两级AO 砾间接触氧化工艺治理重度黑臭水体研究

黄 聪，王 静，周金艳，彭 聃，任晓玲，李柏林

（1.中南安全环境技术研究院股份有限公司，湖北武汉 430000；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉 430070）

黑臭水体治理是提高水环境质量的关键内容之一。砾间接触氧化工艺因其经济、高效、绿色等优势〔1〕，近年来在黑臭水体治理领域得到广泛关注。该工艺利用天然砾石作为填料，微生物附着生长于填料表面形成好氧层、缺氧层和厌氧层，污染物通过吸附、沉淀、生物降解等作用得以去除〔2〕。砾间接触氧化工艺在日本〔3-4〕和中国台湾〔5〕的微污染河流治理中得到了广泛应用，根据以往研究，其对COD 和NH4+-N 去除效果良好，但TN 去除效果不佳〔6〕。

传统砾间接触氧化工艺没有严格的功能分区，难以实现高效硝化反硝化〔7〕。本研究将其与多级A/O（缺氧/好氧）技术结合，使工艺具有更强的污染物去除能力〔8〕。砾间接触氧化工艺多用于微污染水体治理〔9-10〕，要使其达到理想的重度黑臭水体治理效果，还需进一步优化性能。适当延长HRT可增强反应器脱氮效率〔11〕，但HRT过长易导致成本增加甚至降低脱氮效果〔12〕。内回流可将含有大量含NO3--N的硝化液带入缺氧区，促进缺氧区的反硝化作用〔13〕，但回流的硝化液过多可能会破坏缺氧区的缺氧环境，不利于反硝化菌生长〔14〕。分段进水可优化碳源利用，在无需外加碳源的条件下获得较高的脱氮效果〔15〕，但不适宜的进水量分配比会导致反硝化区出现碳源不足或过多的情况〔16〕，达不到提高脱氮效果目的。此外，单一参数调控对工艺的污染物去除效果提升有限，因此在本研究中，笔者拟采用多参数调控方式对工艺进行系统性优化。

本研究采用两级AO 型砾间接触氧化反应器治理重度黑臭水体，通过调控HRT、硝化液内回流比、A1 和A2 区进水量分配比等参数强化污染物去除效果。根据沿程污染物浓度变化，分析不同功能区对污染物的降解规律。在最优条件下考察污染物去除效果，为两级AO 型砾间接触氧化工艺治理黑臭水体提供一定的理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置为自制的长方体有机玻璃反应器，砾间接触氧化反应器示意见图1。

图1 砾间接触氧化反应器Fig.1 Gravel contact oxidation reactor

反应器有效容积126 L。进水方式为蠕动泵进水，底部设有曝气、排泥和反冲洗管道。生物区中缺氧区1（A1 区）、好氧区1（O1 区）、缺氧区2（A2 区）均填充粒径约100 mm 的砾石，填充率为55%；好氧区2（O2 区）填充粒径约6 mm 的蛭石，A 区和O 区体积比为3∶4。为避免发生短流，采用穿孔隔板式折流结构；为充分利用碳源、提高脱氮效果，采用两点进水方式，并在第一级AO 反应系统内设置回流。

1.2 实验用水水质

本实验进水为在自来水的基础上添加葡萄糖、NH4Cl 等药剂的模拟黑臭水。实验期间COD 为50～150 mg/L，NH4+-N 为15～25 mg/L，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ的质量浓度均为1 mg/L（配方见文献〔17〕），pH 保 持 在8 左 右。

1.3 启动运行效果

笔者课题组前期采用接种挂膜的方式启动反应器〔18〕，进水平均COD 和NH4+-N 分别为140 mg/L 和20 mg/L。启动过程分三个阶段：间歇培养阶段（1～3 d）、快速启动阶段（4～26 d）和稳定运行阶段（27～58 d）。反应器历时21 d成功启动，之后通过缩短HRT、增设内回流、多点进水使反应器运行稳定。最终COD、NH4+-N、TN 的去除率稳定在70%、90%、40%左右。

1.4 实验方案

3个平行反应器启动成功后，分别调控不同反应器的HRT、内回流比和进水量分配比以提升污染物去除性能，并在最优工况参数条件下考察反应器对污染物的去除效果，工况运行参数见表1。

表1 工况运行参数Table 1 Different operational parameters in group

1.4.1 系统性能优化阶段

（1）提升水力负荷降成本。为降低运行成本，缩短HRT（12 h→10 h→8 h→6 h）以增大系统单位时间处理水量。分析不同HRT 下污染物去除效果，在满足出水水质达标的前提下，选择较低HRT。

（2）优化脱氮性能促高效。为提升反硝化能力，提高内回流比（0%→100%→200%→300%）以增加缺氧区NO3--N 含量；为充分利用碳源，降低进水量分配比（6∶4→5∶5→4∶6→3∶7）为二级AO 提供更多电子供体。探究不同工况下污染物去除效果，确定系统运行最佳内回流比和进水量分配比。

1.4.2 最优工况运行阶段

保持其他条件不变，在最佳HRT、内回流比、进水量分配比条件下运行反应器，研究系统优化后性能提升效果。

1.5 测试项目及方法

COD、NH4+-N、TN 的分析方法参考《水和废水监测分析方法》（第四版）〔19〕，DO、pH、温度由哈希便携测试仪进行分析。

2 结果与讨论

2.1 水力负荷提升

为增强反应器处理水量性能，缩短HRT 以增加单位时间处理水量。不同HRT 下反应器对主要污染物的去除效果见图2。

由图2 可知，随着HRT 降低，反应器对COD 的去除效果逐渐降低。HRT 从12 h 降低至10 h 时，COD 平均去除率下降了6%；从10 h 降低至8 h 时，COD 平均去除率下降4%，HRT 的降低对COD 去除率的影响不太明显；HRT 从8 h 降至6 h 时，COD 平均去除率下降9%，降幅较大，此时COD 平均去除率仅有56%。HRT从12 h 降至10 h 时，对NH4+-N 的去除效果影响不大；HRT继续降低，NH4+-N去除率逐渐下降，这是因为HRT的缩短，不利于世代周期较长的硝化细菌生长繁殖〔20〕，使得出水NH4+-N 逐渐升高，与此同时硝化效果降低导致反硝化效果不佳，TN 去除率下降。综合考虑COD、NH4+-N 和TN 去除率，确定最佳HRT 为10 h。

图2 不同HRT 下反应器对主要污染物的去除效果Fig.2 Removal effect of main pollutants in the reactor under different HRT

不同HRT 下反应器沿程COD、NH4+-N、TN 的变化情况见图3。

图3 不同HRT 下反应器沿程COD、NH4+-N 和TN 的 变 化 情 况Fig.3 COD，NH4+-N and TN changes along the reactor under different HRT

由图3 可知，HRT 为12 h 时，硝化细菌生长旺盛，NH4+-N 去除效果优良，但HRT 过长使得反应前期碳源大量消耗，反应后期反硝化碳源不足导致出水TN 浓 度 较 高；HRT 分 别 为8 h 和6 h 的 情 况 下，NH4+-N 消耗不完全导致第一级出水TN 升高，第二级AO 的TN 出水浓度高更大程度上是由于NO3--N去除效果不佳。4 种工况下，出水TN 中NH4+-N 占比分别为9.36%、33.20%、38.14%和35.41%。

2.2 脱氮性能优化

2.2.1 内回流比优化

回流可为缺氧区提供更多的NO3--N，从而增强系统脱氮效果。不同内回流比下反应器对主要污染物的去除效果见图4。

图4 不同内回流比下反应器对主要污染物的去除效果Fig.4 Removal effect of main pollutants in the reactor under different internal reflux ratio

由图4 可知，内回流比为0～200%时，COD 平均去除率随内回流比的增大而升高，回流比增至300%时，回流硝化液携带较多DO 破坏了A1 区缺氧环境〔21〕，导致COD 去除率下降；内回流比为0～200%时，NH4+-N 去除率维持在85%以上，内回流比为300%时，NH4+-N 的去除率大幅降低；在内回流比为0～200%时，TN 去除率随内回流比增加而增加，内回流比为300%时，TN 去除率下降。综合上述分析，内回流比为200%时，反应器具有较好的污染物去除效果。

2.2.2 进水量分配比优化

合理设定进水量分配比可使碳源得到充分利用，提高反应器脱氮除碳效果。不同进水量分配比下反应器对主要污染物的去除效果见图5。

图5 不同进水量分配比下反应器对主要污染物的去除效果Fig.5 Removal effect of main pollutants in the reactor under different influent water distribution ratio

由图5 可知，进水量分配比对COD 和NH4+-N 的去除都有一定程度影响，进水量分配比越小，出水COD 和NH4+-N 越高。可能是因为较小的进水量分配比增大了第二级AO 的污染负荷，致使污染物降解不完全。出水TN 浓度也受到进水量分配比的影响，4 种工况下TN 平均去除率分别为53.34%、43.77%、47.53%和38.88%。当进水量分配比为6∶4时，A1 区碳源充足，NO3--N 得到充分去除从而使TN去除率较高；当进水量分配比为3∶7 时，O2 区硝化作用及蛭石的吸附作用有限，NH4+-N 反应不完全，限制了TN 的去除。总体来看，进水量分配比为6∶4时可以达到较高的TN 去除效果，使碳源得到有效利用，因此6∶4 为最优进水量分配比。

2.2.3 不同功能区污染物降解规律

为了更深入探究系统内部污染物去除效能，通过测定不同功能区进出口污染物浓度，考察各功能区污染物降解规律，结果见图6、图7。

图6 不同内回流比下污染物沿程变化情况Fig.6 Changes of pollutants along the path under different internal reflux ratio

由图6 可知，内回流比分别增至100%和200%时，第一级AO 污染物去除效果逐渐提升。这是因为回流硝化液带来较多NO3--N 促进反硝化作用进行〔22〕；另外O1 区COD 浓度降低使得自养硝化菌生长繁殖加快，硝化作用也得到增强〔14，23〕。随着内回流比继续增加，A1区缺氧环境遭到破坏，COD 去除主要贡献区由A1 区转变为O1 区。此时第一级AO 脱氮效果不佳。虽然A2区可去除部分NO3--N，但O2 区硝化能力有限且难以进行反硝化，第 二 级AO 出水NH4+-N 和TN 明 显 升 高。

由图7 可知，随着进水量分配比逐渐减小，第一级AO 脱氮除碳效果呈上升趋势。对于A1 区，碳源减少削弱了反硝化作用〔2〕，但TN 去除效果提升。推测该区域可能发生了厌氧氨氧化或自养反硝化反应，且这种反应随碳源量相对不足而增强〔24〕。A1 区反硝化脱氮贡献率降低导致出水COD升高，更多有机物在O1区去除。对于第二级AO，进水量增加，反硝化电子供体充足有利于反应进行；然而进水量增加也带来更多NH4+-N，O2区硝化能力有限，系统出水NH4+-N升高并成为导致出水TN 升高的主要因素。

图7 不同进水量分配比下污染物沿程变化情况Fig.7 Changes of pollutants along the path under different influent water distribution ratio

2.3 优化后运行效能分析

本实验最优参数：HRT=10 h，内回流比为200%，进水量分配比为6∶4。在最优工况下运行反应器，污染物的去除效果见表2。

表2 生物接触氧化技术治理重度污染河道实例Table 2 Examples of biological contact oxidation technology for treatment of severely polluted rivers

相对于启动稳定时的效果，优化后系统HRT缩短，单位时间内处理水量增多，脱氮除碳性能也有较大提升。COD 平均去除率由70%升至88%，NH4+-N 平均去除率略有增加，出水两种污染物分别达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅰ类和Ⅴ类标准。TN平均去除率由40%升至55%，出水平均TN约9.25 mg/L。通过多个生物接触氧化工艺治理重度污染河道实例对比，可以看出：功能分区促进硝化反硝化进行；硝化液回流有利于脱氮除碳；多级AO 分段进水效果提升的原因在于优化了碳源分配。优化后两级AO 砾间接触氧化工艺合理设置了功能分区、硝化液回流和分段进水，又可处理较大水量，因此具有优良的综合性能。

3 结论

（1）HRT 过短严重影响污染物的去除；内回流比增加可显著增强TN 去除效果，但较大的内回流比会抑制TN 的去除；较小的进水量分配比会增大第二级AO 的污染负荷，削弱反应器对污染物的去除。最终确定最优参数：HRT=10 h，内回流比为200%，进水量分配比为6∶4。

（2）回流可为缺氧区提供电子受体从而促进A1区的反硝化作用，但较大的内回流比易破坏A1 区缺氧环境，致使第一级AO 污染物去除效果不佳，出水污染物浓度较高；分段进水可优化碳源利用，随着进水量分配比减小，第二级AO 污染负荷增大，NH4+-N成为导致出水TN 升高的主要因素。

（3）在最优工况下，COD、NH4+-N、TN 平均去除率分别为88%、90%、55%，出水COD 和NH4+-N 分别达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅰ类和Ⅴ类标准，出水平均TN 约9.25 mg/L。