进水位置和比例对多级生物接触氧化工艺的影响

2019-06-17李业辉骆志伟

供水技术 2019年6期

李业辉，骆志伟

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168;2.中国建筑第八工程局华南分公司，广东广州510730 )

为了加强水体污染的控制并减少河流湖泊富营养化的发生，改善水体卫生环境，控制农村生活污水氮磷的排放已成为日益关注的焦点［1］。生物接触氧化工艺具有填料固定生物量大、挂膜周期短、水力停留时间较短、体积小以及处理效果好等特点，在农村生活污水处理方面的应用越来越广泛。但传统的生物接触氧化工艺需要大量回流［2-3］或增加深度处理工艺［4-5］，且由于生活污水的碳氮比较低，因此需要通过添加外源碳源来提高其脱氮效率。这不仅会导致运行成本的增加，也加大了污水设施的运行管理难度。

针对传统生物接触氧化工艺的弊端，结合农村分散型生活污水的特点和经济因素条件，设计出多点进水的多级生物接触氧化工艺。笔者将进水以不同的比例投加到不同的生物接触氧化工艺段，利用原水中原有的有机物实现对缺氧段碳源的补给，达到脱氮和节约能源的目的，并在此基础上考察工艺的脱氮效能。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由不锈钢钢板加工制作而成，总尺寸为1.225 m ×1.2 m ×0.7 m，反应区的有效容积为770 L，如图1 所示。内填充速分球填料(外为直径10 cm 的PVC 壳体，内为火山岩碎块)，填充率采用经验值，即1 000 个/m3。

图1 试验装置工艺流程Fig.1 Process flow chart of test equipment

试验设计2 套体积相同、各段比例不同的装置:装置I 各段的水力停留时间比(体积比)O1 ∶A1∶A2 ∶O2 =9 ∶1 ∶3 ∶6;装置II 各段水力停留时间比相同，即每个工艺段的体积相等。2 套装置的平面设计如图2 所示。

图2 试验装置平面设计Fig.2 Graphic design of the experiment device

1.2 接种污泥与试验水质

试验接种污泥取自某市污水处理厂好氧池，污泥浓度约为5 500 mg/L。COD 和-N 的去除率高于75%时，认为挂膜完成。试验用水取自同一污水处理厂，污水源为雨水与周边农村居民生活污水混合而成。

试验期间进水水质如下:COD，101 ～364 mg/L;TN，22 ～42 mg/L;- N，4 ～25.8 mg/L;温度，18.3 ～31.3 ℃;pH，7.69 ～7.98。试验出水应满足排放标准，即COD≤30 mg/L，NH+4-N≤1.5 mg/L，TN≤15 mg/L，pH 为6 ～9。

1.3 分析仪器与方法

温度、pH、DO:YSI ProPlus 便携式多参数水质分析仪;COD:快速消解法;TN:过硫酸钾氧化法;- N:纳氏试剂法，然后用WTW 型photoLab 6100 分光光度计检测。

1.4 运行工况

系统进水流量为120 L/h(HRT 为6.55 h)，不设回流。控制O1 段溶解氧在3.9 ～4.1 mg/L，O2段溶解氧在2. 9 ～3. 1 mg/L。参考传统A2/O 工艺［6-7］及改良型倒置A2/O 生物膜工艺处理生活污水［8］的最优回流比，即100%、200%和400%，将原水进水分为4 ∶1、2 ∶1、1 ∶1 这3 种工况。

由于装置不设回流，当进水为1 ∶1 时，缺氧段原水中的总氮不能经过好氧段进行硝化过程，无法保证脱氮效果。因此，将污水以4 ∶1 和2 ∶1 的比例进入O1 段、A1 段或O1 段、A2 段，把系统进水分为4 个工况，如表1 所示。考察进水位置和比例，对运行效果的影响。

表1 进水位置与比例Tab.1 Position and proportion of influent

2 结果与讨论

2.1 对COD 的去除效果

由图3 可知:尽管COD 的进、出水浓度波动较大，但2 套装置在4 个工况下的出水COD 始终保持在30 mg/L 左右，相差不大。装置I 在工况一时的出水COD 最低，平均浓度为20.2 mg/L，平均去除率达到91.93%。

图3 对COD 的去除效果Fig.3 Removal effect of COD

对比工况一和工况二，进水位置相同、进水比例不同时COD 出水浓度相差不大，但O1 ∶A1 =4∶1 时的COD 去除率较O1 ∶A1 =2 ∶1 高，这可能是因为O1 段进水含量较高时在装置中的停留时间较长，生化效果较好。对比工况一和工况三发现，相同比例、不同位置进水，对COD 的去除效果存在差别。A1 段进水较A2 段进水对COD 的去除率更高，很可能是缺氧段时间越长，反硝化作用越强。对比工况一和工况四可以发现，尽管进水位置和比例均不同，但COD 去除率较高且出水浓度稳定在30 mg/L以下。

2.2 对氨氮的去除效果

2 套装置对氨氮的去除效果基本相同，在不同的工况下，氨氮的出水浓度有所差别，去除率变化明显，如图4 所示。当进水位置和比例改变时，装置一在工况一下的运行效果最好，氨氮出水平均浓度为0.5 mg/L，平均去除率为97.10%。

图4 对氨氮的去除效果Fig.4 Removal effect of ammonia nitrogen

对比4 个工况下的各项指标可以发现，进水位置相同、比例不同时，O1 段进水流量较大、A1 段进水较小时的氨氮去除率较高;进水比例相同、位置不同时，A1 段进水较A2 段进水的氨氮去除率略高。在进水总量相同，进水位置和比例均不同时，工况一对氨氮有更高的去除率，这可能是因为好氧段HRT越长，氨氮的出水效果越好。

2.3 对总氮的去除效果

由图5 可知，2 套装置在4 个工况下的出水总氮变化幅度较大，总体上装置一对总氮的处理效果优于装置二。装置一在工况一下的总氮平均出水浓度为9 mg/L，平均去除率为64.27%，可以稳定达到污水一级A 排放标准，这在不设置回流以及不外加碳源的情况下很难实现。

图5 对总氮的去除效果Fig.5 Removal effect of total nitrogen

对比4 个工况的运行情况可以发现，进水位置相同、比例不同时，O1 段进水流量越大，出水总氮越低;进水比例相同、位置不同时，原水进入A1 段时的总氮去除率较进入A2 段时高。在进水总量相同，进水位置和比例都不同时，工况一的总氮出水浓度较低，脱氮效果最好。

因此，多级生物接触氧化工艺在工况一进水条件下的出水水质最优，且装置一的运行效果优于装置二，COD、氨氮、总氮的出水平均浓度分别为20.2，0. 5 和9 mg/L，平均去除率分别为91. 93%，97.10%和64.27%。

2.4 HRT 对总氮去除效果的影响

2 套装置对总氮的去除效果存在差异，当水力停留时间逐渐减小时，总氮去除率呈直线下降的趋势，且装置一对总氮的去除率略高于装置二。当HRT 为6.55 h 时，装置一的出水总氮最低，平均去除率达到64.27%，平均出水浓度为9 mg/L。HRT减少到4.91 h 后，平均出水总氮为16.6 mg/L，平均去除率为54.10%;HRT 为3.93 h，平均出水总氮升至27.8 mg/L，平均去除率仅为23.61%，出水远未达到排放标准。

图6 水力停留时间对总氮去除效果的影响Fig.6 Influence of hydraulic retention time on removal effect of total nitrogen

总氮的去除依靠同步硝化反硝化过程和缺氧段的反硝化过程。当系统的水力负荷随水体停留时间的减少而逐渐增大时，装置内水流的水力冲刷作用有所增强，生物膜的附着性变差，缺氧段生物膜分泌物质的粘性作用不足以抵抗水流的冲刷。这会加快生物膜上微生物的脱落，使反硝化菌随着水流的冲刷严重流失［10］，反硝化脱氮的效果减弱，对总氮的去除效果变差。同时随着水力负荷的增大，好氧段微生物对氨氮的转化能力减弱，反硝化过程受到制约，也降低了对总氮的去除效果。

2.5 最优工况下的氮素变化

分析多点进水条件下，多级生物接触氧化工艺对COD、氨氮和总氮的去除效果，结果表明:当进水流量为120 L/h、进水位置和比例为O1 ∶A1 =4 ∶1、水力停留时间为6.55 h 时的出水水质最好。因此，根据该工况下装置一的氮素变化来探究总氮的去除机理，如图7 所示。

因为缺氧段A1、A2 对氮素的变化情况相同，因此将A2 段出水作为分析指标。总氮与氨氮的进水平均浓度相差较大，说明原水中的含氮有机物较高。总氮在多级生物接触氧化池中各段均呈现下降的趋势，且下降幅度相近。氨氮在进水阶段较高，经过好氧段后浓度降低，缺氧段A1 进入原水后，氨氮大幅度提高，出水满足排放要求。硝态氮和亚硝态氮的进水浓度几乎为零，好氧段O1 之后均有所提升，经缺氧段后逐渐下降，在末端O2 段有所提升，但幅度较小。

图7 最优工况下氮素的变化Fig.7 Variety of nitrogen under optimal conditions

进水中的总氮和氨氮较高，硝态氮和亚硝态氮较低，经好氧段O1 后总氮和氨氮都明显降低且氨氮的降幅较大，硝态氮和亚硝态氮均有所升高。这主要是因为氨氮在O1 段硝化菌的作用下转化为硝态氮和亚硝态氮［11］，含量较进水大幅度降低，而硝态氮和亚硝态氮有所增加。经过O1 段后总氮有所减少，这说明在O1 段内有反硝化作用发生，该段内的微生物可以通过水中有机物质的获取来供给自身进行增殖。同时，随着生物膜逐渐增厚，水中的溶解氧很难穿透膜表层进入内部，填料内部火山岩上生长的微生物处于缺氧环境，生物膜内外形成足够的缺氧区和好氧区，同步硝化反硝化作用得以进行，对总氮取得了一定的去除效果。

当污水经好氧段O1 流入缺氧段A1 的同时，部分原水进入A1 段，由于原水中的氨氮和总氮较高，直接进入A1 段时提高了缺氧段两者的出水浓度。然而缺氧段的反硝化菌可利用原水中的有机物，将好氧段提供的硝态氮、亚硝态氮还原为氮气，降低了总氮、硝态氮和亚硝态氮的浓度，所以在A2 段出水中很难检测到硝态氮和亚硝态氮。总氮在缺氧段呈现下降的趋势，表明缺氧段的反硝化作用强于进水和O1 段出水浓度的混合提高，因此总氮的去除效果较为明显。污水流出O2 段时，氨氮在好氧的条件下得到转化，硝态氮和亚硝态氮的浓度均有所提高;总氮浓度的降低也表明了O2 段内同步硝化反硝化过程依然存在，因此系统对总氮有着较好的去除效果，出水总氮和氨氮均可达到国家规定的排放标准。