基于沸石循环的倒置A/O工艺对市政污水脱氮效果试验研究

刘亚琴，谢 菁，刘宁宇，陈园园，吴智仁,

(1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏艾特克环境工程设计研究院有限公司，江苏 宜兴 214214；3.天方药业有限公司，河南 驻马店 463000)

1 基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺

1.1 试验工艺流程

图1 基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺流程图Fig.1 Flow chart of inverted A/O process for biological removal of nitrogen with circulating zeolites

1. 2 试验装置

试验装置反应器缺氧池、好氧池、曝气池、沉淀池材质为304不锈钢，其主要设计参数见表1。其中，缺氧池中设有滤网和机械搅拌器，滤网可截留住沸石使其仅在缺氧池和好氧池之间循环再生，机械搅拌器促进污泥和沸石均匀混合；好氧池和曝气池设有曝气盘；沉淀池采用竖流式结构。

表1 试验装备主要设计参数

1. 3 试验材料

1.3.1 试验材料的制备

本试验所用的沸石是由粒径为50 μm的沸石粉改性制备而成，具体制备过程如下：

(1) 采用蒸馏水将粉末沸石洗净并于105℃烘干，备用。

(2) 将60 %～70 %的沸石与25%～35%的光交联聚乙二醇预聚物和1%～4%的海藻酸钠混合形成混合液。

(3) 将上述混合液滴加到2%～5%的钙盐溶液中，制作成球形凝胶状。

(4) 再将球形凝胶放在紫外线下照射，最终得到粒径范围为2～5 mm、比表面积为500～1 000 m2/g且相对密度接近于水的改性沸石颗粒，见图2。

图2 粒径为50 μm的沸石粉改性制备成的沸石Fig.2 Zeolite prepared from 50 μm zeolite powder

沸石的氨氮吸附/脱附性能优良，应用于基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺的研究系统中可反复再生利用，有效降低了运行成本，具有巨大的推广应用价值。

1.3.2 试验仪器

本次试验中所用的仪器见表2。

表2 试验中所用的仪器

1.3.3 试验试剂

本次试验中所用的化学试剂主要有葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等，详见表3。

1. 4 试验测试指标及分析方法

本次试验测试指标为pH值、DO、COD、NH3-N、TN、MLSS、沸石浓度，其分析方法详见表4。

本工艺的优化升级以及试验的进行均围绕脱氮展开，故测试指标中未涉及P，P的去除可在后续通过添加化学药剂来实现，且操作简便、效果稳定[11-14]。

表3 试验中所用的化学试剂

表4 试验测试指标和分析方法

2 结果与分析

2. 1 模拟市政污水脱氮处理最佳运行参数的确定

2.1.1 试验用水

本次试验处理规模为600 L/d，进水水质模拟江苏镇江某市政污水处理厂进水，其水质详见表5。该模拟市政污水的配方为(g/L)：葡萄糖(0.25～0.31)，NH4Cl(0.10～0.13)，KNO3(0.07)，KH2PO4(0.18)，NaHCO3(0.05～0.15)，MgSO4·7H2O(0.09)，CaCl2·2H2O(0.03)，FeSO4·2H2O(0.003)。

表5 模拟市政污水进水水质

2.1.2 试验方案设计

pH值、DO、C/N、SRT、内回流比、污泥回流比、水力停留时间等均可影响系统的脱氮效果，这些参数的合理设置对该工艺的脱氮性能影响显著。本次采用正交试验设计方法获取最佳工艺控制运行参数。本试验处理对象为模拟市政污水，则该水质的C/N和pH值为确定值，根据本课题组之前对于HCBR工艺试验研究的经验，结合工艺的实际情况，考虑到时间、条件的限制，最终选定DO、r和R为该工艺中脱氮效果的重要影响因素，以考察工艺运行过程中各参数对各污染物指标去除影响的主次关系，并通过优化研究以获取最佳的工艺运行控制参数。以系统对污染物去除率(其中包括COD、NH3-N、TN去除率等)为正交试验的性能指标，以DO、r和R为正交试验的3个影响因素，建立三因素三水平的正交试验[L9(33)]，正交试验因素水平、试验方案和试验结果见表6和表7。

表6 正交试验因素水平表

表7 正交试验方案和试验结果

注：每个工况进出水均为一个阶段稳态试验(大于15 d)的平均值。

本次正交试验严格按照表6和表7进行，其他因素控制如下：进水量为25 L/h、沸石浓度为20 g/L、MLSS浓度为3 000～5 000 mg/L、泥龄为10～15 d、短时曝气池DO为0.3～0.4 mg/L。每组试验条件连续运行，待运行稳定后开始取样，并测定样品中的COD、NH3-N和TN浓度，并计算其平均去除率。

2.1.3 试验结果与分析

极差R是表示数据离散程度的一个统计量。当某一因素极差越大，表明该因素在试验范围内变化时对试验指标的影响越大，也就越重要。本文以COD、NH3-N、TN去除率这3个单指标对试验结果进行极差分析，运用正交分析法分别计算各因素不同水平的效应值K(各因素水平对指标的总影响)、k(各因素水平对指标的平均影响)和极差值R，其计算结果见表8。

表8 正交试验结果分析

由表8可以看出：

(1) 根据COD去除率的极差分析可知，3个影响因素的重要性排序依次为R>DO>r，但是极差值R1=0.43、R2=0.36、R3=0.65，这3个数值很小且非常接近，说明9组正交试验中DO、r和R这3个影响因素的变化对COD去除率的影响均不显著，系统对市政污水中COD的去除率在97%左右，而且较为稳定。这可能是因为在缺氧池时异养菌能充分利用COD进行反硝化脱氮消耗，同时曝气池可进一步去除残余的COD，以保证出水中COD的达标率。

(2) 根据NH3-N去除率的极差分析可知，DO对该工艺去除NH3-N具有显著的影响，其次是r和R， 后两者的影响作用相当。这是因为DO的水平控制会直接影响到系统的硝化程度；此外，由于NH3-N的去除几乎是由沸石吸附然后内回流至好氧池经活性污泥中硝化菌硝化去除，因此保证沸石的循环和系统中活性污泥的浓度同等重要。

(3) 根据TN去除率的极差分析可知，3个影响因素的重要性排序依次为r>DO>R，对TN去除率影响最大的因素是r。这是因为该工艺主要通过内回流将缺氧池的污泥和吸附NH3-N的沸石回流至好氧池，进行沸石再生，即硝化反应。r过高，生化池实际水力停留时间变短，导致反硝化不彻底，从而脱氮效率降低；r过低，反硝化彻底但硝化池NH3-N不足，从而影响微生物的硝化反应能力。有数据表明，将r控制在100%较为适宜。此外，DO会影响整个系统的硝化反硝化进程，从而影响整个系统的脱氮效果。由正交试验结果可知，当DO为1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L时，对NH3-N的去除率均达到90%以上，但在DO为1.0 mg/L的3组试验中，系统对NH3-N和TN的去除率均达到了最高。这主要是由于氧扩散的限制，氧传递受阻以及外部DO的大量消耗，使污泥絮体内产生了缺氧区，从而形成了有利于实现同步消化反硝化的微环境[15]；随着DO的增加，DO破坏了污泥絮体内部的缺氧微环境，使得反硝化过程受到抑制，出水中TN浓度偏高[16-17]。因此，该工艺对市政污水脱氮效果的DO控制在1.0 mg/L较为适宜。

另外，由表8还可知，COD去除率的最佳方案是A1B2C3，NH3-N去除率的最佳方案是A1B1C2，TN去除率的最佳方案也是A1B1C2。因此，综合考虑各因素的影响程度、各污染物指标去除的最佳方案以及节能效果，确定该工艺对市政污水脱碳、脱氮处理效果的最佳运行方案为A1B1C2，即DO为1 mg/L、r为100%、R为100%。

2. 2 模拟市政污水脱氮处理最佳运行条件的验证

为了考察基于沸石循环的倒置A/O工艺对模拟市政污水的脱氮处理效果及其运行稳定性，本文按上述最佳运行方案，即DO为1 mg/L、r为100%、R为100%，进行了为期两个多月的连续运行试验，其试验结果见图3。

图3 基于沸石循环的倒置A/O工艺对模拟市政污水的 脱氮处理效果Fig.3 Removal efficiency of nitrogen from simulated municipal wastewater by inverted A/O process with circulating zeolites

由图3可见：试验期间，进水中COD在287～330 mg/L之间波动，出水中COD为2.91～11.01 mg/L，且出水稳定，COD平均去除率高达97.40%，出水中COD浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值[见图3(a)];试验期间，进水中NH3-N在25.05～35.44 mg/L之间波动，NH3-N平均去除率高达99.33%，且出水稳定，出水中NH3-N浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值[见图3(b)]；试验期间，进水中TN在35.59～46.15 mg/L之间波动，出水中TN为1.85～4.96 mg/L(小于5 mg/L)，TN平均去除率高达92.81 %，出水中TN浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值[见图3(c)]。

综上可见，当运行条件DO为1 mg/L、r为100%、R为100 %时，该系统脱氮处理效果稳定且出水中COD、NH3-N、TN等水质指标与正交试验结果吻合，均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值的要求。

2. 3 实际市政污水脱氮处理效果的验证

为了进一步探讨基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺的运行效果及其稳定性，本文对该工艺进行了为期两个月的实际污水连续运行试验，水源取自镇江市某市政污水处理厂，进、出水水质见表9。

由表9可知，该工艺在最佳运行参数下对实际市政污水的脱氮处理效果与前述市政污水的脱氮处理效果虽有差异，但基本一致，其出水水质均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值的要求，尤其可使TN去除率达91%以上。此外，相对于常规A/O工艺、两级A/O工艺在最佳参数下的运行，该工艺具有明显的优势，DO及回流比动力费均大大降低[8]。由此可见，该工艺不仅可以高效地处理市政污水，而且运行稳定、经济成本低，具有很大的实际应用潜力。

表9 基于沸石循环的倒置A/O工艺对市政污水的脱氮处理效果

3 结 论

(1) 正交试验结果表明：基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺处理市政污水，DO、r和R3个因素的变化对COD去除率的影响均不显著，该工艺去除COD的能力较强且稳定；DO对该工艺去除NH3-N具有显著的影响，其次是r和R，且后两者的影响相当；对TN去除率影响的重要性排序依次为r>DO>R，对TN去除率影响最大的因素是r。根据正交试验结果，综合考虑经济因素，确定基于沸石循环的倒置A/O工艺市政污水脱氮处理最优工艺条件是：DO为1.0 mg/L、r为100%、R为100%。

(2) 在最佳工艺条件下基于沸石循环的倒置A/O生物脱氮工艺处理模拟市政污水及实际市政污水的出水水质均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)中一级A标准限值的要求，且工艺运行效果稳定，技术经济成本低，具有很大的实际应用潜力和价值。