劉亞琴，謝 菁，劉寧宇，陳園園，吳智仁,

(1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇艾特克環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 宜興 214214；3.天方藥業(yè)有限公司，河南 駐馬店 463000)

1 基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝

1.1 試驗工藝流程

圖1 基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝流程圖Fig.1 Flow chart of inverted A/O process for biological removal of nitrogen with circulating zeolites

1. 2 試驗裝置

試驗裝置反應(yīng)器缺氧池、好氧池、曝氣池、沉淀池材質(zhì)為304不銹鋼，其主要設(shè)計參數(shù)見表1。其中，缺氧池中設(shè)有濾網(wǎng)和機(jī)械攪拌器，濾網(wǎng)可截留住沸石使其僅在缺氧池和好氧池之間循環(huán)再生，機(jī)械攪拌器促進(jìn)污泥和沸石均勻混合；好氧池和曝氣池設(shè)有曝氣盤；沉淀池采用豎流式結(jié)構(gòu)。

表1 試驗裝備主要設(shè)計參數(shù)

1. 3 試驗材料

1.3.1 試驗材料的制備

本試驗所用的沸石是由粒徑為50 μm的沸石粉改性制備而成，具體制備過程如下：

(1) 采用蒸餾水將粉末沸石洗凈并于105℃烘干，備用。

(2) 將60 %～70 %的沸石與25%～35%的光交聯(lián)聚乙二醇預(yù)聚物和1%～4%的海藻酸鈉混合形成混合液。

(3) 將上述混合液滴加到2%～5%的鈣鹽溶液中，制作成球形凝膠狀。

(4) 再將球形凝膠放在紫外線下照射，最終得到粒徑范圍為2～5 mm、比表面積為500～1 000 m2/g且相對密度接近于水的改性沸石顆粒，見圖2。

圖2 粒徑為50 μm的沸石粉改性制備成的沸石Fig.2 Zeolite prepared from 50 μm zeolite powder

沸石的氨氮吸附/脫附性能優(yōu)良，應(yīng)用于基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝的研究系統(tǒng)中可反復(fù)再生利用，有效降低了運(yùn)行成本，具有巨大的推廣應(yīng)用價值。

1.3.2 試驗儀器

本次試驗中所用的儀器見表2。

表2 試驗中所用的儀器

1.3.3 試驗試劑

本次試驗中所用的化學(xué)試劑主要有葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等，詳見表3。

1. 4 試驗測試指標(biāo)及分析方法

本次試驗測試指標(biāo)為pH值、DO、COD、NH3-N、TN、MLSS、沸石濃度，其分析方法詳見表4。

本工藝的優(yōu)化升級以及試驗的進(jìn)行均圍繞脫氮展開，故測試指標(biāo)中未涉及P，P的去除可在后續(xù)通過添加化學(xué)藥劑來實現(xiàn)，且操作簡便、效果穩(wěn)定[11-14]。

表3 試驗中所用的化學(xué)試劑

表4 試驗測試指標(biāo)和分析方法

2 結(jié)果與分析

2. 1 模擬市政污水脫氮處理最佳運(yùn)行參數(shù)的確定

2.1.1 試驗用水

本次試驗處理規(guī)模為600 L/d，進(jìn)水水質(zhì)模擬江蘇鎮(zhèn)江某市政污水處理廠進(jìn)水，其水質(zhì)詳見表5。該模擬市政污水的配方為(g/L)：葡萄糖(0.25～0.31)，NH4Cl(0.10～0.13)，KNO3(0.07)，KH2PO4(0.18)，NaHCO3(0.05～0.15)，MgSO4·7H2O(0.09)，CaCl2·2H2O(0.03)，F(xiàn)eSO4·2H2O(0.003)。

表5 模擬市政污水進(jìn)水水質(zhì)

2.1.2 試驗方案設(shè)計

pH值、DO、C/N、SRT、內(nèi)回流比、污泥回流比、水力停留時間等均可影響系統(tǒng)的脫氮效果，這些參數(shù)的合理設(shè)置對該工藝的脫氮性能影響顯著。本次采用正交試驗設(shè)計方法獲取最佳工藝控制運(yùn)行參數(shù)。本試驗處理對象為模擬市政污水，則該水質(zhì)的C/N和pH值為確定值，根據(jù)本課題組之前對于HCBR工藝試驗研究的經(jīng)驗，結(jié)合工藝的實際情況，考慮到時間、條件的限制，最終選定DO、r和R為該工藝中脫氮效果的重要影響因素，以考察工藝運(yùn)行過程中各參數(shù)對各污染物指標(biāo)去除影響的主次關(guān)系，并通過優(yōu)化研究以獲取最佳的工藝運(yùn)行控制參數(shù)。以系統(tǒng)對污染物去除率(其中包括COD、NH3-N、TN去除率等)為正交試驗的性能指標(biāo)，以DO、r和R為正交試驗的3個影響因素，建立三因素三水平的正交試驗[L9(33)]，正交試驗因素水平、試驗方案和試驗結(jié)果見表6和表7。

表6 正交試驗因素水平表

表7 正交試驗方案和試驗結(jié)果

注：每個工況進(jìn)出水均為一個階段穩(wěn)態(tài)試驗(大于15 d)的平均值。

本次正交試驗嚴(yán)格按照表6和表7進(jìn)行，其他因素控制如下：進(jìn)水量為25 L/h、沸石濃度為20 g/L、MLSS濃度為3 000～5 000 mg/L、泥齡為10～15 d、短時曝氣池DO為0.3～0.4 mg/L。每組試驗條件連續(xù)運(yùn)行，待運(yùn)行穩(wěn)定后開始取樣，并測定樣品中的COD、NH3-N和TN濃度，并計算其平均去除率。

2.1.3 試驗結(jié)果與分析

極差R是表示數(shù)據(jù)離散程度的一個統(tǒng)計量。當(dāng)某一因素極差越大，表明該因素在試驗范圍內(nèi)變化時對試驗指標(biāo)的影響越大，也就越重要。本文以COD、NH3-N、TN去除率這3個單指標(biāo)對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，運(yùn)用正交分析法分別計算各因素不同水平的效應(yīng)值K(各因素水平對指標(biāo)的總影響)、k(各因素水平對指標(biāo)的平均影響)和極差值R，其計算結(jié)果見表8。

表8 正交試驗結(jié)果分析

由表8可以看出：

(1) 根據(jù)COD去除率的極差分析可知，3個影響因素的重要性排序依次為R>DO>r，但是極差值R1=0.43、R2=0.36、R3=0.65，這3個數(shù)值很小且非常接近，說明9組正交試驗中DO、r和R這3個影響因素的變化對COD去除率的影響均不顯著，系統(tǒng)對市政污水中COD的去除率在97%左右，而且較為穩(wěn)定。這可能是因為在缺氧池時異養(yǎng)菌能充分利用COD進(jìn)行反硝化脫氮消耗，同時曝氣池可進(jìn)一步去除殘余的COD，以保證出水中COD的達(dá)標(biāo)率。

(2) 根據(jù)NH3-N去除率的極差分析可知，DO對該工藝去除NH3-N具有顯著的影響，其次是r和R， 后兩者的影響作用相當(dāng)。這是因為DO的水平控制會直接影響到系統(tǒng)的硝化程度；此外，由于NH3-N的去除幾乎是由沸石吸附然后內(nèi)回流至好氧池經(jīng)活性污泥中硝化菌硝化去除，因此保證沸石的循環(huán)和系統(tǒng)中活性污泥的濃度同等重要。

(3) 根據(jù)TN去除率的極差分析可知，3個影響因素的重要性排序依次為r>DO>R，對TN去除率影響最大的因素是r。這是因為該工藝主要通過內(nèi)回流將缺氧池的污泥和吸附NH3-N的沸石回流至好氧池，進(jìn)行沸石再生，即硝化反應(yīng)。r過高，生化池實際水力停留時間變短，導(dǎo)致反硝化不徹底，從而脫氮效率降低；r過低，反硝化徹底但硝化池NH3-N不足，從而影響微生物的硝化反應(yīng)能力。有數(shù)據(jù)表明，將r控制在100%較為適宜。此外，DO會影響整個系統(tǒng)的硝化反硝化進(jìn)程，從而影響整個系統(tǒng)的脫氮效果。由正交試驗結(jié)果可知，當(dāng)DO為1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L時，對NH3-N的去除率均達(dá)到90%以上，但在DO為1.0 mg/L的3組試驗中，系統(tǒng)對NH3-N和TN的去除率均達(dá)到了最高。這主要是由于氧擴(kuò)散的限制，氧傳遞受阻以及外部DO的大量消耗，使污泥絮體內(nèi)產(chǎn)生了缺氧區(qū)，從而形成了有利于實現(xiàn)同步消化反硝化的微環(huán)境[15]；隨著DO的增加，DO破壞了污泥絮體內(nèi)部的缺氧微環(huán)境，使得反硝化過程受到抑制，出水中TN濃度偏高[16-17]。因此，該工藝對市政污水脫氮效果的DO控制在1.0 mg/L較為適宜。

另外，由表8還可知，COD去除率的最佳方案是A1B2C3，NH3-N去除率的最佳方案是A1B1C2，TN去除率的最佳方案也是A1B1C2。因此，綜合考慮各因素的影響程度、各污染物指標(biāo)去除的最佳方案以及節(jié)能效果，確定該工藝對市政污水脫碳、脫氮處理效果的最佳運(yùn)行方案為A1B1C2，即DO為1 mg/L、r為100%、R為100%。

2. 2 模擬市政污水脫氮處理最佳運(yùn)行條件的驗證

為了考察基于沸石循環(huán)的倒置A/O工藝對模擬市政污水的脫氮處理效果及其運(yùn)行穩(wěn)定性，本文按上述最佳運(yùn)行方案，即DO為1 mg/L、r為100%、R為100%，進(jìn)行了為期兩個多月的連續(xù)運(yùn)行試驗，其試驗結(jié)果見圖3。

圖3 基于沸石循環(huán)的倒置A/O工藝對模擬市政污水的 脫氮處理效果Fig.3 Removal efficiency of nitrogen from simulated municipal wastewater by inverted A/O process with circulating zeolites

由圖3可見：試驗期間，進(jìn)水中COD在287～330 mg/L之間波動，出水中COD為2.91～11.01 mg/L，且出水穩(wěn)定，COD平均去除率高達(dá)97.40%，出水中COD濃度遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值[見圖3(a)];試驗期間，進(jìn)水中NH3-N在25.05～35.44 mg/L之間波動，NH3-N平均去除率高達(dá)99.33%，且出水穩(wěn)定，出水中NH3-N濃度遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值[見圖3(b)]；試驗期間，進(jìn)水中TN在35.59～46.15 mg/L之間波動，出水中TN為1.85～4.96 mg/L(小于5 mg/L)，TN平均去除率高達(dá)92.81 %，出水中TN濃度遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值[見圖3(c)]。

綜上可見，當(dāng)運(yùn)行條件DO為1 mg/L、r為100%、R為100 %時，該系統(tǒng)脫氮處理效果穩(wěn)定且出水中COD、NH3-N、TN等水質(zhì)指標(biāo)與正交試驗結(jié)果吻合，均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

2. 3 實際市政污水脫氮處理效果的驗證

為了進(jìn)一步探討基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝的運(yùn)行效果及其穩(wěn)定性，本文對該工藝進(jìn)行了為期兩個月的實際污水連續(xù)運(yùn)行試驗，水源取自鎮(zhèn)江市某市政污水處理廠，進(jìn)、出水水質(zhì)見表9。

由表9可知，該工藝在最佳運(yùn)行參數(shù)下對實際市政污水的脫氮處理效果與前述市政污水的脫氮處理效果雖有差異，但基本一致，其出水水質(zhì)均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，尤其可使TN去除率達(dá)91%以上。此外，相對于常規(guī)A/O工藝、兩級A/O工藝在最佳參數(shù)下的運(yùn)行，該工藝具有明顯的優(yōu)勢，DO及回流比動力費(fèi)均大大降低[8]。由此可見，該工藝不僅可以高效地處理市政污水，而且運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)成本低，具有很大的實際應(yīng)用潛力。

表9 基于沸石循環(huán)的倒置A/O工藝對市政污水的脫氮處理效果

3 結(jié) 論

(1) 正交試驗結(jié)果表明：基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝處理市政污水，DO、r和R3個因素的變化對COD去除率的影響均不顯著，該工藝去除COD的能力較強(qiáng)且穩(wěn)定；DO對該工藝去除NH3-N具有顯著的影響，其次是r和R，且后兩者的影響相當(dāng)；對TN去除率影響的重要性排序依次為r>DO>R，對TN去除率影響最大的因素是r。根據(jù)正交試驗結(jié)果，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，確定基于沸石循環(huán)的倒置A/O工藝市政污水脫氮處理最優(yōu)工藝條件是：DO為1.0 mg/L、r為100%、R為100%。

(2) 在最佳工藝條件下基于沸石循環(huán)的倒置A/O生物脫氮工藝處理模擬市政污水及實際市政污水的出水水質(zhì)均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18919—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，且工藝運(yùn)行效果穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本低，具有很大的實際應(yīng)用潛力和價值。