短程硝化-反硝化技术处理城市生活污水时运行特性研究*

巫方才

（宣城市生态环境监测站，安徽 宣城 242000）

目前，生活污水处理工艺较多，大体可分为生物处理法、化学处理法、物理处理法、生物接触氧化法（如活性污泥法、SBR、生物膜法）等[1]。短程硝化反硝化技术是在SBR工艺上发展起来的，该工艺具有占地面积少、对氮磷元素的处理效果好等优点[2]，在高NH3-N废水处理中应用较为广泛。王文琪等[3]模拟高浓度含磷废水，研究了连续曝气、阶段曝气以及间歇曝气3种工况下脱氮除磷效果；李娜等[4]认为影响短程硝化反硝化对氮元素处理效果的影响因素包括温度、污水氮磷比、溶解氧、pH值、污泥泥龄等；缪新年等[5]分析了反硝化除磷工艺和短程硝化工艺耦合作用除磷的机理以及影响因素；赵杰俊等[6]从工艺启动和控制的角度分析了短程硝化和厌氧氨氧化工艺除氮磷的影响因素；代伟等[7]通过控制厌氧好氧时间改进SBR工艺，模拟高浓度NH3-N废水，分析了该工艺下N2O的控制关键技术。

短程硝化反硝化工艺在高浓度含盐含碱废水处理中应用较多[8,9]，但在生活污水中应用较少。本研究将SBR工艺改进，将该工艺分为4个阶段，通过控制装置内厌氧/缺氧环境及时间，分析不同时间段内装置中COD、TN、TP、NH3-N的去除效果，研究结论可为该工艺在生活污水处理中的进一步利用提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验装置

本研究采用SBR装置进行试验，主要通过改变装置内厌氧/缺氧时间分为4段进行，装置流程见图1。反应器内总体积为16L，有效体积12～14L，在反应器外部设有取水口以及排泥口，进水通过装置左边的恒流泵抽，确保进水水量均匀，通过气泵控制反应器内氧环境，反应器内设有气体流量计以及搅拌装置，装置运行时控制搅拌频率为60r·min-1。

图1 实验装置图Fig.1 Test device diagram

1.2 实验启动

实验进行了60d，均控制反应器内为厌氧/缺氧环境,每天运行4个周期，分4段运行，每天排泥量为150mL，实验时控制的各阶段运行参数见表1，进水水质见表2。实验污泥取自宣城市某生活污水处理厂已驯化好的污泥。

表1 实验各阶段运行参数Tab.1 Operating parameters of each stage of the test

表2 实验用水水质Tab.2 Test water quality

1.3 试剂及仪器

实验耗材除盐酸萘乙胺（上海源叶生物科技有限公司）和邻菲罗啉（康迪斯化工（湖北）有限公司）为优级纯外，其他均为分析纯试剂。

H2SO4（河南福瑞德仪表有限公司）；HCl（天津市大茂化学试剂厂）；K2S2O8（临沂茂兴化工有限公司）；K2Cr2O7（山东榕成包装科技有限公司）；KI（青州市领航化工有限公司）；KNO3（天津市大茂化学试剂厂）；HgI2（河南源丰洁石商贸有限公司）；NaNO2（江苏冠裕流体设备有限公司）；丙酮（上海抚生实业有限公司）；乙醇（东莞市启明化工有限公司）；酒石酸钾钠（眉山市金利化工有限公司）；抗坏血酸（安徽省中佳盐化科技有限公司）；邻苯二甲酸氢钾（常州百运渡化工有限公司）；CaCO3（南铭之鑫化工产品有限公司）；葡萄糖（湖南长沙县金辉化工厂）；ZnSO4（济南益帆化工有限公司）。

JSTD03 SBR型反应器（衢州市沃德仪器有限公司）；G300-1J型蠕动泵（爱来宝（济南）生物技术有限公司）；QSS-J02型搅拌器（三泰环保科技有限公司）；BW100型恒流泵（上海基深仪器仪表有限公司）；SESFG-07型分光光度计（深圳市三恩时科技有限公司）；YTLL-S6型流量计（上海仪天科学仪器有限公司）；GKBQ-04型曝气泵（大安市冠康科技发展有限公司）；ROH-ST1 COD型快速测定仪（苏州实谱信息科技有限公司）；FD7-D6型干燥箱（沈阳鑫科之杰仪器化玻有限公司）；STDJ-03 DO型测定仪（广州卓谐仪器设备有限公司）。

1.4 检测方法

本实验中DO采用碘量法测定，COD采用重铬酸钾法测定，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾法测定，TP采用分光光度法测定，pH值通过pH试纸直接测定，实验严格按照相关规范进行[10]。

2 结果与讨论

2.1 不同反应时间下COD含量变化情况

反应不同时间后装置内COD含量变化情况见图2。

图2 不同反应时间下COD含量变化情况Fig.2 Changes of COD content under different reaction times

由图2可知，反应60d后装置内COD出水已达到稳定，第60天反应器内COD浓度为37.5mg·L-1，满足《污水综合排放标准》[11]中一级A标准。从反应时间上看，阶段1和阶段2时COD去除速率较低，第15天和第30天的含量分别为224.2mg·L-1和198.6mg·L-1，对应的去除率分别为16.02%和25.6%，这是因为装置还处于前期污泥驯化阶段。第45天出水中COD含量为97.2mg·L-1，此时COD的去除率达到63.5%。第50天后COD含量虽然仍在下降，但下降幅度明显减小，说明此时反应器内反应几乎达到稳定。

从装置启动角度进行分析可知，短程硝化反硝化反应时，第一和第二阶段装置内硝化细菌居多，反硝化细菌较少，因此，前期COD浓度下降较慢。30d后随着反硝化细菌的增加，反硝化作用增强，反硝化聚磷菌所含碳源增加，从而导致反应速率提高。反应后期随着碳源的减少，反硝化细菌死亡量大于新增量，反硝化作用逐渐减弱，从而导致反应速率降低。

2.2 不同反应时间下NH3-N含量变化情况

反应不同时间后装置内NH3-N含量变化情况见图3。

图3 不同反应时间下NH3-N含量变化情况Fig.3 Changes of NH3-N content under different reaction times

由图3可知，反应45d后NH3-N出水浓度和第60天相差不大，第45天NH3－N出水浓度由最初进水的43.8mg·L-1降至7.2mg·L-1，第60天出水中NH3－N浓度为6.4mg·L-1，从第45天开始出水NH3－N浓度就满足《污水综合排放标准》中一级A标准。从反应时间上看，阶段1和阶段2 NH3－N去除速率较高，第15天和第30天的NH3－N含量分别为22.6mg·L-1和15.3mg·L-1，对应的NH3－N去除率分别为48.4%和65.06%。

反应初期装置内碳源充足，硝化细菌占主导地位，硝化速率增高，生物脱氮速率增高，第45天出水中NH3－N含量为7.2mg·L-1，此时NH3－N的去除率达到83.6%。第4阶段装置内NH3－N含量虽略有下降，但下降幅度较小，说明此时反应器内碳源减少，以反硝化作用为主。

2.3 不同反应时间下TN含量变化情况

反应不同时间装置内TN含量变化情况见图4。

图4 不同反应时间下TN含量变化情况Fig.4 Changes of TN content under different reaction times

由图4可知，60d后出水TN浓度由最初的43.8mg·L-1降至第60天的8.76mg·L-1，满足《污水综合排放标准》中一级A标准。从反应时间上看，阶段1和阶段4时TN去除速率较低，第15天装置内TN含量为38.4mg·L-1，对应的TN去除率为12.3%。第4阶段装置内TN的去除率由第45天的78.08%升至第50天的80%，这是因为，装置前期虽然碳源充足，但反应器内各种生物量尚在繁殖期间。TN的快速去除主要在阶段2和阶段3，阶段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%。阶段4时出水中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 不同反应时间下TP含量变化情况

不同反应时间后装置内TP含量变化情况见图5。

图5 不同时间下TP含量变化情况Fig.5 Changes of TP content under different reaction times

由图5可知，该装置TP的快速去除主要是在第3、4阶段中TP含量由第45天的1.2mg·L-1降至第60天的0.73mg·L-1，对应的TP去除率也由86.5%升至91.8%，出水满足《污染物综合排放标准》中一级A标准。在本文分析的4种污染物中，出水中TP的去除率最高。

对图5进一步分析可知，第3阶段装置内TP含量由第30天的6.1mg·L-1降至第45天的1.2mg·L-1，该阶段也为TP的快速去除阶段，TP去除率由31.5%升至86.5%，对TP的去除率增幅达到50%以上。阶段1和阶段2反应器内TP去除率较低，经分析，可能是该阶段反硝化细菌较少，反硝化聚磷菌较少，从而导致TP去除率较低。

3 结论

本文在SBR装置的基础上，通过控制厌氧/缺氧时间，将SBR工艺改造成短程硝化反硝化工艺，并研究了该工艺对生活污水中TN、TP、NH3-N和COD的去除效果，结果表明：

（1）该装置成功启动并反应60d后TN、TP、NH3-N和COD的去除率分别为80%，91.8%，81.8%，85.9%。

（2）COD的快速去除集中在第3阶段，该阶段在15d内COD去除率增加37.9%；NH3-N含量在前面45d降低较快，第45天后由于反硝化细菌的减少影响了反应速率；TN含量在第15天～第30天的反应速率较高，TP含量在第3阶段（30～45d）降低较快，该阶段TP的去除率由第30天的31.5%升86.5%；

（3）该装置内反硝化聚磷菌以及聚糖菌对碳源的储存主要集中在第15天～第45天，该阶段碳源的储存为反硝化除磷和同步硝化反硝化除氮提供了充足的碳源。