污水处理厂沉积池中反硝化过程及其反硝化速率分析

邓茗濂

摘      要： 為考察不同的碳源对缺氧反硝化效率的影响，分析污水处理厂沉积池中反硝化过程的反硝化速率。研究结果表明：反硝化反应分3个阶段：第一阶段（0～60 min），运用了可快速进行生物降解的碳源;第二阶段（60～370 min），已经基本消耗完毕可生物降解的溶解性有机物;第三阶段（370～530 min），NO3-N的降解速度继续减缓。SCOD与COD的浓度的变化规律和NO3-N浓度变化规律相似。反硝化速率各阶段反应时间变化与NO3-N浓度呈线性关系，因此根据多段动力学方程得到三阶段的反硝化速率。随着时间的不断增加，反硝化速率逐渐减小。

关  键  词：污水处理;沉积池;反硝化;速率

中图分类号：R123.3       文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2019）03-0508-04

Abstract： In order to investigate the influence of different carbon sources on the efficiency of anoxic denitrification， the denitrification rate during the denitrification process in the sedimentary pond of sewage treatment plant was analyzed. The results showed that the denitrification reaction was divided into three stages： in the first stage of 0～60 min， the biodegradable carbon source was used quickly; in the second stage of 60 ～ 370 min， dissolved organic matter that can be biodegradable was basically consumed. In the third stage  of 370 ～ 530 min， the degradation rate of NO3-N continued to slow down. The variation trend of SCOD and COD concentration was similar to that of NO3-N concentration. The change of denitrification rate at each stage was linearly related to NO3-N concentration， so the denitrification rate at three stages was obtained according to the multi-stage kinetic equation. As the time went on， the denitrification rate decreased gradually.

Key words： Sewage treatment; Sedimentation pool; Denitrification; Rate

随着我国环保事业的发展及国家对水环境污染控制与治理的高度重视。在设计城市污水处理厂时，很多区的构建离不开反硝化速率，例如其生化反应池缺氧区和缺氧选择池。控制反硝化速率不仅要满足反硝化工作的持续进行，而且要尽可能降低污水处理厂面积、减少缺氧区池容尽量，还有就是节省建设投资，因此研究污水处理厂沉积池中反硝化过程具有重要的理论意义和研究价值[1-5]。关于污水处理厂沉积池中反硝化过程的研究吸引了国内外很多的研究学者，相关的研究发现，在反硝化效果很大程度上受到碳源形态的影响。COD主要有两种：一是SCOD，该物质易生物降解的;二是CODSS，该物质缓慢生物降解[6-8]。有人对城市污水中的COD测量时发现， SCOD含量相对较少，占COD质量分数的15%左右[9，10]。该现象说明，在初沉入池进入生物这一过程中，碳源主要增加的是CODSS，在实际生活中，经过很长时间的水解以及酸化后，部分有机物才能得到SCOD，接下来这些降解的有机物才可以被反硝化等微生物吸收[11]。在脱氮除磷时候，颗粒性有机物 CODSS得到了缺氧池的水力停留时间（HRT）所提供的充足酸化以及水解时间，这为有效保证反硝化速率起到了理论铺垫[12-14]。

为考察不同的碳源对缺氧反硝化效率的影响，针对污水处理厂沉积池中反硝化过程的反硝化速率进行研究，分析污水处理厂沉积池中反硝化过程的反硝化速率，然后从反硝化动力学角度进行系统的分析，进而研究在水环境中颗粒性慢速可生物降解 CODss以及溶解性易生物降解 SCOD对反硝化速率的影响，本文研究成果对提高城市污水处理能力具有一定的实际指导意义。

1  试验部分

1.1  碳源与氮源

污水取材选自于某市中心城区的两座污水处理厂，其市污水BOD5、COD和SS浓度变化规律见图1所示，市污水NH3-N、TN和TP浓度的变化规律见图2所示。可以看出选取的此污水水质的波动较大，可见本研究取材具有一定的代表性。

首先对所取的污水进行在进行动态沉淀，其沉淀装置示意图见图3所示。反硝化速率实验的时候，沉砂池出水SCOD浓度控制在40 mg/L到140 mg/L之间，出水COD控制在210 mg/L到310 mg/L之间。考虑到水源短缺的实际情况，采用投加 KNO3配置氮源方法，为计算初始硝酸盐氮浓度，用 BOD5/COD 的方式进行预测，然后对于反应器内混合液，控制NO3-N浓度控制在45～50 mg/L范围。用于对反硝化池的过滤处理参数设置为4 000 r/min，持续2 min。

1.2  反硝化试验装置

在测定反硝化速率时候，添加间歇性反应装置，如图4所示。第一步，并在缺氧环境中进行操作，依次添加反硝化菌、原水以及KNO3，最后瓶口通过橡胶塞进行密封，杜绝与外界的空气接触;第二步，为让水泥持续保持悬浮的状态，运用转速为 80r/min的磁力搅拌器进行搅拌;第三步把溶解氧仪放置到反硝化速率测定实验瓶中进行测定。

1-水箱; 2-进水泵; 3-沉淀住; 4-取水口; 5-排水口; 6-阀门

1.3  水质测试

运用快速消解法测定COD浓度变化;运用麝香草酚分光度法进行NO3-N浓度的测定。但CODSS与SCOD缺乏统一的标准去定义来分别两者，于是考虑水样分级时运用的过滤技术来区分两者，即由过滤器孔径尺寸大小分析可溶性COD和颗粒COD之间的分配关系。因此对于本试验，研究分析 CODss还有SCOD时，首先对滤膜（0.46μm）进行处理，然后过滤水样，得到的滤液 COD就是SCOD，COD 减去SCOD剩下的就是CODss。

2  结果与分析

2.1  反硝化过程中NO3-N的变化

反硝化反应进行时如图5所示，即观察反硝化池中NO3-N浓度的变化情况。根据图1中NO3-N浓度变化趋势，可以把反硝化过程分为下面这3个阶段：

第一阶段（0～60 min），反硝化菌选择电子供体反硝化时，对于能够快速降解的有机物（混合液SCOD中），由于可快速降解碳源基质有着不一样的比重，因此所形成的反硝化速率不一样。根据图中NO3-N浓度变化趋势进行分析，NO3-N浓度从最开始的47.10 mg/L，已经降到了39.98 mg/L，且达到了20.6%的去除率，说明对于该阶段运用的碳源，能够很快发生生物降解反应。

第二阶段（60～370 min），在进水SCOD中，用于物降解的有机物基本完全消耗。这时NO3-N浓度已经下降到13.91 mg/L，NO3-N浓度下降幅度很少，基本保持不变。根据实验研究可得，第2阶段的反应时间达到了5 h以上，虽然对NO3-N浓度下降趋势不如前60 min浓度下降的快，但是NO3-N的去除率已经达到了61.9%，从该现象可得，硝态氮的去除反应主要这一阶段进行。根据试验数据可得，在两个时间段内（110 min到40 min、230 min到260 min），全部出现了NO3-N浓度曲线保持近似直线的状态，一段时间之后，又恢复了NO3-N浓度曲线下降趋势。对该现象进行分析，发现反硝化反应进行时，由于CODss（进水中的）发生水解反应，从而在该直线阶段，反硝化菌分解有机物具有较快的速度。

第三阶段（370～530 min），在CODss中产生大量的可降解有机物，还存在一定量的碳源，此时NO3-N的降解速度继续减缓。

2.2  反硝化过程 COD 及 SCOD 的变化

图6为反硝化反应中SCOD与COD的浓度的变化规律曲线。在该反应中，反硝化反应的电子供体就是COD，该曲线的变化趋势和NO3-N浓度变化曲线相似：

过程一，为该反应的初期，时间为反应开始到50 min左右。在该过程内，COD浓度开始发生变化，并且COD 的去除率达到约20%;作为优质的易生物降解的有机物，SCOD碳源浓度降低幅度很大，从 67.28 mg/L迅速降到20.86 mg/L。

过程二，为该反应的中期，时间大约是从50 min到400 min左右。COD的降解速度开始减慢，COD浓度从 188.04 mg/L降到了62.36 mg/L。在第二过程中，COD的去除率达到了56%，该现象表明，去除反应主要这一阶段进行，该特征与NO3-N的去除特征类似。

过程三，400 min之后，属于反硝化末期。COD幅度很小，近似成为一条直线。

2.3  反硝化速率

根据异养型微生物事先的反硝化反应，在无氧的环境中，对有机物进行选择处理，让其作为电子供体还有碳源，并且选择处理后化合态氧（硝酸盐里的）作为电子受体。最后利用反硝化菌，得到还原后的含氮的单质、化合物或者氧化物。因此进行反硝化速率实验时，分析NO3-N浓度的变化情况（混合液中），进而得到了NO3-N浓度关于时间的变化曲线图，根据混合液 MLVSS浓度以及曲线的斜率 r，就能求出该反硝化反应的速率。根据曲线得到三个时间阶段，且各阶段反应 时间变化与NO3-N浓度呈线性关系，因此根据多段动力学方程得到三过程的反硝化速率。

反硝化速率用RD来表示;生物浓度用Xv来表示;比反硝化速率用VD来表示，从而得到比反硝化速率公式：

分析表可得，随着时间的不断增加，比反硝化与反硝化速率逐渐减小。根据分析发现，与SCOD相比，发现CODSS的反硝化速率降低，达到45%左右。对整個反硝化阶段进行研究分析时，用平均比反硝化速率来表示综合速率。根据数据进行得出，沉砂池出水进行反硝化反应中，反应时间达到8.8 h左右的时候，平均比反硝化速率达到3.66 mg NO3-N/（g·h），并且NO3-N的去除率达到83%（最大值）。

3  结 论

（1）反硝化反应分3个阶段：第一阶段（0～60 min），该阶段运用了可快速进行生物降解的碳源;第二阶段（60～370 min），用于物降解的有机物基本完全消耗;第三阶段（370～530 min），该阶段的NO3-N的降解速度继续减缓。SCOD与 COD 的浓度的变化规律曲线的变化趋势和NO3-N浓度变化曲线相似。

（2）反硝化速率各阶段反应时间变化与NO3-N浓度呈线性关系，因此根据多段动力学方程得到三阶段的反硝化速率。随着时间的不断增加，比反硝化与反硝化速率逐渐减小。

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