ABR-生物接触氧化工艺处理低碳氮比污水的碳源调配

黄继国¹，高文翰¹，夏婷婷¹，丛喜彬¹，苏君^{1, 2}

(1. 吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春，130021；

2. 中国市政工程东北设计研究院，吉林 长春，130021)

摘要：低碳氮比生活污水由于碳源不足，采用传统A/O工艺处理难以出水达标。采用改进的ABR-生物接触氧化工艺对低碳氮比污水进行实验，通过优化运行参数，合理调配碳源，提高碳源利用率，确定了不同m(COD)/m(N)条件下该工艺对污水的处理效果。研究结果表明：改进的ABR-生物接触氧化工艺能有效提高碳源利用率和脱氮效率；在水力停留时间为10 h，混合液回流比为2.5，温度为30 ℃时，系统碳源利用率和TN去除率达到最高；在不同m(COD)/m(N)条件下，TN去除率随着m(COD)/m(N)的减小而迅速降低。当进水m(COD)/m(N)为2~4时，TN去除率低于60%，处理效果不理想；当进水m(COD)/m(N)约为5时，TN去除率达到71.3%，出水TN质量浓度小于20 mg/L，满足排放标准要求；当m(COD)/m(N)为6~7时，TN去除率大于80%，出水TN质量浓度小于15 mg/L。

关键词：碳源；厌氧折流板反应器；生物接触氧化；低碳氮比

中图分类号：X703.1            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)11-3585-06

Optimization of carbon sources on ABR & biocontact oxidation process for low ratio of C to N domestic wastewater

HUANG Ji-guo¹, GAO Wen-han¹, XIA Ting-ting¹, CONG Xi-bin¹, SU Jun^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment，Ministry of Education,

Jilin University, Changchun 130021, China;

2．China Northeast Municipal Engineering and Research Institute, Changchun 130021, China)

Abstract: It is difficult to meet the discharge requirements that low mass ratio of C to N domestic wastewater is treated in traditional A/O process because of the inadequacy of carbon source. The paper presents the experimental research on treating low ratio of C to N domestic wastewater using advanced ABR & biocontact oxidation process, optimizing the operating parameters to readjust carbon source and improve carbon source utilization, and determining the treatment efficiency under different m(COD)/m(N) conditions. The result shows that advanced ABR & biocontact oxidation process can effectively improve the carbon efficiency and denitrification rate. The carbon source utilization and denitrification rate reach the top when HRT is 10 h, reflux ratio is 2.5 and temperature is 30 ℃; Under different m(COD)/m(N) conditions, the denitrification rate decreases rapidly as m(COD)/m(N) of influent reduce. When m(COD)/m(N) of influent is 2 to 4, the average denitrification rate is less than 60%; When m(COD)/m(N) of influent is about 5, the average denitrification rate reaches 71.3% and the TN of the effluent is less than 20 mg/L, meeting the discharge requirements. When the m(COD)/m(N) of influent is 6-7, the average denitrification rate reaches higher than 80% and the TN of the effluent is less than 15 mg/L.

Key words: carbon source; anaerolic baffled reactor (ABR); biocontact oxidation; low ratio of C to N

近年来，城市生活污水呈现出低碳氮比的趋势^[1]，所面临的主要问题是如何以最低的代价提高脱氮效 率^[2]。目前，我国城市污水处理厂普遍采用缺氧/好氧(A/O)脱氮工艺。尽管A/O工艺采取缺氧前置、回流等措施，对碳源调配起到一定的促进作用，在一定程度上提高了碳源利用率和脱氮效率，但在实际工程中脱氮效率仍普遍低于70%^[3]，而且一旦进水m(COD)/m(N)过低，脱氮率将下降到50%以下，不能保证出水TN浓度达标。Carrera等^[4]研究表明，生物脱氮受进水m(COD)/m(N)影响。在生物脱氮系统中，39%的有机物被氧化消耗，脱氮所需m(COD)/m(N)至少为7.1。李德豪等^[5]对一体化A/O反应器研究表明：当m(COD)/m(N)为7.5左右时，具有较高的TN去除效果，TN去除率达到70%。当碳源不足时，可以通过投加碳源的方法提高脱氮效率^[6-8]。王之晖等^[9]对A/O工艺脱氮的研究表明：当进水m(COD)/m(N)为3.5~4.0，投加碳源量为221.58 mg/L时，脱氮效果最佳，但是投加碳源势必增加运行费用^[5]。针对传统A/O工艺脱氮效率低、碳源利用不充分的现状，试验将通过改进反应器结构和优化工艺运行参数来提高系统对碳源的利用率，以达到在不外加碳源的条件下取得最高脱氮效率的运行效果。在改进反应器的结构方面，试验将传统A/O工艺缺氧段改为厌氧折流板反应器(ABR)多隔室结构，并在好氧段设置软性填料，形成ABR-生物接触氧化新型工艺。相较于传统A/O工艺，改进后的工艺具有的独特分格式结构和推流式流态，促使每个隔室内驯化培养出与流至该隔室污水COD浓度相适应的微生物群落^[10-12]，有效提高了对不同浓度下碳源的利用率，同时反应器好氧区软性填料的设置，增大了微生物与水中污染物的接触面积，有利于氧的转移，提高系统抗冲击负荷的能力^[13]。在改进反应器结构的基础上，对反应器的运行参数进行优化，进一步提高系统碳源利用率。本文作者考察水力停留时间(HRT)、回流比(R)、温度(t)对系统碳源利用率的影响，探求系统利用碳源的最佳运行条件，并确定本工艺在不同m(COD)/ m(N)条件下对TN的去除效果。

1  试验

1.1  试验材料

试验用水采用人工模拟配制，保证了进水各项污染指标的稳定，同时配合试验的不同阶段调整碳源(葡萄糖)的投加量以实现不同进水m(COD)/m(N)。试验启动和运行参数优化阶段保持进水ρ(COD)≈300 mg/L，ρ(TN)≈60 mg/L。

试验期间进水成分及配比见表1。

表1  试验用水配比

Table 1  Quality of experimental water

试验所用活性污泥取自长春市西郊污水处理厂的A/O生物池，经20 d驯化培养后投加到反应器各隔室正常运行。

1.2  试验装置

本试验采用改进的ABR-生物接触氧化复合式反应器，试验装置如图1所示。

反应器由玻璃制成，长为60 cm，宽为15 cm，高为35 cm(其中保护高5 cm)，有效容积为27 L。反应器由竖向导流板分为五隔室，ABR缺氧区和好氧区部分所占容积比为3:2。ABR缺氧区隔室上设排气口，底部折流板起角为45°；好氧区隔室内悬挂软性填料，底部设曝气头，由小型曝气机进行曝气。

图1  试验装置示意图

Fig.1  Schematic diagram of experimental facility

整个反应器放置在恒温水浴槽内，采用温控加热棒控制水浴温度。原水由30 L高位水箱进入ABR缺氧区，依次通过3个隔室后进入到好氧区，好氧区部分出水再经回流泵返回到ABR缺氧区，形成回流。进水和回流软管分别设阀门和流量计以控制HRT和回流比R。

1.3  试验方法

试验装置的启动采用连续进水的方式，根据污泥生长状况和污水处理效果，分阶段降低HRT，提高反应器进水COD容积负荷。启动阶段试验用水中的m(COD)/m(N)为5，启动温度t=25 ℃，混合液回流比R=2。整个过程共历时30 d。

在反应系统稳定运行后，保持进水水质不变，依次改变反应器运行的水力停留时间HRT、回流比R和温度t，考察在不同运行条件下反应器进出水COD和TN浓度，确定反应器利用碳源的最佳运行条件。最后，在最佳条件下，调整进水COD质量浓度，确定本工艺对不同m(COD)/m(N)条件下污水的处理效果。

2  结果与分析

2.1  影响碳源调配运行参数优化

为确定不同运行条件下反应器对污水的处理效果和碳源利用情况，采用的考察指标为COD和TN去除率，以及Δρ(TN)/Δρ(COD)。

COD去除率和TN去除率计算式如下：

式中：为进水COD质量浓度，mg/L；为出水COD质量浓度，mg/L；为进水TN质量浓度，mg/L；为出水TN质量浓度，mg/L。

碳源利用率以消耗单位质量COD所去除的TN量即来表征，越高，表明碳源利用越充分，计算式如下：

式中：为进出水TN质量浓度变化，mg/L；为进出水COD质量浓度变化，mg/L。

2.1.1  HRT对碳源调配的影响

在反应器温度t为25 ℃，回流比R为2的条件下，调节进水流速，控制HRT在4~12 h内变化，经3~5 d系统稳定后测得不同HRT下反应器进出水的COD和TN质量浓度，分别计算去除率和。试验结果如图2所示。

图2  不同HRT下COD，TN平均去除率和的变化

Fig.2  Changes of average removal rate of COD and TN and  with different HRTs

由图2可以看出：COD的平均去除率随着水力停留时间的增大而缓慢升高，去除率保持在80 %以上，最终达到95.6 %。这表明系统在较低的HRT下即对COD具有较高的去除率。TN的平均去除率随停留时间的变化趋势为先升高后降低。当HRT为10 h时，TN的去除率最高，达到68.2 %。与TN去除率的变化趋势相似，二者具有一定的相关  性。当HRT为10 h时，最大，达到0.167 5。

其原因主要是由于随着HRT的增大，污水在硝化和反硝化阶段的停留时间均得到延长，反应较为充分。同时由于碳源在反硝化阶段停留时间的增加，有利于反硝化过程获取更多的碳源，在一定程度上实现了碳源的合理调配，提高了碳源利用率。当停留时间继续增大时，好氧区COD去除较为充分，回流于反硝化区的碳源逐渐不足，因此，导致TN去除率和系统碳源利用率下降。

2.1.2  回流比对碳源调配的影响

在反应器温度t为25 ℃，HRT为10 h的条件下，通过调节回流管阀门改变回流比，使回流比R在1~3.5内变化，经3~5 d系统稳定后测定不同回流比条件下反应器进出水的COD和TN质量浓度，分别计算去除率和。试验结果如图3所示。

图3  不同回流比下COD，TN平均去除率和的变化

Fig.3  Changes of average removal rate of COD and TN and  with different reflux ratios

由图3可看出：COD去除率受回流比变化的影响较小，主要在85%~95%范围内变化，出水COD比较稳定，均低于50 mg/L。TN的去除率随着混合液回流比的增大，出现先升高后下降的趋势。当混合液回流比R为2.5时，TN的去除率最高，达到69.8%。随回流比的变化情况与TN去除率基本相符，在R为2.5时达最大值，为0.167 0。

回流比是硝化-反硝化过程中重要的控制变量，对碳源调配起着重要作用。反应器通过回流将好氧段出水回流到ABR缺氧段，使得好氧段未消耗的碳源重新进入缺氧反硝化段，从而增加反硝化段碳源含量，实现了对硝化和反硝化过程中碳源的有效调配。但是，回流比过高和过低均对系统有不利影响：回流比过低时回流碳源较少，造成缺氧段的反硝化潜力不能充分利用，起不到理想的调配效果，出水TN浓度难以达标；回流比过高时一方面增加运行费用，另一方面使好氧区部分溶解氧进入缺氧区从而破坏反硝化环   境[14]。所以，从脱氮的角度考虑，要把回流比控制在合适的范围内，系统才能实现较高的碳源利用率和理想的脱氮效果。综合试验结果可知，系统运行的最佳回流比R为2.5。

2.1.3  温度对碳源调配的影响

在反应器HRT和回流比R分别为10 h和2.5的条件下，调节控温加热器，使水浴温度在10~30 ℃内变化，经3~5 d系统稳定后测定不同温度下反应器进水和出水的COD和TN质量浓度，分别计算去除率和。试验结果如图4所示。

图4  不同温度下COD，TN平均去除率和的变化

Fig.4  Changes of average removal rate of COD and TN and  with different temperatures

由图4可看出：COD和TN的去除率随着温度的升高而增大。当温度t为30 ℃时，TN的去除率最高，达到74.3%。也随温度升高而增大，在温度为30 ℃时取得最大值0.168 9。

温度和系统硝化-反硝化速率有密切关系。在脱氮过程中，通过改变温度调配碳源，实际上是通过温度的改变适当抑制硝化过程对碳源的消耗，同时促进反硝化过程对碳源的利用。研究表明[15]，硝化反应的适宜温度为20~30 ℃，反硝化反应的适宜温度为20~40 ℃。当温度过低(小于15 ℃)时，硝化和反硝化速率都极低，影响反应速率和碳源的利用。而温度过高(大于30 ℃)，会出现亚硝酸盐积累的现象。这可能是由于亚硝酸盐还原酶较硝酸盐还原酶对温度更为敏感，一旦温度不适宜，则其受到的抑制作用要大于硝酸盐还原酶，进而造成亚硝酸盐的积累。对于本试验，在温度为30 ℃的条件下，系统碳源利用率最高，碳源在硝化和反硝化过程中的调配处于最优。

综上所述，当系统运行参数改变时，碳源利用率和TN去除率的变化趋势呈现出一定的相关性；当反应器HRT为10 h，R为2.5，温度为30 ℃时，系统对碳源的调配达到最优，碳源利用率和TN去除率也  最高。

2.2  对不同m(COD)/m(N)污水的去除效果

为保证本工艺在实际工程中的应用，试验出水标准采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918— 2002)一级B标准，即ρ(COD)＜60 mg/L，ρ(TN)＜    20 mg/L。

调整进水的COD浓度，以测定最佳运行条件下反应器对不同m(COD)/m(N)污水中TN的去除率。试验结果如图5所示。

图5  不同m(COD)/m(N)条件下TN平均去除率的变化

Fig.5  Changes of average removal rate of TN with different m(COD)/m(N) ratios

由图5以看出：TN的平均去除率随着进水m(COD)/m(N)的减小而迅速降低。

当进水m(COD)/m(N)为2~4时，TN的平均去除率在39.5%~55.4%之间，均低于60%，处理效果不理想。这表明，ABR-接触氧化工艺不适合处理污水m(COD)/m(N)极低的情况。

当进水m(COD)/m(N)约为5时，TN平均去除率达到71.3%，出水TN质量浓度小于20 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。当进水m(COD)/m(N)为6~7时，TN平均去除率达到80%以上，最高为82.1%，出水TN质量浓度小于15 mg/L。由此可以看出：系统存在稳定高效的脱氮作用。

对比传统A/O工艺，若使TN去除率达到70%以上，所需进水m(COD)/m(N)一般至少为8，而改进后的ABR-生物接触氧化工艺在进水m(COD)/m(N)为5时，即可达到与传统A/O工艺相同的脱氮效果(TN去除率70%以上)。

ABR-生物接触氧化工艺能够在较低m(COD)/ m(N)条件下实现较高TN去除率的原因主要是其相对于传统A/O工艺强化了脱氮功能，有效提高碳源利用率。具体表现在以下几个方面：

(1) 好氧段通过设置竖向导流板，延长了水力停留时间，有利于世代时间较长的硝化细菌生长。同时悬挂软性填料，提高系统生物量浓度，增大污水与微生物的接触面积，好氧区硝化效率显著升高，由传统A/O工艺的85%左右提升至90%以上[16]。

(2) 缺氧段采用ABR形式，水流呈局部完全混合而整体推流的流态，不仅有利于提高反应器的容积利用率，而且在每个隔室中可以驯化培养出与污水水质、环境条件相适应的微生物群落，充分发挥反硝化菌群的活性。碳源在沿程各隔室内得到有效利用，提高了碳源利用率。

(3) 通过设置回流和调节HRT，实现碳源在硝化和反硝化段之间的转移，对碳源进行合理的调配，使系统硝化和反硝化作用处于动态的平衡。

(4) 系统中不同的微生物群落要求不同的适宜温度。通过调节系统温度适当抑制好氧过程微生物的代谢，减少好氧段对碳源的消耗，同时促进反硝化细菌的繁殖代谢，加强缺氧反硝化段对碳源的利用，在一定程度上实现了碳源的合理利用。

3  结论

(1) 采用ABR-生物接触氧化工艺对低碳氮比污水进行处理，相对于传统A/O工艺，进一步提高了碳源利用率，在进水m(COD)/m(N)为5时即可达到TN去除率70%的处理效果(传统A/O工艺进水m(COD)/m(N)至少为8)，实现了碳源的合理调配，一定程度上解决低碳氮比污水脱氮中碳源不足的问题。

(2) 当工艺运行条件发生改变时，系统碳源利用率与TN去除率的变化趋势基本相符；当反应器HRT为10 h，R为2.5，温度为30 ℃时，系统对碳源的利用率和TN去除率均达到最高。

(3) TN的平均去除率随着进水m(COD)/m(N)的减小而迅速降低。当进水m(COD)/m(N)为2~4时，TN的平均去除率低于60%，处理效果不理想；当进水m(COD)/m(N)为5时，TN的平均去除率达到71.3%，出水TN质量浓度小于20 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准；当进水m(COD)/m(N)为6~7时，去除率达到80%以上，出水TN质量浓度小于15 mg/L。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2010-11-29；修回日期：2011-03-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(20777027)；吉林省科技厅支持项目(200805045)

通信作者：黄继国(1967-)，男，湖北枣阳人，教授，从事环境工程水处理研究；电话：13604403146；E-mail: huangjg@jlu.edu.cn