低碳氮比工业废水处理脱氮效果影响因素分析

吉泽英

（福建华东水务有限公司，福建 福州 353000）

0 前言

目前，工业污水处理厂普遍因碳源不足导致污水脱氮效果较差而难以达标排放。研究及工程运营表明，将废水中的CODCr/TN 控制在6～8、CODCr/TP＞20 时，即可满足微生物对碳源的需求[1]。

活性污泥法反硝化是生物脱氮关键。影响反硝化因素包括3 个方面：1）外在环境因素。DO、温度和酸碱度。2）运行工况因素。碳氮比、碳磷比和有机物种类等。3）运行参数。污泥龄、水力停留时间、回流比以及污泥浓度等[2]。

该研究主要针对低碳氮比的实际工业废水，以改良型Carrousel 氧化沟工艺为主要对象，通过正交试验研究溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥浓度（MLSS）对某工业污水处理厂改良型氧化沟生物脱氮效果的影响，以确定最佳运行工况，以求为污水处理厂确保出水达标前提下优化污水厂运行模式和低碳节能降耗提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验所用药剂、仪器、污泥和废水

试验药剂：其余为分析纯。

分析仪器：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司BAS224S型分析电子天平，KT370 型可调速搅拌机（启东市汇龙混合设备有限公司），上海精宏DHG-9076A 电热恒温鼓风干燥箱（上海右一仪器有限公司），pH 计（上海精密科学仪器有限公司），Uvmini1240 紫外分光光度计[岛津企业管理（中国）有限公司]，科迪博9012 型COD 恒温加热器（青岛科迪博电子科技有限公司）。

试验污泥：以该工业污水处理厂缺氧段随机时段的混合液静置沉淀30 min 后的污泥为接种污泥。此时，镜检发现，污泥颗粒很大、沉降性能良好。将污泥浓度（Mixed Liquor Suspended Solid， MLSS）控制在3200 mg/L 左右，再移入相应试验装置开展相关试验研究。

试验废水：试验水样来自某工业污水处理厂随机时段的进水。该工业污水处理厂采用改良型Carrousel 氧化沟工艺，远期设计总处理能力7.0 万m3/d，目前建成3.5 万m3/d，该氧化沟系统分2 组，试验期间只有1 组投入使用，日处理水量约1.7 万m3/d。该工业污水处理厂接纳污水包括先进装备制造产业、食品工业产业、电子信息技术产业和新材料4 种工业产业的污水，另规划范围外的福建华佳彩有限公司及福建省福联集成电路有限公司的工业废水纳入本污水处理厂。设计进水BOD5/CODCr=0.36，而2019 年实际进水BOD5/CODCr、CODCr/TN 平均分别为0.22、2.52，可生化性差。

1.2 监测项目及分析方法

该试验主要的监测项目与方法见表1。

表1 监测项目及其分析方法

1.3 试验方法

对正交试验的各个因素及对应水平进行分析，确定所选因子是否具有可控性及参数水平的合理区间，研究污泥回流比（R）、污泥浓度（MLSS）、溶解氧（DO）对改良型Carrousel氧化沟处理低碳氮比工业废水时生物脱氮效果的影响。

1.3.1 正交试验因素的选定

正交试验因素的选定以污水处理厂日常运行时控制生化系统的溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥浓度（MLSS）等主要参数来分析。

1.3.1.1 溶解氧（DO）

溶解氧是指空气中溶解于水中的分子氧，以每升水中的氧毫克数表示。系统中溶解氧含量的水平及其浓度分布对微生物种类及其在氧化沟系统中的活性起决定性作用，直接影响生化系统的处理效率。如果溶解氧的浓度太高，将破坏缺氧环境，会降低反硝化效率；如果溶解氧的浓度过低，硝化作用将会受到抑制，污泥的沉降性能会降低，并导致污泥膨胀。因此，精准合理地控制曝气量已成为提高氧化沟反硝化效率的关键因素之一。根据常规做法，该试验采用氧化沟的出水口作为DO 测量点。

1.3.1.2 污泥回流比（R）

污泥回流比是指二沉池回流污泥量与进入氧化沟首端的污水量的比值，一般用百分数表示。一方面，回流污泥可以补充氧化沟系统运行所需的生物量，使氧化沟系统中的污泥浓度相对稳定，并使聚磷菌有效除磷；同时，回流污泥中的亚硝酸盐和硝酸盐将在缺氧段进行反硝化脱氮。但是，污泥回流过高，回流污泥中硝酸盐和亚硝酸盐含量高，会影响厌氧环境及磷的去除。如果污泥回流过低，就会在二沉池中发生反硝化作用，从而导致二沉池污泥浮起影响出水水质。工程操作中的常规做法是根据二沉池的污泥泥位和剩余污泥排放量进行调整。通常来说，氧化沟的污泥回流比控制在50%～100%。

1.3.1.3 污泥浓度（MLSS）

污泥浓度或混合液体悬浮固体浓度（MLSS）表示曝气池中混合液单位体积中所含活性污泥固体的总质量。它取决于活性污泥的沉降特性，污泥从沉淀池返回曝气池的速率以及沉淀池的设计等因素。其中，活性污泥中的微生物是污水处理系统的主体，是完成处理系统硝化反硝化功能的承担者。污泥浓度过高，系统污泥龄过长会影响除磷效果。过低的污泥浓度会抑制硝化反应并影响反硝化效果。

污泥浓度是生物脱氮除磷系统中重要的设计参数之一。如果MLSS 选择不合适，就可能会导致反应池中有机污染物与活性污泥之比（F／M）的失调，从而影响污水脱氮除磷效果。

吴代顺等[3]考察了MLSS 对生活污水脱氮除磷的影响，结果表明，当MLSS 分别为1600mg/L 和4800mg/L 时，NO3-N的去除率分别为82%和93%，提高MLSS 有利于氨氮的去除。邵辉煌等[4]考察了MLSS 对生活污水脱氮除磷的影响，结果表明，当MLSS 由4135mg/L 升至6266mg/L 时，脱氮率由56.3%升至70.15%，但是尾水中TP 浓度不降反升，由0.68mg/L 升至1.06mg/L。这说明适度提高MLSS 有利于生物脱氮，但是过高的MLSS 反而不利于生物除磷。邓仁健等[5]考察了MLSS 对污水脱氮除磷的影响，结果表明，当MLSS 分别为2400、3350 和4300mg/L 时，各系统TP 去除率分别为71.3%、73.9%和75.6%；但MLSS 从4300mg/L 升至5250mg/L时，系统TP去除率却降为56.7%；而当MLSS由4300mg/L升至5250mg/L 时，系统对TN 的去除率由52.5%升高至66.6%。这也印证了“适度提高MLSS 有利于生物脱氮，但是过高的MLSS 反而不利于生物除磷”的结果。即使污泥浓度相近，不同污泥中所含反硝化菌的数量可能存在差异，也可能导致反硝化效果不同。

此外，当水温低时，活性污泥的活性减弱，其降解有机物的速度变慢，此时，要保持较高的DO 值和MLSS，以加快有机物降解速度，保证出水稳定达标；当水温升高时，活性污泥的活性增强，其降解有机物的速度变快，因此可保持较低的DO 值和MLSS，以防止由于有机物过快降解导致活性污泥微生物因营养不足造成内源呼吸过度，避免活性污泥老化太快，从而保证出水水质达标[6]。因此合理地控制污泥浓度是保证系统稳定运行的关键因素之一。

溶解氧、污泥回流比和污泥浓度等因素对氧化沟系统的脱氮效果都会产生影响，该研究通过正交试验对这些参数进行合理设置，以获取氧化沟系统脱氮效果最佳的运行工况参数，为实际生产及该工艺的进一步优化提供试验依据。

1.3.2 正交试验的安排

基于过低的进水水质，该研究以该氧化沟系统对污染物去除率（包括氨氮、总氮去除率）为正交试验的性能指标，以溶解氧、污泥回流比和污泥浓度为正交试验的3 个影响因素，结合该厂实际运行情况，确定氧化沟出水口溶解氧的3 个水平分别为0mg/L～1.0mg/L、1.0mg/L～2.0mg/L、2.0mg/L～3.0mg/L，污泥浓度的3 个水平分别为2000mg/L～2500mg/L、2500mg/L～3000mg/L、3000mg/L～3500mg/L，污泥回流比的3 个水平分别为50%～65%、65%～80%、80%～95%，建立三因素三水平的正交试验[L9（33）]，共9 个工况，每个工况进行7 天试验。在测试期间，均从氧化沟出水口对DO和MLSS 采样检测，正交试验各因素水平的取值范围见表2。

表2 正交试验因素水平表

2 结果及讨论

2.1 正交试验的结果

该正交试验是根据正交试验因素（表2）的水平和正交试验计划进行的。试验中各因素的控制方法如下：通过调节鼓风机的频率来控制溶解氧的浓度；通过调节污泥回流泵来调节污泥回流比；通过调节污泥回流和剩余污泥的排放量来控制污泥浓度。其他运行因素控制：氧化沟内水力停留时间约为22 h；保持硝化液回流门完全打开。正交试验结果见表3。

表3 正交试验方案和试验结果

2.1.1 正交试验结果的极差分析

极差分析法具计算简单、形象直观和简单易懂等优点，其值Rij的大小用来衡量试验中对应因素作用的大小。极差越大，表明该因素的变化对试验结果的影响大，该因素就越重要；相反，极差越小，表明该因素水平变动对试验结果的影响小，该因素就越不重要。对表3 中试验数据进行极差分析，结果见表4。由表4 可以看出，溶解氧、污泥浓度和污泥回流比对氨氮和总氮去除率影响的重要性顺序：DO＞R＞MLSS。

表4 正交试验的极差分析

2.1.2 正交试验的方差分析

表3 中试验数据方差分析结果见表5。

表5 正交试验的方差分析

由正交试验的方差分析可知，在这3 个因素中，溶解氧对氧化沟中总氮的去除率有显着影响。溶解氧高低直接影响氧化沟系统的硝化反硝化程度，溶解氧浓度过低，硝化将受到抑制，不仅容易导致污泥膨胀，还会降低污泥的沉降性能。溶解氧过高会破坏缺氧区环境，从而影响反硝化作用并降低脱氮效率。从表5 可以看出，污泥浓度和污泥回流比也会影响系统的反硝化效果。

氨氮去除率方差分析说明溶解氧对氨氮去除率有显著的影响，污泥回流比和污泥浓度对氨氮去除率无显著影响。

2.2 不同工况下氨氮处理效果及分析

根据表4 的极差分析数据，对氨氮降解效能的影响因素进行分析，A（溶解氧）、B（污泥浓度）和C（污泥回流比）影响因素的最优水平分别是：A3（DO：2.0 mg/L～3.0 mg/L）、B1（MLSS：2000 mg/L～2500 mg/L）、C3（R：80%～95%）。

图1 不同工况下氨氮的去除效果

系统中溶解氧的浓度对硝化反应有重大影响。随着溶解氧浓度增加，氨氮的去除率提高。对活性污泥来说，曝气量增大，溶解氧浓度升高，氧传递加强，微生物絮状体内部的好氧环境增加，硝化细菌在好氧环境下更有利于分解氨氮。由于氨氮的总体去除率较高，因此回流比和污泥浓度对氨氮去除率的影响相对较小。

由图2 可以看出，所有工况下出水氨氮都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。工况7（A3B1C3）氨氮去除率最高为99.14%，工况2（A1B2C2）总氮去除率最低为95.86%。

图2 不同工况下总氮的去除效果

2.3 不同工况下总氮处理效果及分析

根据表4 的极差分析数据，对总氮降解效能的影响因素进行分析， A（溶解氧）、B（污泥浓度）和C（污泥回流比）影响因素的最优水平分别为A3（DO：2.0～3.0mg/L），B1（MLSS：2000～2500 mg/L），C3（R：80%～95%）。

溶解氧对系统的反硝化作用影响最大，因为溶解氧会影响系统的硝化反应，进而影响反硝化脱氮。在一定范围内，污泥回流比越大，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮进入氧化沟的缺氧区越多，反硝化去除效率越高。污泥浓度对系统的反硝化效果也有一定影响，污泥浓度主要受污泥排放量控制。在进水有机污染物浓度较低的情况下，当污泥浓度较高时，MLVSS/MLSS 值偏低，从而导致老化污泥较多，导致微生物活性降低，反而影响脱氮处理效率。

由图2 可以看出，所有工况下出水氨氮都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。工况7（A3B1C3）总氮去除率最高为68.61%，工况2（A1B2C2）总氮去除率最低为50.19%。

3 结论

对低碳氮比的难处理的实际工业废水，通过正交试验研究了溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥浓度（MLSS）对某工业污水处理厂改良型氧化沟生物脱氮效果的影响，进而确定了最佳的运行工况，以期为该污水处理厂的运行模式和低碳节能降耗提供参考。1）通过正交试验极差及方差分析，A（溶解氧）、B（污泥浓度）和C（污泥回流比）三因素中，对总氮和氨氮去除率影响的重要性排序均为：DO ＞R ＞MLSS，溶解氧对脱氮影响较为显著。2）综合考虑各因素不同水平试验结果，适合当前外界条件（进水水质、环境温度等）下，该厂改良型氧化沟系统的合适水平组合：氧化沟出口溶解氧2.0mg/L～3.0mg/L，污泥浓度2000mg/L～2500mg/L，污泥回流比80%～95%。