脱氮除磷一体化污水处理装置运行性能研究

冯欣

（辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

农村生活污水治理是当前农村人居环境整治的突出短板，随着“厕所革命”的推进，农村污水处理的需求将不断增大，成为影响水环境的重要因素［1-2］。农村生活污水处理存在运行维护资金保障困难、缺少专业技术人员、处理工艺选择不当等问题［3-4］，尤其针对氮磷去除要求较高的水质敏感区域的污水处理技术还比较缺乏。总氮（TN）去除需要采用硝化反硝化方法，但农村污水处理设施规模小，硝化液回流比难以控制［5］。总磷（TP）的稳定去除需要采用化学除磷法，对农村污水处理设施而言，存在投药费用多、管理水平要求过高等问题。脱氮除磷一体化污水处理装置通过控制间歇曝气活性污泥法中曝气和搅拌交替运行的时间，在同一反应池内形成好氧、缺氧、厌氧环境的切换，可以简化运行，强化氮磷的处理效果。

2 实验部分

2.1 实验装置与工艺流程

装置为一体化设计，采用有机玻璃材质，包括调节池、反应池一、反应池二、沉淀池，各池体之间由隔板进行分隔，污水通过自流方式流动，如图1 所示。调节池主要起到调节水量和沉淀分离的作用；反应池一和反应池二内设置曝气管、搅拌器、溶解氧测定仪探头、氧化还原电位（OPR）电极，采用间歇曝气活性污泥法，曝气和搅拌交替运行；沉淀池下半部为斜板式设计，角度为60°；沉淀池内设置污泥回流泵，污泥通过污泥回流管回流至反应池一；装置配套自动运行控制系统，控制曝气、搅拌、污泥回流的启动和运行时长，记录反应池内溶解氧和氧化还原电位的变化。

图1 实验装置

实验为连续进水，考察了反应周期、曝气和搅拌的时间分配比例对处理效果的影响，具体的反应条件见表1。实验还考察了C/N（ρCOD/ρTN）对装置处理性能的影响，曝气和搅拌采用了表1 中条件3 的反应条件。反应池一和反应池二的水力停留时间均为6 h，反应池一初始MLSS 浓度为3 210 mg/L，反应池二为2 950 mg/L，污泥回流比为100%。

表1 反应条件 min

2.2 测定项目与方法

COD 测定采用重铬酸盐法（HJ 828—2017），TN 测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012），TP 测定采用钼锑抗分光光度法，DO 测定采用溶解氧测定仪探头，pH 值测定采用便携式pH 测定计。

2.3 实验用水和接种污泥

实验用水采用人工配水：葡萄糖140 mg/L，蛋白胨140 mg/L，碳酸氢钠150 mg/L，氯化钠50 mg/L，磷酸二氢钾15 mg/L，氯化铵70 mg/L。C/N 比实验TN浓度基本保持不变，通过调节COD 浓度来改变C/N。COD，TN，TP 的 浓 度 范 围 分 别 为183 ～412，35.7 ～47.5，3.4～4.3 mg/L。接种污泥取自沈阳市某污水处理厂二沉池。

3 结果与讨论

3.1 曝气搅拌反应条件对处理效果的影响

图2 为实验期间条件1～3 对COD 的去除效果。3 种运行条件下，出水COD 浓度均低于50 mg/L，平均值为41.3 mg/L，平均去除率为85%。在不同反应周期、不同曝气和搅拌时间分配比例条件下，装置对COD 的去除效果均较好。装置设有2 个串联的反应池，可以提高生物多样性，污水经过反应池一处理后，在反应池二中有机物得到进一步的降解，保证了良好的出水水质。

图2 COD 处理效果

图3 为实验期间条件1～3 对TN 的去除效果。条件1 的TN 出水平均值为19.2 mg/L，平均去除率53%；条件2 的TN 出水平均值为9.9 mg/L，平均去除率75%；条件3 的TN 出水平均值为7.5 mg/L，平均去除率81%。条件2 和条件3 对TN 的去除效果较好，出水均低于15 mg/L，条件1 对TN 的处理效果则明显低于条件2 和条件3。污水中TN 的去除，首先是有机氮被氨化菌氧化生成氨氮，然后氨氮在亚硝化菌的作用下被氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在硝化菌的作用下被氧化为硝酸盐，最后亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧条件下被反硝化菌还原为氮气［6］。也就是说，TN 的去除需要好氧、缺氧环境的形成以及充分的反应时间。条件1 的反应周期为60 min，曝气和搅拌的时间比例为30 ∶30，反应池内溶解氧浓度在曝气开始20 min 后快速提升，达到2 mg/L 以上，停止曝气并开始搅拌20 min 后降至0.5 mg/L 以下，进入缺氧状态，一个反应周期内的缺氧状态实际仅有10 min。李旭东等的研究表明，间歇曝气系统内反硝化速率约为硝化速率的1/2［7］。条件1 好氧与缺氧环境的切换过快，导致反硝化反应不充分，TN 去除率相对较低。

图3 TN 处理效果

图4 为实验期间条件1～3 对TP 的去除效果。条件1 的TP 出水平均值为1.85 mg/L，平均去除率52%；条件2 的TP 出水平均值为1.61 mg/L，平均去除率59%；条件3 的TP 出水平均值为0.73 mg/L，平均去除率82%。条件3 对TP 的去除效果明显好于条件1 和条件2。生物除磷是在厌氧好氧交替运行条件下，利用聚磷菌厌氧释磷和好氧吸磷的生物特性，形成高磷污泥，排出系统外，达到除磷的效果［8］。条件3 的反应周期为120 min，反应池一曝气和搅拌的时间比例为30 ∶90，在一个反应周期内的搅拌时间远长于曝气时间，有利于厌氧环境的形成，能够充分释磷；污水进入反应池二后，可以弥补反应池一好氧时间的不足，强化吸磷反应和有机物的降解，因此TP 处理效果较好。

图4 TP 处理效果

3.2 C/N 对装置处理性能的影响

农村生活污水存在C/N 偏低的情况［9］，实验考察了当C/N 为10，7，5 时对处理效果的影响，见图5。实验结果显示，不同C/N 条件下，COD 的去除效果均较好，整个实验期间COD 的平均去除率为86%，出水均低于50 mg/L。

图5 不同C/N 条件下的COD 处理效果

TN 的去除效果则根据C/N 的不同有所变化，见图6。当C/N 为10 和7 时，TN 的去除效果基本相同，出水均低于15 mg/L，平均去除率73%。而当C/N为5 时，TN 去除率为53%～68%，出水为14～19 mg/L。

生物脱氮是由硝化反硝化来完成的，其中硝化菌为自养型好氧菌，当C/N 过高时，会造成异养型细菌的大量繁殖，抑制硝化菌的活性，本实验的C/N 最高为10，COD 浓度最高在406 mg/L，不会对硝化反应造成大的影响。反硝化菌为异养、兼性厌氧细菌，C/N 对反硝化的影响主要体现在低C/N 条件下，有机物浓度过低，造成反硝化过程 中电子供体不足，抑制硝态氮转化为氮气，最终导致TN 去除率的降低［10］。本工艺采用间歇曝气，孙佳峰等的研究表明，反应池内缺氧、好氧环境的交替运行有利于高效短程硝化和反硝化过程的实现，与传统生物脱氮工艺相比，可减少40%的反硝化有机碳源消耗［11-12］。因此当C/N 为5 时，虽然对TN 的处理效果有所下降，但去除率仍能达到50%以上。

4 结论

（1）装置采用间歇曝气活性污泥法，在同一反应池内去除污水中有机物的同时，实现脱氮除磷，可满足水质敏感地区的污水处理需求。

（2）当反应周期为120 min，反应池一和反应池二的曝气与搅拌时间比例分别为30 ∶90，60 ∶60 时，装置的脱氮除磷处理效果最佳。

（3）污水C/N 在不低于7 的条件下，不需要外加碳源来提高TN 的去除效果。