作者：宋英豪 王敏 熊婭 杜理智 林秀軍 梁康強(qiáng) 單位：北京化工大學(xué)工程技術(shù)研究院 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1試驗(yàn)材料與方法

1.1中試試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用水解反硝化脫氮工藝，工藝主體為水解池—曝氣氧化溝—沉淀池，工藝流程如圖1。該試驗(yàn)裝置具體參數(shù)為：水解池體積為8.48m3，氧化溝內(nèi)溝體積為2.31m3，外溝為31.79m3，沉淀池體積為9.81m3。內(nèi)溝為厭氧區(qū)，內(nèi)部安裝調(diào)速攪拌器；外溝為好氧區(qū)，內(nèi)部安裝調(diào)速推進(jìn)器和微孔曝氣頭。溶解氧控制在2~3mgL-1之間，二沉池出水部分回流至水解池，為水解池提供硝化液，水解池在有機(jī)物水解的同時(shí)進(jìn)行反硝化，從而達(dá)到更好的脫氮效果。工藝運(yùn)行參數(shù)為：總進(jìn)水流量為2m3h-1，整個(gè)運(yùn)行階段保持污泥齡為25d，氧化溝污泥濃度為2000-3500mgL-1，外溝流速為0.3-0.5ms-1，污泥回流比為100%，硝化液回流比為200%。試驗(yàn)運(yùn)行中后期，取水解池內(nèi)污泥以及污水廠內(nèi)缺氧池污泥進(jìn)行不同碳氮比條件下的反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)，測定污泥的比反硝化速率，并考察反硝化過程中碳源的消耗。

1.2試驗(yàn)水質(zhì)

該試驗(yàn)進(jìn)水取自無錫某污水處理廠曝氣沉砂池，COD平均進(jìn)水濃度為192.4mgL-1，TN平均進(jìn)水濃度為20.7mgL-1，進(jìn)水B/C約0.4左右，具體水質(zhì)見表1。

1.3檢測方法

本實(shí)驗(yàn)監(jiān)測指標(biāo)均采用國標(biāo)法。COD采用重鉻酸鉀滴定法，BOD5采用五日培養(yǎng)法，TN采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法，NH4+-N采用納式試劑比色法，TP采用鉬酸銨分光光度法，NO3--N采用分紫外分光光度法。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1水解反硝化脫氮工藝對NH4+-N的去除效果

本試驗(yàn)所在污水處理廠進(jìn)水NH4+-N基本在12.0-25.0mgL-1，經(jīng)水解反硝化工藝后，出水NH4+-N濃度一直保持較低水平，平均濃度僅為0.3mgL-1，見圖2，出水NH4+-N都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，去除率高達(dá)98.0%。在本試驗(yàn)中，水解池對NH4+-N幾乎沒有去除效果，有時(shí)反而增加。外溝是去除氨氮的主要場所，無論進(jìn)入外溝的NH4+-N濃度高或低，外溝都可以保持很高的去除效果。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出：在本工藝中，污水進(jìn)入水解池，部分含氮有機(jī)物被水解酸化，產(chǎn)生氨氮；NH4+-N的去除主要是靠外溝中硝化細(xì)菌將NH4+-N轉(zhuǎn)化成了NO3--N，并且轉(zhuǎn)化程度較徹底，為后續(xù)的硝化液回流進(jìn)行水解反硝化脫氮提供了很好的基礎(chǔ)；同時(shí)由于前端水解反硝化作用消耗大量碳源，進(jìn)入好氧區(qū)的污水含碳量較低，外溝中的異養(yǎng)菌活性受阻，使得硝化菌占優(yōu)勢，利于硝化作用[17,18]。低的NH4+-N濃度是出水TN達(dá)標(biāo)排放的保障，該工藝對NH4+-N的高效去除表現(xiàn)出了高效的脫氮能力。

2.2水解反硝化脫氮工藝對TN的去除效果

碳源供應(yīng)量是污水脫氮過程的關(guān)鍵控制因子。在水解反硝化脫氮工藝中，取消了傳統(tǒng)AAO工藝中的缺氧池，將硝化液回流至水解池，水解池同時(shí)承擔(dān)著水解和反硝化兩個(gè)功能，水解池先將進(jìn)水中的大分子有機(jī)物進(jìn)行水解，轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物，提高污水的可生化性能，即使在進(jìn)水易降解碳源缺乏的情況下，水解池也可以為反硝化細(xì)菌提供更多可利用的有機(jī)碳源，滿足反硝化細(xì)菌的基本需求。試驗(yàn)結(jié)果如圖3，在試驗(yàn)運(yùn)行近40d內(nèi)，進(jìn)水TN在17.0-25.0mgL-1之間波動(dòng)，BOD5/TN平均為4.0，此時(shí)出水COD約為32.8mgL-1，出水TN在5.0~10.0mgL-1，平均為6.9mgL-1。在同一時(shí)期內(nèi)，污水處理廠內(nèi)AAO工藝的二沉池出水TN在8.5~13.0mgL-1，平均為10.6mgL-1。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：水解反硝化脫氮工藝在碳源缺乏的情況下仍可以保持較高的TN去除率，比同期AAO工藝出水TN平均減少3.7mgL-1，水解反硝化在一定程度上增加了水解池的碳源供給，使得系統(tǒng)的脫氮效果逐漸改善。表2.中顯示：水解池出水NH4+-N、TN和COD都保持在一個(gè)比較低的狀態(tài)，其原因是由于200%的回流硝化液對水解池的進(jìn)水濃度起到了一定的稀釋作用。本試驗(yàn)中水解池出水硝氮濃度基本保持在0.2~2.0mgL-1，出水硝氮濃度即回流硝化液濃度平均值為6.63mgL-1，經(jīng)過水解池后硝氮平均濃度降低至0.67mgL-1，硝氮的去除率達(dá)到91.2%，水解池對TN的去除率達(dá)到56.5%，占系統(tǒng)總氮去除的83.5%，可見，本工藝中污水的脫氮過程主要在水解池中完成。水解池對COD的去除率為39.9%，占整個(gè)系統(tǒng)COD去除率的48.3%，說明了水解池對COD具有一定的去除效果，并且水解池出水COD平均濃度僅為43.07mgL-1，減少了后續(xù)有機(jī)物對硝化菌的抑制作用。

2.3水解池污泥與缺氧池污泥反硝化脫氮效率的對比研究

為了更確切的證明水解反硝化脫氮工藝的高效脫氮效果，以及研究脫氮效果好的原因，本試驗(yàn)中以具有水解反硝化能力的水解池污泥為研究對象，考察不同碳氮比條件下水解池污泥的反硝化脫氮速率，并與廠內(nèi)AAO工藝中的缺氧池污泥處理效果進(jìn)行對比。此試驗(yàn)采用易降解的乙酸鈉作為碳源，采用硝酸鉀作為氮源，為削減污泥混合液中原有有機(jī)物和硝氮對試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)中所用污泥均用蒸餾水進(jìn)行過多次洗滌。試驗(yàn)中COD即是BOD5，NO3--N即為TN，COD/NO3--N即為BOD5/TN。比反硝化速率t0-=CCtMLVSS（，10-3gNO3--N/gMLVSS•min），本研究中以0-90min內(nèi)的反應(yīng)過程為計(jì)算依據(jù)。一般情況下反硝化反應(yīng)速率與硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度基本無關(guān)，而與碳源量、反硝化細(xì)菌的濃度密切相關(guān)[19]。為了研究碳源含量對反硝化作用的影響情況，進(jìn)行了不同碳源投加量的試驗(yàn)。由圖4、圖5、表2可知，不論水解池污泥還是缺氧池污泥，隨著碳氮比的增加其比反硝化速率都會(huì)顯著增加。相同BOD5/TN條件下，水解池中污泥的比反硝化速率為缺氧池污泥的1.2~1.7倍，并且在BOD5/TN比較低的情況下效果越顯著，水解池污泥在BOD5/TN為3時(shí)的比反硝化速率0.0970min-1*10-3要高于缺氧池BOD5/TN為4時(shí)的比反硝化速率0.0841min-1*10-3。水解池在本試驗(yàn)中的各碳氮比下，150min內(nèi)可將NO3--N基本消耗完全，而缺氧池只有在BOD5/TN為5的時(shí)候才能達(dá)到此效果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得出：碳氮比對反硝化速率的影響很大，碳源不足時(shí)就會(huì)影響反硝化菌的活性，繼而影響到整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力；并且，與傳統(tǒng)AAO工藝相比，水解池中的反硝化細(xì)菌具有更高的濃度和更強(qiáng)的反硝化能力，并且在碳源相對缺乏的時(shí)候更能體現(xiàn)出更好的脫氮優(yōu)越性。由圖6可見，水解池的COD在30min時(shí)已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定，保持在40~55mgL-1之間，圖7則看出缺氧池的COD要降解到60min才能達(dá)到穩(wěn)定，保持在20~30mgL-1之間。反硝化過程中COD有三種去除機(jī)理：合成、反硝化及被氧氧化[20]，60min前主要為外源反硝化、合成和被氧氧化，60min之后外碳源基本消耗完，主要進(jìn)行內(nèi)源反硝化。在沒有外加基質(zhì)的條件下，反硝化細(xì)菌能夠利用自身儲(chǔ)存的聚-ρ羥基丁酸（PHB）作為碳源和能源以維持生命活動(dòng)[21,22]。理論上還原1g硝酸鹽氮需有機(jī)碳源(BOD5)2.86g[23]，但是由于污泥中存在其他異養(yǎng)微生物以及微生物的生長作用，使60min內(nèi)兩池消耗有機(jī)碳源的計(jì)算量偏大[24]。比較60min內(nèi)水解池和缺氧池去除單位NO3--N所需要的COD，結(jié)果顯示在相同BOD5/TN的情況下，水解池要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于缺氧池，并且隨著BOD5/TN的降低差值越大。經(jīng)過60min的反應(yīng)，水解池中的BOD5/TN要比起始時(shí)的高，并且增加幅度隨著BOD5/TN的增加而升高，而缺氧池的BOD5/TN比則是比起始時(shí)的要低。這些試驗(yàn)結(jié)果說明了水解池在反硝化的過程中，反硝化菌對COD的利用效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于缺氧池，并且碳氮比越低優(yōu)越性越明顯，BOD5/TN為3、3.5、4和5時(shí)去除單位N水解池可分別節(jié)省59.5%、52.2%、19.9%和23.1%的COD。水解池利用少量的碳源就可以達(dá)到很好的脫氮效果，這就驗(yàn)證了水解反硝化脫氮工藝在碳源不足時(shí)仍能具有較高的脫氮能力。水解池在脫氮時(shí)有機(jī)物利用速率要低于脫氮速率，這樣會(huì)使相對碳源逐漸增加，碳源越充足越有利于反硝化細(xì)菌的脫氮功能。缺氧池則是有機(jī)物利用速率要高于脫氮速率，這樣就使得碳源越來越缺乏，如果得不到及時(shí)地補(bǔ)充則會(huì)影響到反硝化菌的活性，脫氮能力下降。