作者：宋英豪 王敏 熊婭 杜理智 林秀軍 梁康強 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試驗材料與方法

1.1中試試驗裝置及試驗方法

本試驗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，水解池在有機物水解的同時進行反硝化，從而達到更好的脫氮效果。工藝運行參數(shù)為：總進水流量為2m3h-1，整個運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%。試驗運行中后期，取水解池內(nèi)污泥以及污水廠內(nèi)缺氧池污泥進行不同碳氮比條件下的反硝化脫氮實驗，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試驗水質(zhì)

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

1.3檢測方法

本實驗監(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實驗結(jié)果分析

2.1水解反硝化脫氮工藝對NH4+-N的去除效果

本試驗所在污水處理廠進水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A排放標(biāo)準(zhǔn)，去除率高達98.0%。在本試驗中，水解池對NH4+-N幾乎沒有去除效果，有時反而增加。外溝是去除氨氮的主要場所，無論進入外溝的NH4+-N濃度高或低，外溝都可以保持很高的去除效果。由上述實驗結(jié)果可得出：在本工藝中，污水進入水解池，部分含氮有機物被水解酸化，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)的硝化液回流進行水解反硝化脫氮提供了很好的基礎(chǔ)；同時由于前端水解反硝化作用消耗大量碳源，進入好氧區(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，水解池同時承擔(dān)著水解和反硝化兩個功能，水解池先將進水中的大分子有機物進行水解，轉(zhuǎn)化成小分子有機物，提高污水的可生化性能，即使在進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碳源，滿足反硝化細(xì)菌的基本需求。試驗結(jié)果如圖3，在試驗運行近40d內(nèi)，進水TN在17.0-25.0mgL-1之間波動，BOD5/TN平均為4.0，此時出水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。由上述實驗結(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水濃度起到了一定的稀釋作用。本試驗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，硝氮的去除率達到91.2%，水解池對TN的去除率達到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行對比。此試驗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物和硝氮對試驗的影響，試驗中所用污泥均用蒸餾水進行過多次洗滌。試驗中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，進行了不同碳源投加量的試驗。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時的比反硝化速率0.0970min-1*10-3要高于缺氧池BOD5/TN為4時的比反硝化速率0.0841min-1*10-3。水解池在本試驗中的各碳氮比下，150min內(nèi)可將NO3--N基本消耗完全，而缺氧池只有在BOD5/TN為5的時候才能達到此效果。由實驗結(jié)果分析可得出：碳氮比對反硝化速率的影響很大，碳源不足時就會影響反硝化菌的活性，繼而影響到整個系統(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的反硝化能力，并且在碳源相對缺乏的時候更能體現(xiàn)出更好的脫氮優(yōu)越性。由圖6可見，水解池的COD在30min時已經(jīng)基本達到穩(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)菌能夠利用自身儲存的聚-ρ羥基丁酸（PHB）作為碳源和能源以維持生命活動[21,22]。理論上還原1g硝酸鹽氮需有機碳源(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)兩池消耗有機碳源的計算量偏大[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比則是比起始時的要低。這些試驗結(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到很好的脫氮效果，這就驗證了水解反硝化脫氮工藝在碳源不足時仍能具有較高的脫氮能力。水解池在脫氮時有機物利用速率要低于脫氮速率，這樣會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，如果得不到及時地補充則會影響到反硝化菌的活性，脫氮能力下降。