吉澤英

（福建華東水務(wù)有限公司，福建 福州 353000）

0 前言

目前，工業(yè)污水處理廠普遍因碳源不足導(dǎo)致污水脫氮效果較差而難以達(dá)標(biāo)排放。研究及工程運營表明，將廢水中的CODCr/TN 控制在6～8、CODCr/TP＞20 時，即可滿足微生物對碳源的需求[1]。

活性污泥法反硝化是生物脫氮關(guān)鍵。影響反硝化因素包括3 個方面：1）外在環(huán)境因素。DO、溫度和酸堿度。2）運行工況因素。碳氮比、碳磷比和有機(jī)物種類等。3）運行參數(shù)。污泥齡、水力停留時間、回流比以及污泥濃度等[2]。

該研究主要針對低碳氮比的實際工業(yè)廢水，以改良型Carrousel 氧化溝工藝為主要對象，通過正交試驗研究溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對某工業(yè)污水處理廠改良型氧化溝生物脫氮效果的影響，以確定最佳運行工況，以求為污水處理廠確保出水達(dá)標(biāo)前提下優(yōu)化污水廠運行模式和低碳節(jié)能降耗提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗所用藥劑、儀器、污泥和廢水

試驗藥劑：其余為分析純。

分析儀器：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司BAS224S型分析電子天平，KT370 型可調(diào)速攪拌機(jī)（啟東市匯龍混合設(shè)備有限公司），上海精宏DHG-9076A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海右一儀器有限公司），pH 計（上海精密科學(xué)儀器有限公司），Uvmini1240 紫外分光光度計[島津企業(yè)管理（中國）有限公司]，科迪博9012 型COD 恒溫加熱器（青島科迪博電子科技有限公司）。

試驗污泥：以該工業(yè)污水處理廠缺氧段隨機(jī)時段的混合液靜置沉淀30 min 后的污泥為接種污泥。此時，鏡檢發(fā)現(xiàn)，污泥顆粒很大、沉降性能良好。將污泥濃度（Mixed Liquor Suspended Solid， MLSS）控制在3200 mg/L 左右，再移入相應(yīng)試驗裝置開展相關(guān)試驗研究。

試驗廢水：試驗水樣來自某工業(yè)污水處理廠隨機(jī)時段的進(jìn)水。該工業(yè)污水處理廠采用改良型Carrousel 氧化溝工藝，遠(yuǎn)期設(shè)計總處理能力7.0 萬m3/d，目前建成3.5 萬m3/d，該氧化溝系統(tǒng)分2 組，試驗期間只有1 組投入使用，日處理水量約1.7 萬m3/d。該工業(yè)污水處理廠接納污水包括先進(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)、食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)、電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新材料4 種工業(yè)產(chǎn)業(yè)的污水，另規(guī)劃范圍外的福建華佳彩有限公司及福建省福聯(lián)集成電路有限公司的工業(yè)廢水納入本污水處理廠。設(shè)計進(jìn)水BOD5/CODCr=0.36，而2019 年實際進(jìn)水BOD5/CODCr、CODCr/TN 平均分別為0.22、2.52，可生化性差。

1.2 監(jiān)測項目及分析方法

該試驗主要的監(jiān)測項目與方法見表1。

表1 監(jiān)測項目及其分析方法

1.3 試驗方法

對正交試驗的各個因素及對應(yīng)水平進(jìn)行分析，確定所選因子是否具有可控性及參數(shù)水平的合理區(qū)間，研究污泥回流比（R）、污泥濃度（MLSS）、溶解氧（DO）對改良型Carrousel氧化溝處理低碳氮比工業(yè)廢水時生物脫氮效果的影響。

1.3.1 正交試驗因素的選定

正交試驗因素的選定以污水處理廠日常運行時控制生化系統(tǒng)的溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）等主要參數(shù)來分析。

1.3.1.1 溶解氧（DO）

溶解氧是指空氣中溶解于水中的分子氧，以每升水中的氧毫克數(shù)表示。系統(tǒng)中溶解氧含量的水平及其濃度分布對微生物種類及其在氧化溝系統(tǒng)中的活性起決定性作用，直接影響生化系統(tǒng)的處理效率。如果溶解氧的濃度太高，將破壞缺氧環(huán)境，會降低反硝化效率；如果溶解氧的濃度過低，硝化作用將會受到抑制，污泥的沉降性能會降低，并導(dǎo)致污泥膨脹。因此，精準(zhǔn)合理地控制曝氣量已成為提高氧化溝反硝化效率的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)常規(guī)做法，該試驗采用氧化溝的出水口作為DO 測量點。

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與進(jìn)入氧化溝首端的污水量的比值，一般用百分?jǐn)?shù)表示。一方面，回流污泥可以補(bǔ)充氧化溝系統(tǒng)運行所需的生物量，使氧化溝系統(tǒng)中的污泥濃度相對穩(wěn)定，并使聚磷菌有效除磷；同時，回流污泥中的亞硝酸鹽和硝酸鹽將在缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮。但是，污泥回流過高，回流污泥中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量高，會影響厭氧環(huán)境及磷的去除。如果污泥回流過低，就會在二沉池中發(fā)生反硝化作用，從而導(dǎo)致二沉池污泥浮起影響出水水質(zhì)。工程操作中的常規(guī)做法是根據(jù)二沉池的污泥泥位和剩余污泥排放量進(jìn)行調(diào)整。通常來說，氧化溝的污泥回流比控制在50%～100%。

1.3.1.3 污泥濃度（MLSS）

污泥濃度或混合液體懸浮固體濃度（MLSS）表示曝氣池中混合液單位體積中所含活性污泥固體的總質(zhì)量。它取決于活性污泥的沉降特性，污泥從沉淀池返回曝氣池的速率以及沉淀池的設(shè)計等因素。其中，活性污泥中的微生物是污水處理系統(tǒng)的主體，是完成處理系統(tǒng)硝化反硝化功能的承擔(dān)者。污泥濃度過高，系統(tǒng)污泥齡過長會影響除磷效果。過低的污泥濃度會抑制硝化反應(yīng)并影響反硝化效果。

污泥濃度是生物脫氮除磷系統(tǒng)中重要的設(shè)計參數(shù)之一。如果MLSS 選擇不合適，就可能會導(dǎo)致反應(yīng)池中有機(jī)污染物與活性污泥之比（F／M）的失調(diào)，從而影響污水脫氮除磷效果。

吳代順等[3]考察了MLSS 對生活污水脫氮除磷的影響，結(jié)果表明，當(dāng)MLSS 分別為1600mg/L 和4800mg/L 時，NO3-N的去除率分別為82%和93%，提高M(jìn)LSS 有利于氨氮的去除。邵輝煌等[4]考察了MLSS 對生活污水脫氮除磷的影響，結(jié)果表明，當(dāng)MLSS 由4135mg/L 升至6266mg/L 時，脫氮率由56.3%升至70.15%，但是尾水中TP 濃度不降反升，由0.68mg/L 升至1.06mg/L。這說明適度提高M(jìn)LSS 有利于生物脫氮，但是過高的MLSS 反而不利于生物除磷。鄧仁健等[5]考察了MLSS 對污水脫氮除磷的影響，結(jié)果表明，當(dāng)MLSS 分別為2400、3350 和4300mg/L 時，各系統(tǒng)TP 去除率分別為71.3%、73.9%和75.6%；但MLSS 從4300mg/L 升至5250mg/L時，系統(tǒng)TP去除率卻降為56.7%；而當(dāng)MLSS由4300mg/L升至5250mg/L 時，系統(tǒng)對TN 的去除率由52.5%升高至66.6%。這也印證了“適度提高M(jìn)LSS 有利于生物脫氮，但是過高的MLSS 反而不利于生物除磷”的結(jié)果。即使污泥濃度相近，不同污泥中所含反硝化菌的數(shù)量可能存在差異，也可能導(dǎo)致反硝化效果不同。

此外，當(dāng)水溫低時，活性污泥的活性減弱，其降解有機(jī)物的速度變慢，此時，要保持較高的DO 值和MLSS，以加快有機(jī)物降解速度，保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；當(dāng)水溫升高時，活性污泥的活性增強(qiáng)，其降解有機(jī)物的速度變快，因此可保持較低的DO 值和MLSS，以防止由于有機(jī)物過快降解導(dǎo)致活性污泥微生物因營養(yǎng)不足造成內(nèi)源呼吸過度，避免活性污泥老化太快，從而保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)[6]。因此合理地控制污泥濃度是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一。

溶解氧、污泥回流比和污泥濃度等因素對氧化溝系統(tǒng)的脫氮效果都會產(chǎn)生影響，該研究通過正交試驗對這些參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，以獲取氧化溝系統(tǒng)脫氮效果最佳的運行工況參數(shù)，為實際生產(chǎn)及該工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供試驗依據(jù)。

1.3.2 正交試驗的安排

基于過低的進(jìn)水水質(zhì)，該研究以該氧化溝系統(tǒng)對污染物去除率（包括氨氮、總氮去除率）為正交試驗的性能指標(biāo)，以溶解氧、污泥回流比和污泥濃度為正交試驗的3 個影響因素，結(jié)合該廠實際運行情況，確定氧化溝出水口溶解氧的3 個水平分別為0mg/L～1.0mg/L、1.0mg/L～2.0mg/L、2.0mg/L～3.0mg/L，污泥濃度的3 個水平分別為2000mg/L～2500mg/L、2500mg/L～3000mg/L、3000mg/L～3500mg/L，污泥回流比的3 個水平分別為50%～65%、65%～80%、80%～95%，建立三因素三水平的正交試驗[L9（33）]，共9 個工況，每個工況進(jìn)行7 天試驗。在測試期間，均從氧化溝出水口對DO和MLSS 采樣檢測，正交試驗各因素水平的取值范圍見表2。

表2 正交試驗因素水平表

2 結(jié)果及討論

2.1 正交試驗的結(jié)果

該正交試驗是根據(jù)正交試驗因素（表2）的水平和正交試驗計劃進(jìn)行的。試驗中各因素的控制方法如下：通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的頻率來控制溶解氧的濃度；通過調(diào)節(jié)污泥回流泵來調(diào)節(jié)污泥回流比；通過調(diào)節(jié)污泥回流和剩余污泥的排放量來控制污泥濃度。其他運行因素控制：氧化溝內(nèi)水力停留時間約為22 h；保持硝化液回流門完全打開。正交試驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗方案和試驗結(jié)果

2.1.1 正交試驗結(jié)果的極差分析

極差分析法具計算簡單、形象直觀和簡單易懂等優(yōu)點，其值Rij的大小用來衡量試驗中對應(yīng)因素作用的大小。極差越大，表明該因素的變化對試驗結(jié)果的影響大，該因素就越重要；相反，極差越小，表明該因素水平變動對試驗結(jié)果的影響小，該因素就越不重要。對表3 中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。由表4 可以看出，溶解氧、污泥濃度和污泥回流比對氨氮和總氮去除率影響的重要性順序：DO＞R＞MLSS。

表4 正交試驗的極差分析

2.1.2 正交試驗的方差分析

表3 中試驗數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果見表5。

表5 正交試驗的方差分析

由正交試驗的方差分析可知，在這3 個因素中，溶解氧對氧化溝中總氮的去除率有顯著影響。溶解氧高低直接影響氧化溝系統(tǒng)的硝化反硝化程度，溶解氧濃度過低，硝化將受到抑制，不僅容易導(dǎo)致污泥膨脹，還會降低污泥的沉降性能。溶解氧過高會破壞缺氧區(qū)環(huán)境，從而影響反硝化作用并降低脫氮效率。從表5 可以看出，污泥濃度和污泥回流比也會影響系統(tǒng)的反硝化效果。

氨氮去除率方差分析說明溶解氧對氨氮去除率有顯著的影響，污泥回流比和污泥濃度對氨氮去除率無顯著影響。

2.2 不同工況下氨氮處理效果及分析

根據(jù)表4 的極差分析數(shù)據(jù)，對氨氮降解效能的影響因素進(jìn)行分析，A（溶解氧）、B（污泥濃度）和C（污泥回流比）影響因素的最優(yōu)水平分別是：A3（DO：2.0 mg/L～3.0 mg/L）、B1（MLSS：2000 mg/L～2500 mg/L）、C3（R：80%～95%）。

圖1 不同工況下氨氮的去除效果

系統(tǒng)中溶解氧的濃度對硝化反應(yīng)有重大影響。隨著溶解氧濃度增加，氨氮的去除率提高。對活性污泥來說，曝氣量增大，溶解氧濃度升高，氧傳遞加強(qiáng)，微生物絮狀體內(nèi)部的好氧環(huán)境增加，硝化細(xì)菌在好氧環(huán)境下更有利于分解氨氮。由于氨氮的總體去除率較高，因此回流比和污泥濃度對氨氮去除率的影響相對較小。

由圖2 可以看出，所有工況下出水氨氮都能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 標(biāo)準(zhǔn)。工況7（A3B1C3）氨氮去除率最高為99.14%，工況2（A1B2C2）總氮去除率最低為95.86%。

圖2 不同工況下總氮的去除效果

2.3 不同工況下總氮處理效果及分析

根據(jù)表4 的極差分析數(shù)據(jù)，對總氮降解效能的影響因素進(jìn)行分析， A（溶解氧）、B（污泥濃度）和C（污泥回流比）影響因素的最優(yōu)水平分別為A3（DO：2.0～3.0mg/L），B1（MLSS：2000～2500 mg/L），C3（R：80%～95%）。

溶解氧對系統(tǒng)的反硝化作用影響最大，因為溶解氧會影響系統(tǒng)的硝化反應(yīng)，進(jìn)而影響反硝化脫氮。在一定范圍內(nèi)，污泥回流比越大，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮進(jìn)入氧化溝的缺氧區(qū)越多，反硝化去除效率越高。污泥濃度對系統(tǒng)的反硝化效果也有一定影響，污泥濃度主要受污泥排放量控制。在進(jìn)水有機(jī)污染物濃度較低的情況下，當(dāng)污泥濃度較高時，MLVSS/MLSS 值偏低，從而導(dǎo)致老化污泥較多，導(dǎo)致微生物活性降低，反而影響脫氮處理效率。

由圖2 可以看出，所有工況下出水氨氮都能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 標(biāo)準(zhǔn)。工況7（A3B1C3）總氮去除率最高為68.61%，工況2（A1B2C2）總氮去除率最低為50.19%。

3 結(jié)論

對低碳氮比的難處理的實際工業(yè)廢水，通過正交試驗研究了溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對某工業(yè)污水處理廠改良型氧化溝生物脫氮效果的影響，進(jìn)而確定了最佳的運行工況，以期為該污水處理廠的運行模式和低碳節(jié)能降耗提供參考。1）通過正交試驗極差及方差分析，A（溶解氧）、B（污泥濃度）和C（污泥回流比）三因素中，對總氮和氨氮去除率影響的重要性排序均為：DO ＞R ＞MLSS，溶解氧對脫氮影響較為顯著。2）綜合考慮各因素不同水平試驗結(jié)果，適合當(dāng)前外界條件（進(jìn)水水質(zhì)、環(huán)境溫度等）下，該廠改良型氧化溝系統(tǒng)的合適水平組合：氧化溝出口溶解氧2.0mg/L～3.0mg/L，污泥濃度2000mg/L～2500mg/L，污泥回流比80%～95%。