂的生产工艺中能够提高污水处理效率，但是废水运输等问题又接踵而至。还有些学者利用污水处理过程中产生的污泥，代替乙酸钠等成为一种新的既经济且有效的碳源，而且这个做法使得污水厂的污泥处理量降低，也能够减少污泥处理成本。这类工艺的研究也越来越受到研究人员的关注。

生物絮凝吸附法是目前研究较多的一级处理技术方法之一，它依赖于微生物的絮凝和吸附以去除有机物质，并且存在少量的微生物代谢以去除有机物质。在一定的工况条件下，生物絮凝吸附过程中的悬浮固体和化学需氧量（COD）的平均去除率高于80%，因此大量的有机物被絮凝污泥吸附到沉淀池中[3]。生物絮凝吸附污泥中含有大量有机物，且容易进行厌氧水解酸化反应。水解酸化反应是将有机物从大分子转化成小分子的一种手段[4]。生物絮凝污泥在适宜条件下进行水解酸化反应产生挥发性脂肪酸（VFAs）等产物，可以当作生物脱氮过程中所需的碳源，解决碳源不足的问题。曝气生物滤池（Biological Aerated Filter）具有水力停留时间短、水力负荷大、基建投资少、能耗及运行成本低、出水水质好、易于运行管理等特点[5，6]，在实际工程中运用非常广泛。

研究采用生物絮凝吸附、水解酸化和前置反硝化曝气生物滤池组合系统，原水首先进入生物絮凝吸附工艺，悬浮物和胶体被吸附，絮凝污泥水解酸化后的水解酸化液与生物絮凝出水一同进入前置反硝化曝气生物滤池进行深度处理，考察其有机物去除效果。此外分别对生物絮凝吸附工艺和前置反硝化曝气生物滤池的碳源进行物料衡算，得知碳源的去向，为数学模型的建立提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验用水

試验采用某校园生活污水为原水，生物絮凝吸附工艺的出水作为前置反硝化曝气生物滤池的进水，其主要水质指标如表1所示。

2.2 絮凝污泥及碳源性质

取自生物絮凝吸附工艺沉淀池内的絮凝污泥，其污泥特征见表2。将絮凝污泥放入水解酸化装置后进行水解酸化，所得水解酸化液经离心后的上清液作为碳源，碳源性质如表3所示。

2.3 试验装置和运行程序

试验装置如图1所示。采用的是一组合式系统，包括絮凝吸附工艺、水解酸化工艺和前置反硝化曝气生物滤池系统。

生物絮凝吸附工艺主要含有生物絮凝池、沉淀池、活化再生池以及过程中所需要的泵。此工艺的主要作用是去除污水中的颗粒态悬浮物以及胶体等有机物。校园生活污水经过计量泵使进水量以100 L/h的流量进入生物絮凝吸附池，沉淀池的部分污泥回流至活化再生池后为活化污泥在重力的作用也一起进入生物絮凝

吸附池，两者在曝气、搅拌的作用下充分混合并保持30 min。经过絮凝吸附作用后，在沉淀池里沉淀1.5 h后，固液分离后的上清液流向下一反应装置进行深度处理，而沉淀池内沉淀的污泥在污泥回流泵（计量泵）的作用下回流至活化再生池内进行曝气，维持2 h以能够恢复污泥的活性，被活化后的污泥再次进入生物絮凝池，增加反应的污泥浓度，而剩余污泥排出，该试验取其进入水解酸化池来进行厌氧发酵。

水解酸化工艺主要由水解酸化池构成，水解酸化池采用圆柱形，它的容积为55 L，具体尺寸为直径D=34 cm、高h=60 cm，反应器顶部用同型号的有机玻璃盖密封。

前置反硝化曝气生物滤池系统包括两个曝气生物滤池滤柱，DN BAF在前，为一级曝气生物滤池，是上流式进水，进水流量是50 L/h，没有曝气使滤柱保持厌氧状态；C/N BAF在后，为二级曝气生物滤池，是下流式进水，气水比保持为3∶1。生物絮凝的出水首先从底部泵入DN BAF中，然后再通过重力作用流进入C/N BAF内，硝化液则回流到DN BAF内，每个滤柱的一侧根据滤料的高度每300 mm设一个取样口。

2.4 分析项目与方法

该试验检测的污泥指标主要有混合液悬浮固体浓度（MLSS，重量法），污水指标主要有化学需氧量（COD，重铬酸钾密闭消解法）、氨氮（NH+4-N，纳氏试剂分光光度计）、总氮（TN，过硫酸钾 紫外分光光度法）、pH（pH计）以及间歇监测溶解氧（溶氧仪快速测定法）等[7]。

3 结果与讨论

3.1 组合系统对COD的去除效果研究

组合系统对COD的去除效果如图2。

在系统稳定运行期间，系统中进水COD的浓度稳定在200～250 mg/L范围内，系统平均进水COD浓度为219.4 mg/L，第一阶段生物絮凝出水后的COD值在85～110 mg/L，系统的平均絮凝出水COD浓度为97.4 mg/L，生物絮凝吸附工艺对进水COD的去除率在53%～58%之间，可见生物絮凝吸附工艺对COD的去除比较稳定。生物絮凝吸附工艺对于COD的去除主要原理是利用工艺中产生的生物絮体来使水中的胶体和悬浮物质失去稳定性，失去稳定后的胶体、悬浮物质、大颗粒有机物等通过吸附作用、网捕作用、氧化作用和吸收作用而被去除。另外会有生物絮体微生物将污水中的溶解性有机物吸附，并且转化成细胞质和存储物质，还有一些溶解性有机物在细胞内代谢、生长和繁殖。总体来说，物化过程在生物絮凝吸附过程中起着主导作用，受外部环境变化的影响比较小，COD的去除效果稳定[8]。

生物絮凝吸附工艺中沉淀池的出水作为后续前置反硝化曝气生物滤池的进水，并在外加碳源的条件下对污水进行深度处理。由于在生物絮凝吸附工艺大部分的有机物被去除，使得滤池发生堵塞现象减少，从而增加了前置反硝化曝气生物滤池的运行周期。前置反硝化曝气生物滤池的出水COD浓度稳定在20～30 mg/L，BAF出水COD浓度的平均值为24.1 mg/L，单独前置反硝化曝气生物滤池工艺对COD的平均去除率为75.23%。生物絮凝吸附工艺沉淀池出水首先进入DN BAF，厌氧环境下通过反硝化菌的作用将污水中的COD部分分解代谢，COD得到部分出除，剩下未被去除的COD进入C/N BAF滤柱能被氧化等作用去除大部分，还有的就是溶解性微生物产物，难以分解，COD也很难再次得到去除[9]。生物絮凝吸附-水解酸化-前置反硝化曝气生物滤池组合工艺对COD的总去除率平均值为89%，处理效果比较理想。

3.2 对生物絮凝吸附工艺的碳源进行物料衡算

进入反应系统的COD从3个方面[10]来排出系统：以出水COD形式排除系统；以排出剩余污泥形式将COD排除系统；被吸附氧化来排除系统。某一稳定运行工况下的各池COD浓度如表4。

如上计算结果可得，生物絮凝吸附工艺中的进水COD质量为22000 mg/h，出水COD质量为9642.6 mg/h，出水COD占进水43.83%；剩余污泥排放的COD质量为97.4 mg/h，占进水COD的0.44%；生物絮凝吸附池中被吸附氧化的COD质量为10871.5 mg/h，占进水的49.42%；活化再生池中被吸附氧化的COD质量为1388.5 mg/h，占进水的6.31%。分析可知，在此系统中，COD主要是靠生物絮凝池的吸附作用和出水来完成的，可见这部分工艺出水COD浓度比较高，对有機物去除不够理想，更加证明了后续深度处理的必要性。所以，此系统的具体碳平衡表示见图3。

3.3 对投加碳源的BAF工艺的碳源进行物料衡算

BAF的进水即为生物絮凝吸附工艺的出水，则BAF进水COD浓度为97.4 mg/L，DN BAF的出水COD浓度为27 mg/L，C/N BAF的出水COD浓度为24.1 mg/L，即为系统的出水。该系统的进水流量为50 L/h，则碳源的流量为0.83 L/h，已知水解酸化液的

COD浓度平均值2350 mg/L。据江洁珊等[11]的研究可知前置反硝化BAF的COD去除途径有3种：同出水一起排出系统的COD；DN BAF池反硝化消耗的COD；C/N BAF池氧化的COD。其中，DN BAF池消耗的COD是利用该池所消耗的硝酸氮来进行计算的，C/N BAF池中氧化的COD质量在计算时同时包括了别的作用去除的COD[12]。

根据以上计算可得，该系统由于投加了水解酸化液，进水COD质量为6820.5 mg/h，其中出水COD质量为1205 mg/h，占进水的17.67%；DN BAF池反硝化所消耗的COD质量为2108.75 mg/h，占进水的30.92%；C/N BAF池去除的COD质量为3012.5 mg/h，占进水的44.17%。所以排除系统的COD质量为6326.25 mg/h，占进水的92.76%，没有得到完全平衡。可以看出，COD的去除主要是通过DN BAF池反硝化消耗和C/N BAF池中氧化以及其它作用，好氧滤柱对COD去除更明显一点。对比未加碳源的前置反硝化BAF中碳的物料衡算[13]，DN池中COD的去除更多一点，说明水解酸化液的投加使反硝化速率增强，耗碳速率增强。任健等[14]的研究说明酸化液的投加会显著提高反硝化菌的反硝化速率，酸化液投加比例越大，容易被反硝化菌利用的有机碳含量越多。所以，C/N中的COD去除占进水的会减弱，但依旧起着主导作用，显而易见，过程中也存在着同步硝化反硝化作用。出水中COD的质量与是否添加碳源影响不大。经过计算，进入前置反硝化BAF的COD量和排出系统的COD量不能完全平衡，可能原因有：①试验中的监测误差；②部分COD可能被滤池中的污泥给吸附了；③计算时可能将水解酸化液中排出的COD量少算。前置反硝化BAF系统的具体碳平衡图如图4。

4 结论

（1）在组合系统对COD进行去除时，稳定运行期间，原水的进水COD平均浓度为219.4 mg/L，经过生物絮凝吸附工艺后，絮凝出水COD浓度为97.4 mg/L，去除率为55%左右。后来絮凝出水进入曝气生物滤池，先后经过DN BAF和C/N BAF，最终出水COD平均浓度为24.1 mg/L，单单曝气生物滤池对COD的去除率为75.23%，组合系统对COD的总去除率约为89%左右。

（2）在对生物絮凝工艺进行碳的物料衡算时，系统的进水COD质量为22000 mg/h，出水COD占进水43.83%；剩余污泥排放的COD质量占进水COD的0.44%； 生物絮凝吸附池中被吸附氧化的COD质量占进水的49.42%；活化再生池中被吸附氧化的COD质量占进水的6.31%。分析可知，在此系统中，COD主要是靠生物絮凝池的吸附作用和出水来完成的，可见这部分工艺出水COD浓度比较高，对有机物去除不够理想，更加证明了后续深度处理的必要性。

（3）该系统由于投加了水解酸化液，进水COD质量为6820.5 mg/h，其中出水COD质量占进水的17.67%；DN BAF池反硝化所消耗的COD质量占进水的30.92%；C/N BAF池去除的COD质量占进水的44.17%。所以排除系统的COD质量为6326.25 mg/h，占进水的92.76%。

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