硝化液回流比对缺氧-生物转盘工艺脱氮效果的影响

2018-01-23吕锡武

净水技术 2018年1期

马骏，查晓，吕锡武

（1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2.东南大学无锡分校无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000）

分散式生活污水规模小、水量变化系数大，成分复杂但有机物浓度偏低，常规城镇集中式污水处理技术并不能满足其处理要求。与此同时，单一的物化、生物或生态处理方法亦具有各自的局限性。单一的物化处理技术运行成本较高，且对氮的处理效率较低、能力有限；生物技术无法有效解决分散式生活污水普遍富营养化的问题；生态技术占地面积大且处理效率相对较低。因此我国分散式生活污水多采用组合工艺进行处理，主要分为：“厌氧＋生态”、“好氧＋生态”、“厌氧＋好氧”、“厌氧＋好氧＋生态”，4种主要类型。其中考虑到活性污泥法运行成本高，且存在污泥膨胀问题，在农村地区好氧生物处理技术部分多采用更易维护管理的生物膜法，主要包括接触氧化和生物滤池两大类［1-4］。

本文从农村生活污水水质、水量特征出发，结合居民生活方式、经济水平考虑，提出了“厌氧＋缺氧＋好氧＋人工湿地”的生物生态组合工艺对农村生活污水进行处理［5］。厌氧部分将大分子有机物转化为小分子有机物，去除部分有机物；缺氧部分混合好氧池回流液，实现反硝化脱氮与脱臭；好氧部分在实现氨氮硝化的同时继续去除有机物；人工湿地利用剩余有机物及氮磷转化为植物所需并将之去除，经过四部分各自分工与配合最终使出水达标。由于湿地部分需较大占地面积才能保证氮的有效去除，强化缺氧-好氧单元的脱氮功能显得尤为必要，回流比是重要的控制因素。过大的回流比使得系统造价及运行费用变高，降低回流比可降低能耗和建造、运行费用，但可能造成出水不达标。因此，本试验好氧单元利用水车驱动式生物转盘加强充氧效率，探究不同回流比下缺氧-好氧单元的脱氮效果及规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

图1 工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram

本试验所采用组合工艺中生物部分由厌氧折板反应器、缺氧反应器、水车驱动式生物转盘装置组成（图1）。为减少装置占地面积、降低后续反应负荷，选择将高浓度、小水量的黑水利用厌氧折流板反应器处理后再与低浓度、大水量的灰水进行混合进入缺氧池及好氧池，并通过好氧池硝化液回流至缺氧池进行硝化反硝化脱氮。好氧部分采用多级跌水的水车驱动式生物转盘装置，利用装置内循环水驱动水车带动生物转盘转动，省去了常规生物转盘驱动用电机，节约耗能，更适宜农村地区小型生活污水。与此同时，每级跌水充氧与盘片转动复氧保证了装置充足的充氧能力。

生物生态组合工艺中利用厌氧折流板反应器处理黑水后再与灰水混合进入缺氧-好氧部分进行处理，好氧部分采用水车驱动式生物转盘装置，且硝化液部分回流至缺氧池进行反硝化脱氮，好氧部分出水进入人工湿地对氮磷进行进一步去除。本试验重点考察缺氧-好氧部分的运行效果。

缺氧池尺寸长为 40 cm、宽为 40 cm、高为100 cm，总有效体积为120 L，池内采用组合式填料挂膜，池壁从下而上每隔10 cm设一出水口，出水水位可由不同高度出水口进行调节。好氧单元设三级水车驱动式生物转盘，每级池体长为35 cm、宽为20 cm、高为20 cm，总有效容积为36 L，盘片直径为16 cm，间距为1 cm，共10片。每级水车驱动式生物转盘均由水车区和转盘区组成，其中水车区和转盘区体积比为1∶6。水车部分由最后一级出水自循环驱动，控制驱动水量保持盘片转速为2～4 r／min。参考已有对接触氧化池跌水高度的研究［6］，转盘每级之间跌水高度设为0.6 m，各水箱和反应器均由PVC材料制成。

试验共使用2组平行的单向进水潜流人工湿地系统及2组平行的可控型两端进水潜流人工湿地系统，每组湿地系统进水通过阀门控制流量。两种潜流人工湿地平面尺寸均为：长 L＝2.0 m；宽 B＝0.3 m；高 H＝0.55 m；基质层高度为 0.4 m；单元有效表面积为 0.6 m2，湿地沿程方向上距进水端0.65 m及1.3 m处分别设置取样口，沿长度方向每隔0.5 m加设穿孔折流板，引导污水在湿地中以上下折流方式推流流动。湿地内部基质填料由下至上依次为：粗砾石（层高为 15 cm，粒径为 30～50 mm），细砾石（层高为 15 cm，粒径为 10～20 mm），土壤（层高为10 cm），砾石层除作为湿地垫层以外，也是主要的吸附介质，土壤层有利于扩大种植植物的筛选范围，整个基质层空隙率约为40%。人工湿地夏秋季主要种植水稻和空心菜，冬春季主要种植芹菜、豆瓣菜等植物。

1.2 试验方法

本试验于东南大学无锡分校实验中心开展，特别设计了处理模拟分散式污水的试验装置。本试验中缺氧池进水由厌氧出水和灰水两部分组成，厌氧出水为厌氧折流板反应器处理黑水（取自东南大学无锡分校东南院南侧化粪池）后的出水，灰水取自东南大学无锡分校宿舍区生活污水。由于学校污水水质与我国农村地区污水水质仍有些许差别，试验过程中通过加药对试验用水进行适当调控以模拟实际农村生活污水水质。试验监测黑水、厌氧出水、灰水水质和缺氧进水水质如表1所示。

表1 试验期间原水水质Tab.1 Raw Water Quality during the Experiment

试验由6月下旬开始～9月下旬结束，试验期间水温为25～32℃，缺氧池采用组合填料进行挂膜，生物转盘经过预挂膜处理后放入水车式生物转盘中。反应器稳定运行期间定期从缺氧池进出水口及各级水车式生物转盘出水处取样并进行测定。

1.3 水质分析方法

水质指标测定采用国家环境保护总局编制的标准方法［7］：COD，密闭回流消解滴定法；TN，过硫酸钾氧化紫外分光光度法；氨氮，水杨酸盐分光光度法；硝氮，氨基磺酸紫外分光光度法；pH，便携式pH计测定法；水温，温度计。

2 结果与讨论

本试验在运行期间通过调整硝化液回流比优化对污染物的处理效果，从而选择反应器较适合工况条件。

2.1 回流比对COD去除效果影响

由图2可知，试验期间缺氧单元进水CODCr浓度为 62.79～276.35 mg／L，好氧单元 CODCr出水浓度为 14.07～54.90 mg／L。分别考察进水、缺氧出水及好氧出水COD浓度，可以观察到COD的降低主要发生在缺氧单元。分析原因可知，COD浓度的降低主要来自三个方面［5］：回流的硝化液将好氧出水中的硝酸盐带入缺氧反应器中，反应器中反硝化细菌利用硝酸盐和碳源进行反硝化脱氮反应；回流硝化液与缺氧进水同时进入缺氧反应器，稀释了缺氧进水的COD浓度，降低了缺氧反应器内的COD浓度；缺氧反应器内生物膜对进水中的大颗粒有机物具有一定的吸附拦截作用。当回流比为300%、200%、100%和50%时，好氧单元COD平均去除率分别为 86.66%、82.12%、82.13%及 63.86%。可以发现，当回流比从50%提升到100%时，COD去除率出现了一定的上升，这表明此时硝化液的回流对COD的降低产生了积极的作用，而当回流比继续提升时，COD去除率提升出现放缓的趋势，去除效果提升极其微弱，当回流比大于100%时，硝化液回流对COD去除影响甚微，有机物已经得到了充分的降解。同时，在缺氧单元出水中硝氮浓度极低，这表明缺氧单元反硝化脱氮效果良好，且碳源浓度足够，此时碳源并不是影响缺氧脱氮的主要因素。

图2 不同硝化液回流比条件下COD的去除效果Fig.2 Effect of COD Removal under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

2.2 脱氮效果

2.2.1 不同回流比下氮形态的变化

如图3所示，污水经过三级水车式生物转盘，硝氮浓度逐级上升。硝化菌利用无机碳为碳源，在好氧条件下氧化无机物获取能量，将氨氮转化为硝氮。当回流比为300%、200%、100%和50%时，氨氮转化为硝氮的平均转化率分别为 51.94%、51.97%、43.32%和 31.52%。可以发现，当回流比小于200%时，随着回流比的提升，氨氮和硝氮浓度变化较明显，氨氮转化为硝氮的转化率逐渐提升。而当回流比超过200%时，转化效果趋于稳定。这是因为，一方面回流比的增大提高了相应的跌水流量，加快了转盘转速，增加了生物转盘与空气接触而获得了更好的充氧效果，使得硝化效果得到了提升；另一方面，回流比的增大减少了污水在水车式生物转盘的停留时间，导致硝化反应时间的减少，回流比过大时水力停留时间过短，硝化反应无法充分进行。

图3 不同硝化液回流比下氨氮的转化效果Fig.3 Effect of Ammonia Nitrogen Conversion under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

如图4所示，污水经过缺氧池和三级水车驱动式生物转盘后，氨氮浓度逐级降低，硝态氮浓度在好氧单元中逐级增加。减少的氨氮中一部分被用作微生物自身物质的合成，另一部分则在好氧单元中通过硝化菌的硝化作用转化成了硝态氮，同时在缺氧单元中，硝化液的回流一定程度上稀释了氨氮的进水浓度。试验期间缺氧反应池氨氮进水浓度为11.43～23.17 mg／L，水车驱动式生物转盘最后一级出水氨氮浓度为 1.70～15.67 mg／L。当回流比为300%、200%、100%和50%时，氨氮平均去除率分别为 83.9%、89.98%、57.32%和 46.55%，硝氮的平均转化率分别为 51.94%、51.97%、43.32% 和31.52%。不难发现，当回流比从50%逐渐增加到200%时，氨氮平均去除率逐渐增大，当回流比大于200%时，氨氮去除率出现了一定的下降。一方面，随着回流比的增加，硝化回流液对进水氨氮浓度的稀释作用更加显著；另一方面，在好氧条件下，氨氮由硝化菌消化作用转化为硝态氮，氨氮去除率的变化与上一节硝氮转化效果的分析具有一定的一致性，所以氨氮的去除率随着回流比的增加同样呈现出先增后减的趋势。

图4 不同硝化液回流比条件下氨氮的去除效果Fig.4 Effect of Ammonia Nitrogen Removal under Different Ditrification Diquid Reflux Ratio

2.2.2 回流比对TN去除效果影响

如图5所示，试验期间缺氧池进水TN浓度为8.21～43.31 mg／L，好氧单元出水 TN 浓度为 6.36～30.23 mg／L。当回流比为 300%、200%、100% 和50%时，TN的平均去除率分别为38.08%、51.23%、29.30%和20.99%。当回流比从50%增加到200%时，TN去除率不断提升，随着回流比的变大，更多来自好氧单元出水的硝态氮通过回流进入了缺氧池为反硝化反应提供电子受体，在碳源充足的情况下，硝态氮的去除率提高。同时，更大的回流比更大程度地稀释了缺氧进水的TN，使得缺氧出水TN浓度降低。而当回流比增大为300%时，TN去除率出现了一定幅度的下降。

综合以上几点分析，仅从生物处理单元考虑时，当回流比为200%时，TN的去除效果最优。但组合工艺中为保证出水水质达到GB 18918—2002中的一级A排放标准，后续接入人工湿地，因此保留一定浓度的氮有利于人工湿地中植物的生长。所以实际运用中，可适当降低回流比。

图5 不同硝化液回流比条件下总氮的去除效果Fig.5 Effect of TN Removal under Different Nitrification Liquid Reflux Ratio

2.3 与生态单元的组合联用

由于生物单元出水含氮浓度仍然较高，且几乎无除磷效果，为满足出水排放要求，本试验将生物单元与生态单元进行组合联用。试验共使用2组平行的单向进水潜流人工湿地系统及2组平行的可控型两端进水潜流人工湿地系统，每组湿地系统进水通过阀门控制流量。两种潜流人工湿地平面尺寸均为：长 L＝2.0 m，宽 B＝0.3 m，高 H＝0.55 m，基质层高度为0.4 m，单元有效表面积为0.6 m2，整个基质层空隙率约为40%。人工湿地夏秋季主要种植水稻和空心菜，冬春季主要种植芹菜、豆瓣菜等植物，不存在植物停止生长期，保证了工艺运行的连续性。

由图2～图5可知，经过生物单元处理后，出水CODCr浓度基本小于 50 mg／L，满足 GB 18918—2002中一级A的排放标准；而出水TN和氨氮浓度在一级A标准附近波动。为此，需要在后续增加人工湿地生态单元这一保障性环节，使得出水满足GB 18918—2002中的一级A的排放标准。

在生物生态组合工艺联用运行期间，水温为25～32℃，考察组合工艺对COD、TN、氨氮和TP的去除效果。结果表明：人工湿地进水CODCr、TN、氨氮和 TP 浓度分别为 14.07 ～ 54.90、6.36 ～30.23 mg／L 和 1.70～15.67 mg／L；2.23～4.23 mg／L其出水 CODCr、TN 氨氮和 TP 浓度为 8.23～34.56、4.93～13.34、1.53～7.34 mg／L；0.45～1.23 mg／L 对应平均去除率分别为 31.57%、45.23%、34.29%和68.23%；当回流比为 100%时，出水 CODCr、TN、氨氮和 TP 浓度分别为 17.23、8.23、6.73 mg／L 和0.67 mg／L。由此可见，通过生态单元这一保证性环节，出水可以满足GB 18918—2002中的一级A的排放标准。