宗紹宇

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250011）

在人們的日常生活中，會(huì)產(chǎn)生很多的生活污水，若不進(jìn)行處理直接排放，就會(huì)對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，在排放前需要提前對(duì)污水進(jìn)行處理。但傳統(tǒng)生活污水處理方法存在能源和物質(zhì)消耗較大的問(wèn)題，還需要進(jìn)一步對(duì)生活污水處理方法進(jìn)行優(yōu)化。就此，部分學(xué)者也進(jìn)行了研究，如賀斌[1]制備了一種新型高通量抗污染的PDA/PEI 納米顆粒膜用于含油生活污水的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的膜材料對(duì)生活污水法通量恢復(fù)率為99.4%，對(duì)含油污水中TOC的去除率達(dá)45%。以上膜材料雖然具備高通量抗污染的性能，但去除率無(wú)法達(dá)到理想目標(biāo)。汪晨晨[2]則針對(duì)分散式處理污水提出側(cè)向回流一體化生物膜反應(yīng)器，并對(duì)反應(yīng)器的相關(guān)性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化工藝后反應(yīng)器的污水去除效果良好。但該方法受限于膜壽命的影響，導(dǎo)致運(yùn)行成本大大增加，難以大規(guī)模投入使用。傅金祥[3]制備出一種新型改性沸石氨氮吸附劑對(duì)生活污水進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)改性沸石氨氮吸附劑處理后的生活污水NH3-N 含量低于2mg·L-1，且吸附劑具備重復(fù)再生的效果。以上學(xué)者的研究為生活廢水的處理提供了一些方法，但還達(dá)不到理想處理的要求。基于此，本實(shí)驗(yàn)以章心會(huì)[4]的研究為參考，構(gòu)建了一種厭氧-短程硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)，為生活污水處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

KH2PO4（AR 鼎欣生物）；CoCl2·6H2O（AR 鑫鳴泰化學(xué)）；NH4Cl（AR 鴻泉化工）；NaHCO3（AR 乾耀科技）；Cr（NO3）3·9H2O（AR 世能化工）；接種污泥（濟(jì)南西區(qū)污水處理廠二沉池）；模擬生活污水（自制）。

ZDJ-5 型數(shù)顯滴定儀（愛(ài)來(lái)寶儀器）；UV1500 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（奧析科學(xué)）；TE-1910 型溶解氧含量檢測(cè)儀（天爾儀器）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

先分別啟動(dòng)3 個(gè)反應(yīng)器，然后依次連接啟動(dòng)后的反應(yīng)器，從而得到厭氧-短程硝化-厭氧氨氧化（UASB-PN-Anammox）的污水處理體系。

1.2.1 厭氧（UASB）反應(yīng)

（1）以實(shí)驗(yàn)室配制模擬生活污水作為厭氧系統(tǒng)進(jìn)水，污泥為反應(yīng)器內(nèi)自帶污泥。

（2）模擬污水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行厭氧反應(yīng)。

（3）厭氧反應(yīng)主要為兩個(gè)階段：第一階段為1~80d，該階段水力停留時(shí)間（HOR）為10h，反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷為0.78kgCOD/（m3·d）；第二階段為81~140d，HOR 為8h，有機(jī)負(fù)荷為0.98kgCOD/（m3·d）。

1.2.2 短程硝化（PN）反應(yīng) 將活性污泥分別放入序列式反應(yīng)器中培養(yǎng)，打開(kāi)攪拌器進(jìn)行泥水的混合。通過(guò)曝氣頭曝氣，通過(guò)流量計(jì)調(diào)控曝氣量。PN 段參數(shù)為：進(jìn)水和出水時(shí)間均為5min，曝氣攪拌時(shí)間和沉淀時(shí)間分別為14h 和1h，溫度為35℃，間隔1d 換水一次。第一階段為1~7d，曝氣流量為1.0L·min-1；第二階段為8~47d，曝氣流量為0.1L·min-1；第三階段為48~60d，曝氣流量與換水頻率不變。

1.2.3 厭氧氨氧化（Anammox）反應(yīng) 厭氧氨氧化反應(yīng)器與短程硝化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。其中承托層填料與短程硝化反應(yīng)一致，濾料層填料為直徑為（3.00±1.00）mm 的陶粒。該過(guò)程主要分為兩個(gè)階段，第一階段為1~71d，該段進(jìn)水濃度約為（45±4）mg·L-1，水力停留時(shí)間為6h；第二階段為72~100d，進(jìn)水NH3-N 濃度約為25mg·L-1。

3 種反應(yīng)器外部均覆蓋有加熱絲和保溫棉，通過(guò)溫度控制儀對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行控制。

1.2.4 UASB-PN-Anammox 污水處理體系構(gòu)建 待3 種反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后依次進(jìn)行連接，得到UASBPN-Anammox 污水處理體系，并對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)性能進(jìn)行檢測(cè)。各個(gè)反應(yīng)器具體條件為：

（1）UASB 進(jìn)水COD 與NH3-N 濃度分別為310mg·L-1和47mg·L-1；進(jìn)水流量3.4L·h-1；水力停留時(shí)間8h；反應(yīng)溫度為30℃。

（2）PN 控制進(jìn)水流量為0.72L·h-1，UASB 段出水多余水量通過(guò)中間水箱側(cè)邊排出，水力停留時(shí)間與UASB 段一致；反應(yīng)溫度為35℃。

（3）Anammox 進(jìn)水流量與PN 段一致；水力停留時(shí)間為10.4h；反應(yīng)溫度為25℃。

UASB-PN-Anammox 污水處理體系見(jiàn)圖1。

圖1 UASB-PN-Anammox 污水處理體系Fig.1 UASB-PN-Anammox system

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 COD 濃度測(cè)試 通過(guò)重鉻酸鉀法測(cè)定COD濃度[5]。

1.3.2 氨氮（NH3-N）測(cè)定 通過(guò)納氏試劑比色法測(cè)定NH3-N 濃度[6]。

1.3.3 亞硝態(tài)氮（NO2-N）測(cè)定 通過(guò)乙二胺分光光度法對(duì)NO2-N 進(jìn)行測(cè)定[7]。

1.3.4 硝態(tài)氮（NO3-N）測(cè)定 通過(guò)紫外分光光度法對(duì)NO3-N 進(jìn)行測(cè)定[8]。

1.3.5 溶解氧（DO）測(cè)定 通過(guò)TE-1910 型溶解氧含量檢測(cè)儀對(duì)體系內(nèi)DO 濃度進(jìn)行測(cè)定[9]。

1.3.6 總氮（TN）測(cè)定 通過(guò)堿性K2S2O8消解紫外分光光度法測(cè)定TN[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)

厭氧反應(yīng)器主要作用是降解污水中的有機(jī)物，因此，可以通過(guò)COD 的去除率作為評(píng)價(jià)厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)的指標(biāo)[11，12]。圖2 為厭氧反應(yīng)器去除COD 效果。

圖2 厭氧反應(yīng)器去除COD 效果Fig.2 COD removal effect of anaerobic reactor

由圖2 可見(jiàn)，第一階段，反應(yīng)進(jìn)行至38d 時(shí)，COD 去除率快速提升，至60d 時(shí)，COD 去除率基本達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)COD 去除率約為74%，出水COD濃度約為87mg·L-1。第二階段，實(shí)驗(yàn)天數(shù)到達(dá)95d時(shí)，COD 去除率開(kāi)始出現(xiàn)回升，到110d 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)出水COD 約為82mg·L-1，COD 去除率約為70%，后續(xù)出水COD 濃度和平均去除率只有小幅度波動(dòng)，厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

2.2 短程硝化反應(yīng)器

在短程硝化階段，主要是對(duì)廢水中的NH3-N 進(jìn)行去除，因此，可以以NH3-N 去除率作為評(píng)價(jià)短程硝化反應(yīng)器成功啟動(dòng)的指標(biāo)[13]。圖3 為NH3-N 和NO2-N 含量測(cè)試結(jié)果。

圖3 短程硝化反應(yīng)器運(yùn)行情況Fig.3 Operation of shortcut nitrification reactor

由圖3 可見(jiàn)，在第一階段，出水NH3-N 濃度下降至52~58mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 濃度分別為0.3~0.8mg·L-1和87~95mg·L-1，NH3-N 轉(zhuǎn)化率約為（62±1）%。證明第一階段時(shí)，污泥中AOB 與NOB 的活性良好。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至第二階段時(shí)，9~15d NH3-N轉(zhuǎn)化率急速降低，僅有6%左右，直至17d 時(shí)才開(kāi)始慢慢回升。這是因?yàn)樵诘诙A段調(diào)整曝氣濃度后，容器內(nèi)溶解氧濃度急速降低，這就抑制了AOB 與NOB 活性，使得NH3-N 轉(zhuǎn)化效率降低。在低氧狀態(tài)下，AOB 恢復(fù)活性的速率更快，這就導(dǎo)致了體系內(nèi)出現(xiàn)亞硝酸鹽累積的情況。反應(yīng)至47d 時(shí)，出水NH3-N 濃度約為37.5mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 濃度分別為93mg·L-1和14.5mg·L-1，NH3-N 去除率約為74.5%，NH3-N 轉(zhuǎn)化率表現(xiàn)良好。在反應(yīng)的第三階段，反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行至60d 時(shí)，出水NH3-N 濃度約為4~6mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 濃度分別為34~38mg·L-1和4~6mg·L-1，NH3-N 轉(zhuǎn)化率約為86.5%~92%。以上變化說(shuō)明短程硝化反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

2.3 厭氧氨氧化反應(yīng)

2.3.1 對(duì)NH3-N 的去除效果 圖4 為廢水中NH3-N的去除效果。

圖4 NH3-N 去除效果Fig.4 Ammonia nitrogen removal effect

由圖4 可見(jiàn)，在第一階段，實(shí)驗(yàn)時(shí)間從1d 增加至15d 的過(guò)程中，出水NH3-N 濃度降低至11.5~14.5mg·L-1，去除率波動(dòng)較大，在65%~77%之間。實(shí)驗(yàn)天數(shù)增長(zhǎng)至26d 的過(guò)程中，出水NH3-N 濃度下降約為3.2mg·L-1。繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間至第一階段結(jié)束，NH3-N 去除率始終維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在90%~93.5%之間波動(dòng)。在第二階段，NH3-N 去除率略低，但波動(dòng)不大，這可能是因?yàn)槌跏糔H3-N 濃度有一定降低。第二階段，出水NH3-N 濃度范圍和去除率分別為1.8~2.9mg·L-1和88%~92%。

2.3.2 NO2-N 去除 查閱相關(guān)資料，厭氧氨氧化反應(yīng)NO2-N 與NH3-N 最佳比例為1.32∶1，因此，在進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)時(shí)，以該比例控制NO2-N 與NH3-N 濃度[14，15]。對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器去除NO2-N的效率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 NO2-N 去除效果Fig.5 Nitrite nitrogen removal effect

由圖5 可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行至15d 時(shí)的過(guò)程中，NO2-N 濃度范圍為11~12.5mg·L-1，去除率為76%~80%。反應(yīng)進(jìn)行至17d 時(shí)，NO2-N 濃度明顯下降，到20d 時(shí)，去除率超過(guò)99%。

2.3.3 對(duì)TN 去除效果 圖6 為體系內(nèi)TN 含量。

圖6 TN 去除效果Fig.6 Total nitrogen removal effect

由圖6 可見(jiàn)，從反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行至15d 時(shí)，出水TN 濃度范圍為28.5~34mg·L-1，去除率為66.5%~71%。在第16d 時(shí)，TN 去除率開(kāi)始大幅度提升，直到反應(yīng)時(shí)間增加至33d 時(shí)，體系內(nèi)TN 去除率超過(guò)90%，后續(xù)一直在87%~92%范圍內(nèi)浮動(dòng)。反應(yīng)結(jié)束時(shí)，出水平均TN 含量和去除率分別為7.5mg·L-1和92%，證明厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

2.4 體系處理生活廢水的效果

2.4.1 體系對(duì)COD 的去除效果 圖7 為各反應(yīng)器出水COD 含量。

由圖7 可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除從進(jìn)水口的290mg·L-1左右直接降到出水口的35mg·L-1，低于一級(jí)排放A 標(biāo)準(zhǔn)的50mg·L-1要求，且厭氧出水隊(duì)段始終保持在35mg·L-1以下，表現(xiàn)出良好的去除穩(wěn)定性。

2.4.2 NH3-N 和TN 去除效果 圖8 為各反應(yīng)器出水中NH3-N 和TN 含量。

圖8 NH3-N 和TN 去除效果Fig.8 Removal effect of ammonia nitrogen and total nitrogen

由圖8（a）可知，經(jīng)過(guò)UASB-PN-Anammox 體系處理后，厭氧氨氧化出水NH3-N 濃度低于2mg·L-1，對(duì)NH3-N 去除率超過(guò)99%。同時(shí)還可在圖8（a）中看出，厭氧出水基本對(duì)體系內(nèi)的NH3-N 沒(méi)有去除作用，經(jīng)過(guò)短程硝化后，部分NH3-N 轉(zhuǎn)化為NO3-N 和NO2-N。污水進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器后，進(jìn)一步減低了污水內(nèi)NH3-N 濃度，此時(shí)出水濃度滿足國(guó)家一級(jí)排放A 標(biāo)準(zhǔn)。

由圖8（b）可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后，污水內(nèi)TN 含量降低至10mg·L-1以下，對(duì)污水中TN 去除率達(dá)到了96%。厭氧出水反應(yīng)器和短程硝化反應(yīng)器對(duì)體系內(nèi)TN 幾乎沒(méi)有去除作用，TN 的去除完全依靠最后一步進(jìn)行。這是因?yàn)閰捬醭鏊磻?yīng)器主要作用是去除體系內(nèi)的COD，基本不對(duì)體系內(nèi)TN 含量產(chǎn)生影響。而短程硝化反應(yīng)器則是將部分的NH3-N 轉(zhuǎn)化為NO3-N 和NO2-N，僅起到氮形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用，基本不對(duì)體系內(nèi)的TN 產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)處理后的污水TN含量低于10mg·L-1，達(dá)到一級(jí)排放A 標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比

通過(guò)與傳統(tǒng)A2/O 方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的污水處理體系的可行性，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工藝參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of process parameters

由表1 可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的UASB-PN-Anammox 體系在生活污水TN 去除方面表現(xiàn)良好，COD去除率也達(dá)到傳統(tǒng)工藝的效果，可以在廢水處理方面發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論

綜上，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的污水處理體系可有效去除污水中的氮磷物質(zhì)。具體結(jié)論如下：

（1）厭氧反應(yīng)器出水COD 約為82mg·L-1，COD去除率約為70%，且基本維持平衡，厭氧反應(yīng)器成功啟動(dòng)。

（2）短程硝化反應(yīng)進(jìn)行至60d 時(shí)，出水NH3-N濃度約為4~6mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 濃度分別為34~38mg·L-1和4~6mg·L-1，NH3-N 轉(zhuǎn)化率約為86.5~92%，短程硝化反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了較為理想的短程硝化效果。

（3）厭氧氨氧化反應(yīng)器出水NH3-N 濃度范圍為1.8~2.9mg·L-1，去除率約為88%~92%；對(duì)NO2-N 去除率超過(guò)99%。

（4）UASB-PN-Anammox 體系的出水COD 始終保持在35mg·L-1以下；出水NH3-N 濃度低于2mg·L-1；出水TN 降低至10mg·L-1以下，達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放A 標(biāo)準(zhǔn)。

（5）與傳統(tǒng)厭氧廢水處理工藝對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的污水處理體系的COD 去除率可以達(dá)到傳統(tǒng)工藝的效果，在TN 處理方面表現(xiàn)出更大優(yōu)勢(shì)，可以在廢水處理方面發(fā)揮作用。