◎文/胡潔 劉怡心 張輝 胡香 許光遠(yuǎn)（安徽國(guó)禎環(huán)保節(jié)能科技股份有限公司）

生物硝化反硝化是目前污水脫氮最經(jīng)濟(jì)有效的方法。反硝化作用是指在無(wú)氧或低氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氮氧化物或氮?dú)?。理論上，缺氧條件下C/N為2.86就能使硝酸鹽完全還原為氮?dú)?，但由于部分碳源被其他異養(yǎng)微生物吸收利用或被反硝化菌用于自身生長(zhǎng)代謝，所以C/N要遠(yuǎn)大于2.86才能保證完全反硝化脫氮[1]。研究表明，滿(mǎn)足完全反硝化過(guò)程的C/N在4～15范圍內(nèi)不等[2]，對(duì)于經(jīng)過(guò)硝化反硝化的生物脫氮工藝，C/N需求量在 5～10 之間，至少為 3.5～4[3]。另外，溶解氧的含量對(duì)生物脫氮效率有重要的影響。Frette等人的研究表明，氧作為電子受體是優(yōu)先于亞硝酸鹽和硝酸鹽的，當(dāng)氧和硝酸鹽同時(shí)存在的條件下，氧取代硝酸鹽作為電子受體，進(jìn)而抑制反硝化過(guò)程，使得廢水中氮的去除率下降[4]。目前全國(guó)范圍內(nèi)尤其是南方城市的污水逐步趨向于低碳氮比變化。外加碳源作為一種提高污水C/N的直接手段，廣泛應(yīng)用于污水廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)。當(dāng)投加外加碳源以促進(jìn)反硝化作用時(shí)，溶解氧的存在勢(shì)必會(huì)增加外加碳源的投加量，不利于系統(tǒng)的反硝化作用[5,6]。

污水廠(chǎng)中可能存在跌水充氧的工藝單元有曝氣沉砂池、沉淀池、提升泵房等。目前關(guān)于溶解氧對(duì)硝化反硝化影響的研究主要集中在曝氣量的自動(dòng)控制及內(nèi)回流混合液中DO影響的解決方法，而關(guān)于跌水充氧對(duì)反硝化效果的影響的研究則相對(duì)較少。隨著污水廠(chǎng)提標(biāo)改造及節(jié)能降耗工作的不斷推進(jìn)，跌水充氧對(duì)反硝化的影響越來(lái)越受到重視。

本研究針對(duì)跌水充氧對(duì)反硝化作用產(chǎn)生的影響展開(kāi)討論，并提出消除跌水充氧對(duì)反硝化影響的改造建議，以達(dá)到節(jié)約碳源、降低能耗的效果。

一、材料與方法

1．污水廠(chǎng)情況

南方某污水廠(chǎng)采用SBR工藝，設(shè)計(jì)日處理污水能力為5.5萬(wàn)噸，實(shí)際處理污水量為6萬(wàn)噸，其工藝流程見(jiàn)圖1。生物池中污水的處理流程為：進(jìn)水的同時(shí)攪拌→曝氣→沉淀→出水。目前該污水廠(chǎng)正在進(jìn)行提標(biāo)改造，使出水水質(zhì)由《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)提升至類(lèi)地表水IV類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即：COD〈40mg/L，NH4+-N〈2.5mg/L，TN〈10mg/L，TP〈0.3mg/L。

圖1 污水廠(chǎng)工藝流程圖

2.進(jìn)水水質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)該污水廠(chǎng)2015年全年進(jìn)水水質(zhì)的檢測(cè)分析，進(jìn)水中氨氮濃度在20～40mg/L，CODcr濃度在150～300mg/L。C/N比如圖2，進(jìn)水 C/N〈5，對(duì)應(yīng)累計(jì)頻率30%；C/N〈6.2，對(duì)應(yīng)累計(jì)頻率 50%；C/N〈8，對(duì)應(yīng)累計(jì)頻率80%。需要注意的是，由于SS的影響，實(shí)際可利用的碳源量低于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖2 2015年進(jìn)水C/N頻率分布

經(jīng)檢測(cè)，可溶性CODcr濃度僅為60～140mg/L，因此實(shí)際C/N并不高，反硝化結(jié)束時(shí)生物池中NO3--N濃度在2mg/L左右，出水總氮含量高，難以達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)投加乙酸鈉，反硝化結(jié)束時(shí)NO3--N濃度能降至0.5mg/L以下，出水總氮含量達(dá)到類(lèi)IV類(lèi)水出水標(biāo)準(zhǔn)，因此投加乙酸鈉增加進(jìn)水碳源濃度顯得尤為重要。2015年乙酸鈉平均投加量約8m3/d，通過(guò)進(jìn)水管的改造，及加藥量的精確控制，降低了碳源的投加量，2016年3月份乙酸鈉投加量為4m3/d。

3.曝氣沉砂池跌水水位變化及充氧情況

污水經(jīng)曝氣沉砂池進(jìn)入生物池時(shí)處于反硝化階段，圖3是跌水高度與進(jìn)水流量、進(jìn)水時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，曝氣沉砂池有效高度為3.2m，末端跌水高度主要由cass池液位及進(jìn)水流量控制，最大跌水高度在1.8～2m，一般出現(xiàn)在cass池進(jìn)水開(kāi)始階段10min，即圖中的1階段；而在進(jìn)水中段，跌水高度一般在1.2～1.4m，即圖中的2階段，一般持續(xù)40min左右；進(jìn)水后期，第3階段中無(wú)明顯跌水現(xiàn)象。由于大部分進(jìn)水出現(xiàn)在第2階段且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，較具代表性，因此選擇此時(shí)的跌水充氧作為本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)曝氣沉砂池出水堰前后的DO濃度監(jiān)測(cè)，出水堰前DO約0.4mg/L，跌水后DO約 5～6mg/L。

圖3 跌水高度與進(jìn)水流量、進(jìn)水時(shí)間的關(guān)系

4.小試實(shí)驗(yàn)

在cass池中取曝氣剛結(jié)束時(shí)的泥水混合樣2份各700mL，記為混合樣1和混合樣2，分別放置于1000mL的燒杯中。取細(xì)格柵前進(jìn)水樣2份各300mL，分別為進(jìn)水樣1和進(jìn)水樣2。進(jìn)水樣1用氣泵曝氣，同時(shí)測(cè)DO，待DO在5mg/L左右時(shí)停曝。將進(jìn)水樣1、2分別加入到混合液1、2中，加蓋，用磁力攪拌器攪拌，每隔10min取一次樣，測(cè)濾后液NO3--N，60min后結(jié)束取樣。

5.測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

進(jìn)水樣1用浙江森森實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的ACO系列電磁式空氣泵曝氣，用余姚市奇泉流量?jī)x表有限公司生產(chǎn)的LZB-10流量計(jì)控制曝氣量，用WTW OOXI3310便攜式溶氧儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溶解氧，采用紫外分光光度法測(cè)定NO3--N。

二、結(jié)果與討論

圖4為在不投加碳源的條件下原水曝氣至6mg/L時(shí)對(duì)反硝化的影響，原水加入到混合液后經(jīng)混合液的稀釋作用DO迅速降至3.5mg/L?？梢钥闯?，不論原水曝氣與否，反硝化過(guò)程前5～10min內(nèi)NO3--N降低的幅度較大，樣1和樣2中NO3--N濃度由8.3 mg/L分別降至6.67mg/L和5.50 mg/L。其后趨于平緩。反硝化60min后，原水曝氣后的水樣中NO3--N濃度為6mg/L，而原水未曝氣的水樣中NO3--N濃度降至4.75mg/L，氮去除率分別為27.7%和42.8%。溶解氧的消耗主要發(fā)生在反硝化前5min，之后兩者溶解氧均穩(wěn)定在0.3mg/L左右。

圖4 不加碳源時(shí)原水曝氣對(duì)反硝化影響

在投加碳源的情況下（見(jiàn)圖5），NO3--N濃度下降的趨勢(shì)與圖4類(lèi)似。投加碳源后，未經(jīng)曝氣充氧的原水反硝化60min后NO3--N由10.11mg/L降至3.5mg/L，下降了6.61mg/L，氮去除率為65.4%；而充氧的原水NO3--N降低了4.86mg/L，氮去除率為48.1%?？梢钥闯?，原水充氧后明顯降低了反硝化脫氮效果。

圖5 加碳源時(shí)原水曝氣對(duì)反硝化影響

傳統(tǒng)的脫氮理論[7,8]認(rèn)為，反硝化菌是異養(yǎng)兼性厭氧菌，既能進(jìn)行有氧呼吸，也能進(jìn)行無(wú)氧呼吸。含碳有機(jī)物好氧生物氧化時(shí)所產(chǎn)生的能量高于厭氧硝化時(shí)所產(chǎn)生的能量，這表明，當(dāng)同時(shí)存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時(shí)，氧會(huì)與硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)電子供體，反硝化菌會(huì)優(yōu)先進(jìn)行有氧呼吸，降解含碳有機(jī)物，從而抑制硝酸鹽的還原。另外，微生物從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)氧呼吸的關(guān)鍵是合成無(wú)氧呼吸的酶，而分子態(tài)氧的存在會(huì)抑制這類(lèi)酶的合成及其活性。只有在無(wú)分子氧而同時(shí)存在硝酸和亞硝酸離子的條件下，反硝化菌才能夠利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。因此，溶解氧會(huì)對(duì)反硝化過(guò)程起到很大的抑制作用。在本研究中，將充氧后原水加入混合液中后，DO快速下降，可以判斷DO消耗了部分易降解CODcr，而這一部分CODcr也是易被反硝化菌利用的，由此可以推斷，跌水曝氣充氧通過(guò)消耗部分原水中的CODcr，降低了原水中的碳源，從而影響反硝化效果。反硝化60min后，充氧的原水NO3--N濃度要比未充氧原水高1.3～1.8mg/L。

三、消除跌水充氧優(yōu)化建議

1.優(yōu)化方案

假設(shè)跌水充氧量為5mg/L，按照1mg/L DO消耗1mg/L CODcr來(lái)計(jì)算，目前水廠(chǎng)采購(gòu)的乙酸鈉折合CODcr為2×105mg/L。則每日6萬(wàn)噸進(jìn)水5mg/L DO可消耗乙酸鈉約：60000×5/(20×10000)=1.5 m3/d，即每天投加的碳源乙酸鈉中有1.5 m3被跌水產(chǎn)生的溶解氧消耗掉而沒(méi)有用于反硝化脫氮。消除跌水充氧即能節(jié)省這部分碳源，降低水廠(chǎng)運(yùn)行的成本，為此，采取的方案有設(shè)置消能板、導(dǎo)流管和在出水堰上開(kāi)孔3種。

2.方案比較

表1 跌水曝氣消能方案比選

3種方案的比較見(jiàn)表1。

由表1可以看出，3種方案均能通過(guò)簡(jiǎn)單施工實(shí)現(xiàn)消能，其中方案1操作最為簡(jiǎn)單，但該方案對(duì)消能板的強(qiáng)度要求很高且不能完全消除跌水。方案2在出水堰末端增設(shè)導(dǎo)流管能降低跌水充氧量，但并不能完全消除跌水。相比之下，方案3在曝氣沉砂池出水堰下端1m處開(kāi)孔，施工簡(jiǎn)單，且能達(dá)到較好的預(yù)期效果。

曝氣沉砂池有效高度為3.2m，目前沉砂池不應(yīng)用其曝氣功能，即類(lèi)似于平流沉砂池，由于其HRT（5min）要高于實(shí)際平流沉砂池（1min），水平流速小于平流沉砂池，因此造成大量SS在沉砂池中沉降。鑒于此，建議選擇方案3，在曝氣沉砂池出水堰下端1m處開(kāi)孔，將沉砂池水位高度降低后，沉砂池實(shí)際HRT將縮小，將有利于泥砂分離。

四、結(jié)論

（1）該污水廠(chǎng)進(jìn)水中CODcr濃度受SS影響較大，原水C/N不能滿(mǎn)足出水TN對(duì)反硝化程度的需要。通過(guò)投加碳源乙酸鈉，提高有效C/N，使污水廠(chǎng)出水TN平均含量能達(dá)到類(lèi)Ⅳ類(lèi)水出水標(biāo)準(zhǔn)。

（2）曝氣沉砂池末端跌水高度大部分時(shí)間處于1.2～1.4m之間，充氧量約5～6mg/L。

（3）小試實(shí)驗(yàn)表明原水充氧6mg/L后，加入混合液會(huì)快速消耗碳源，影響反硝化效果，反硝化60min后，充氧6 mg/L的原水NO3--N濃度要比未充氧原水高1.3～1.8mg/L。

（4）針對(duì)曝氣沉砂池末端跌水充氧降低cass池反硝化脫氮效果這一現(xiàn)象，提出3個(gè)解決方案，經(jīng)比較，在曝氣沉砂池出水堰下端1m處開(kāi)孔，將沉砂池水位高度降低，縮小了沉砂池實(shí)際HRT，利于泥砂分離。改造完成后預(yù)計(jì)每年將節(jié)省乙酸鈉投加費(fèi)用43.8萬(wàn)元。