低碳氮比工業(yè)廢水處理脫氮效果影響因素分析

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(yùn)營(yíng)表明，將廢水中的CODCr/TN 控制在6～8、CODCr/TP＞20 時(shí)，即可滿足微生物對(duì)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(gè)方面：1）外在環(huán)境因素。DO、溫度和酸堿度。2）運(yùn)行工況因素。碳氮比、碳磷比和有機(jī)物種類等。3）運(yùn)行參數(shù)。污泥齡、水力停留時(shí)間、回流比以及污泥濃度等[2]。

該研究主要針對(duì)低碳氮比的實(shí)際工業(yè)廢水，以改良型Carrousel 氧化溝工藝為主要對(duì)象，通過(guò)正交試驗(yàn)研究溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對(duì)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(yùn)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(yùn)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(yàn)所用藥劑、儀器、污泥和廢水

試驗(yàn)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(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司），Uvmini1240 紫外分光光度計(jì)[島津企業(yè)管理（中國(guó)）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(yàn)污泥：以該工業(yè)污水處理廠缺氧段隨機(jī)時(shí)段的混合液靜置沉淀30 min 后的污泥為接種污泥。此時(shí)，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(yàn)裝置開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)廢水：試驗(yàn)水樣來(lái)自某工業(yè)污水處理廠隨機(jī)時(shí)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(jì)總處理能力7.0 萬(wàn)m3/d，目前建成3.5 萬(wàn)m3/d，該氧化溝系統(tǒng)分2 組，試驗(yàn)期間只有1 組投入使用，日處理水量約1.7 萬(wàn)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(jì)進(jìn)水BOD5/CODCr=0.36，而2019 年實(shí)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(cè)項(xiàng)目及分析方法

該試驗(yàn)主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其分析方法

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)正交試驗(yàn)的各個(gè)因素及對(duì)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(duì)改良型Carrousel氧化溝處理低碳氮比工業(yè)廢水時(shí)生物脫氮效果的影響。

1.3.1 正交試驗(yàn)因素的選定

正交試驗(yàn)因素的選定以污水處理廠日常運(yùn)行時(shí)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(lái)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(duì)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(huì)降低反硝化效率；如果溶解氧的濃度過(guò)低，硝化作用將會(huì)受到抑制，污泥的沉降性能會(huì)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(yàn)采用氧化溝的出水口作為DO 測(cè)量點(diǎn)。

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(yùn)行所需的生物量，使氧化溝系統(tǒng)中的污泥濃度相對(duì)穩(wěn)定，并使聚磷菌有效除磷；同時(shí)，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(guò)高，回流污泥中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量高，會(huì)影響厭氧環(huán)境及磷的去除。如果污泥回流過(guò)低，就會(huì)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(lái)說(shuō)，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?jiǎn)挝惑w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(jì)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(guò)高，系統(tǒng)污泥齡過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響除磷效果。過(guò)低的污泥濃度會(huì)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(jì)參數(shù)之一。如果MLSS 選擇不合適，就可能會(huì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shuō)明適度提高M(jìn)LSS 有利于生物脫氮，但是過(guò)高的MLSS 反而不利于生物除磷。鄧仁健等[5]考察了MLSS 對(duì)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(shí)，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(shí)，系統(tǒng)TP去除率卻降為56.7%；而當(dāng)MLSS由4300mg/L升至5250mg/L 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)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(guò)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(shí)，活性污泥的活性減弱，其降解有機(jī)物的速度變慢，此時(shí)，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(shí)，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(guò)快降解導(dǎo)致活性污泥微生物因營(yíng)養(yǎng)不足造成內(nèi)源呼吸過(guò)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(yùn)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(duì)氧化溝系統(tǒng)的脫氮效果都會(huì)產(chǎn)生影響，該研究通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)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(yùn)行工況參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)及該工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)。

1.3.2 正交試驗(yàn)的安排

基于過(guò)低的進(jìn)水水質(zhì)，該研究以該氧化溝系統(tǒng)對(duì)污染物去除率（包括氨氮、總氮去除率）為正交試驗(yàn)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(yàn)的3 個(gè)影響因素，結(jié)合該廠實(shí)際運(yùn)行情況，確定氧化溝出水口溶解氧的3 個(gè)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(gè)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(gè)水平分別為50%～65%、65%～80%、80%～95%，建立三因素三水平的正交試驗(yàn)[L9（33）]，共9 個(gè)工況，每個(gè)工況進(jìn)行7 天試驗(yàn)。在測(cè)試期間，均從氧化溝出水口對(duì)DO和MLSS 采樣檢測(cè)，正交試驗(yàn)各因素水平的取值范圍見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果及討論

2.1 正交試驗(yàn)的結(jié)果

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

表3 正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

極差分析法具計(jì)算簡(jiǎn)單、形象直觀和簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn)，其值Rij的大小用來(lái)衡量試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)因素作用的大小。極差越大，表明該因素的變化對(duì)試驗(yàn)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(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響小，該因素就越不重要。對(duì)表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可以看出，溶解氧、污泥濃度和污泥回流比對(duì)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(yàn)的極差分析

2.1.2 正交試驗(yàn)的方差分析

表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)的方差分析

由正交試驗(yàn)的方差分析可知，在這3 個(gè)因素中，溶解氧對(duì)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(guò)低，硝化將受到抑制，不僅容易導(dǎo)致污泥膨脹，還會(huì)降低污泥的沉降性能。溶解氧過(guò)高會(huì)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(huì)影響系統(tǒng)的反硝化效果。

氨氮去除率方差分析說(shuō)明溶解氧對(duì)氨氮去除率有顯著的影響，污泥回流比和污泥濃度對(duì)氨氮去除率無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)活性污泥來(lái)說(shuō)，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(duì)氨氮去除率的影響相對(duì)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(jí)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的反硝化作用影響最大，因?yàn)槿芙庋鯐?huì)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(duì)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(shí)，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(jí)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(duì)低碳氮比的難處理的實(shí)際工業(yè)廢水，通過(guò)正交試驗(yàn)研究了溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對(duì)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(yùn)行工況，以期為該污水處理廠的運(yùn)行模式和低碳節(jié)能降耗提供參考。1）通過(guò)正交試驗(yàn)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(duì)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(duì)脫氮影響較為顯著。2）綜合考慮各因素不同水平試驗(yàn)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%。