短程硝化-反硝化技術處理城市生活污水時運行特性研究*

巫方才

（宣城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，安徽 宣城 242000）

目前，生活污水處理工藝較多，大體可分為生物處理法、化學處理法、物理處理法、生物接觸氧化法（如活性污泥法、SBR、生物膜法）等[1]。短程硝化反硝化技術是在SBR工藝上發(fā)展起來的，該工藝具有占地面積少、對氮磷元素的處理效果好等優(yōu)點[2]，在高NH3-N廢水處理中應用較為廣泛。王文琪等[3]模擬高濃度含磷廢水，研究了連續(xù)曝氣、階段曝氣以及間歇曝氣3種工況下脫氮除磷效果；李娜等[4]認為影響短程硝化反硝化對氮元素處理效果的影響因素包括溫度、污水氮磷比、溶解氧、pH值、污泥泥齡等；繆新年等[5]分析了反硝化除磷工藝和短程硝化工藝耦合作用除磷的機理以及影響因素；趙杰俊等[6]從工藝啟動和控制的角度分析了短程硝化和厭氧氨氧化工藝除氮磷的影響因素；代偉等[7]通過控制厭氧好氧時間改進SBR工藝，模擬高濃度NH3-N廢水，分析了該工藝下N2O的控制關鍵技術。

短程硝化反硝化工藝在高濃度含鹽含堿廢水處理中應用較多[8,9]，但在生活污水中應用較少。本研究將SBR工藝改進，將該工藝分為4個階段，通過控制裝置內(nèi)厭氧/缺氧環(huán)境及時間，分析不同時間段內(nèi)裝置中COD、TN、TP、NH3-N的去除效果，研究結論可為該工藝在生活污水處理中的進一步利用提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本研究采用SBR裝置進行試驗，主要通過改變裝置內(nèi)厭氧/缺氧時間分為4段進行，裝置流程見圖1。反應器內(nèi)總體積為16L，有效體積12～14L，在反應器外部設有取水口以及排泥口，進水通過裝置左邊的恒流泵抽，確保進水水量均勻，通過氣泵控制反應器內(nèi)氧環(huán)境，反應器內(nèi)設有氣體流量計以及攪拌裝置，裝置運行時控制攪拌頻率為60r·min-1。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Test device diagram

1.2 實驗啟動

實驗進行了60d，均控制反應器內(nèi)為厭氧/缺氧環(huán)境,每天運行4個周期，分4段運行，每天排泥量為150mL，實驗時控制的各階段運行參數(shù)見表1，進水水質(zhì)見表2。實驗污泥取自宣城市某生活污水處理廠已馴化好的污泥。

表1 實驗各階段運行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of each stage of the test

表2 實驗用水水質(zhì)Tab.2 Test water quality

1.3 試劑及儀器

實驗耗材除鹽酸萘乙胺（上海源葉生物科技有限公司）和鄰菲羅啉（康迪斯化工（湖北）有限公司）為優(yōu)級純外，其他均為分析純試劑。

H2SO4（河南福瑞德儀表有限公司）；HCl（天津市大茂化學試劑廠）；K2S2O8（臨沂茂興化工有限公司）；K2Cr2O7（山東榕成包裝科技有限公司）；KI（青州市領航化工有限公司）；KNO3（天津市大茂化學試劑廠）；HgI2（河南源豐潔石商貿(mào)有限公司）；NaNO2（江蘇冠裕流體設備有限公司）；丙酮（上海撫生實業(yè)有限公司）；乙醇（東莞市啟明化工有限公司）；酒石酸鉀鈉（眉山市金利化工有限公司）；抗壞血酸（安徽省中佳鹽化科技有限公司）；鄰苯二甲酸氫鉀（常州百運渡化工有限公司）；CaCO3（南銘之鑫化工產(chǎn)品有限公司）；葡萄糖（湖南長沙縣金輝化工廠）；ZnSO4（濟南益帆化工有限公司）。

JSTD03 SBR型反應器（衢州市沃德儀器有限公司）；G300-1J型蠕動泵（愛來寶（濟南）生物技術有限公司）；QSS-J02型攪拌器（三泰環(huán)?？萍加邢薰荆籅W100型恒流泵（上?；顑x器儀表有限公司）；SESFG-07型分光光度計（深圳市三恩時科技有限公司）；YTLL-S6型流量計（上海儀天科學儀器有限公司）；GKBQ-04型曝氣泵（大安市冠康科技發(fā)展有限公司）；ROH-ST1 COD型快速測定儀（蘇州實譜信息科技有限公司）；FD7-D6型干燥箱（沈陽鑫科之杰儀器化玻有限公司）；STDJ-03 DO型測定儀（廣州卓諧儀器設備有限公司）。

1.4 檢測方法

本實驗中DO采用碘量法測定，COD采用重鉻酸鉀法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀法測定，TP采用分光光度法測定，pH值通過pH試紙直接測定，實驗嚴格按照相關規(guī)范進行[10]。

2 結果與討論

2.1 不同反應時間下COD含量變化情況

反應不同時間后裝置內(nèi)COD含量變化情況見圖2。

圖2 不同反應時間下COD含量變化情況Fig.2 Changes of COD content under different reaction times

由圖2可知，反應60d后裝置內(nèi)COD出水已達到穩(wěn)定，第60天反應器內(nèi)COD濃度為37.5mg·L-1，滿足《污水綜合排放標準》[11]中一級A標準。從反應時間上看，階段1和階段2時COD去除速率較低，第15天和第30天的含量分別為224.2mg·L-1和198.6mg·L-1，對應的去除率分別為16.02%和25.6%，這是因為裝置還處于前期污泥馴化階段。第45天出水中COD含量為97.2mg·L-1，此時COD的去除率達到63.5%。第50天后COD含量雖然仍在下降，但下降幅度明顯減小，說明此時反應器內(nèi)反應幾乎達到穩(wěn)定。

從裝置啟動角度進行分析可知，短程硝化反硝化反應時，第一和第二階段裝置內(nèi)硝化細菌居多，反硝化細菌較少，因此，前期COD濃度下降較慢。30d后隨著反硝化細菌的增加，反硝化作用增強，反硝化聚磷菌所含碳源增加，從而導致反應速率提高。反應后期隨著碳源的減少，反硝化細菌死亡量大于新增量，反硝化作用逐漸減弱，從而導致反應速率降低。

2.2 不同反應時間下NH3-N含量變化情況

反應不同時間后裝置內(nèi)NH3-N含量變化情況見圖3。

圖3 不同反應時間下NH3-N含量變化情況Fig.3 Changes of NH3-N content under different reaction times

由圖3可知，反應45d后NH3-N出水濃度和第60天相差不大，第45天NH3－N出水濃度由最初進水的43.8mg·L-1降至7.2mg·L-1，第60天出水中NH3－N濃度為6.4mg·L-1，從第45天開始出水NH3－N濃度就滿足《污水綜合排放標準》中一級A標準。從反應時間上看，階段1和階段2 NH3－N去除速率較高，第15天和第30天的NH3－N含量分別為22.6mg·L-1和15.3mg·L-1，對應的NH3－N去除率分別為48.4%和65.06%。

反應初期裝置內(nèi)碳源充足，硝化細菌占主導地位，硝化速率增高，生物脫氮速率增高，第45天出水中NH3－N含量為7.2mg·L-1，此時NH3－N的去除率達到83.6%。第4階段裝置內(nèi)NH3－N含量雖略有下降，但下降幅度較小，說明此時反應器內(nèi)碳源減少，以反硝化作用為主。

2.3 不同反應時間下TN含量變化情況

反應不同時間裝置內(nèi)TN含量變化情況見圖4。

圖4 不同反應時間下TN含量變化情況Fig.4 Changes of TN content under different reaction times

由圖4可知，60d后出水TN濃度由最初的43.8mg·L-1降至第60天的8.76mg·L-1，滿足《污水綜合排放標準》中一級A標準。從反應時間上看，階段1和階段4時TN去除速率較低，第15天裝置內(nèi)TN含量為38.4mg·L-1，對應的TN去除率為12.3%。第4階段裝置內(nèi)TN的去除率由第45天的78.08%升至第50天的80%，這是因為，裝置前期雖然碳源充足，但反應器內(nèi)各種生物量尚在繁殖期間。TN的快速去除主要在階段2和階段3，階段2出水中TN由第15天的38.4mg·L-1降至第30天的24.3mg·L-1，TN去除率由第15天的12.3%升至第30天的44.5%。階段4時出水中TN由第45天的13.2mg·L-1降至第60天的8.76mg·L-1，TN的去除率由第45天的69.8%升至第60天的80.5%。

2.4 不同反應時間下TP含量變化情況

不同反應時間后裝置內(nèi)TP含量變化情況見圖5。

圖5 不同時間下TP含量變化情況Fig.5 Changes of TP content under different reaction times

由圖5可知，該裝置TP的快速去除主要是在第3、4階段中TP含量由第45天的1.2mg·L-1降至第60天的0.73mg·L-1，對應的TP去除率也由86.5%升至91.8%，出水滿足《污染物綜合排放標準》中一級A標準。在本文分析的4種污染物中，出水中TP的去除率最高。

對圖5進一步分析可知，第3階段裝置內(nèi)TP含量由第30天的6.1mg·L-1降至第45天的1.2mg·L-1，該階段也為TP的快速去除階段，TP去除率由31.5%升至86.5%，對TP的去除率增幅達到50%以上。階段1和階段2反應器內(nèi)TP去除率較低，經(jīng)分析，可能是該階段反硝化細菌較少，反硝化聚磷菌較少，從而導致TP去除率較低。

3 結論

本文在SBR裝置的基礎上，通過控制厭氧/缺氧時間，將SBR工藝改造成短程硝化反硝化工藝，并研究了該工藝對生活污水中TN、TP、NH3-N和COD的去除效果，結果表明：

（1）該裝置成功啟動并反應60d后TN、TP、NH3-N和COD的去除率分別為80%，91.8%，81.8%，85.9%。

（2）COD的快速去除集中在第3階段，該階段在15d內(nèi)COD去除率增加37.9%；NH3-N含量在前面45d降低較快，第45天后由于反硝化細菌的減少影響了反應速率；TN含量在第15天～第30天的反應速率較高，TP含量在第3階段（30～45d）降低較快，該階段TP的去除率由第30天的31.5%升86.5%；

（3）該裝置內(nèi)反硝化聚磷菌以及聚糖菌對碳源的儲存主要集中在第15天～第45天，該階段碳源的儲存為反硝化除磷和同步硝化反硝化除氮提供了充足的碳源。