李濤　石林松　盛雅

摘要：為了適應(yīng)日趨嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)對污水處理廠脫氮性能的新要求，在強(qiáng)化改良AO工藝脫氮效果的同時節(jié)省藥劑投加成本，通過批次實(shí)驗(yàn)確定最佳污泥濃度范圍和乙酸鈉投加量，并進(jìn)行為期35 d運(yùn)行實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)乙酸鈉投加量一定時，隨著生物池內(nèi)污泥濃度的增加，NO-N及TN的濃度逐漸下降，脫氮性能提高，當(dāng)污泥質(zhì)量濃度高于4.91 g/L時，NO-N及TN濃度的下降趨勢變緩;當(dāng)污泥質(zhì)量濃度為4.268 g/L，乙酸鈉投加量在30～180 mg/L范圍內(nèi)增加時，隨著C/N值逐步增加，反硝化脫氮性能顯著增強(qiáng)。當(dāng)乙酸鈉投加量為120 mg/L時，對應(yīng)C/N值為5.05，此時TN質(zhì)量濃度低于15 mg/L，可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）表1中一級A標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行實(shí)踐過程中控制污泥質(zhì)量濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，每日出水均可達(dá)標(biāo)排放;通過合理投加乙酸鈉，每年可節(jié)省藥劑成本300萬元。研究成果能夠有效提高污水處理廠脫氮效率，可獲得明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，可為污水處理廠實(shí)際運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：水污染防治工程;改良AO工藝;MLSS;乙酸鈉;反硝化脫氮

中圖分類號：X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02012

Optimization of nitrogen removal conditions by modified AO process

in sewage treatment plant：Taking a sewage treatment plant in Shijiazhuang as an example

LI Tao，SHI Linsong，SHENG Ya

（Shijiazhuang Qiaoxi Sewage Treatment Plant，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Abstract：In order to meet the new requirements for denitrification performance in sewage treatment plants due to the increasingly stringent wastewater discharge standards，and to enhance the nitrogen removal effect of the improved AO process while reducing the consumption of chemicals，batch experiments were conducted to explore the optimal mixed liquor suspended solids range and sodium acetate dosage，and then the operation practice was conducted with 35 days.According to the results of batch experiments，when the dosage of sodium acetate is constant，the concentration of NO-N and TN decreases gradually and the denitrification performance improves with the increase of mixed liquor suspended solids.The decreasing trend of NO-N and TN concentration slows down when the sludge concentration is higher than4.91 g/L.With the gradual increase of C/N，the denitrification performance is significantly enhanced when the sludge concentration is 4.268 g/L and the dosage of sodium acetate is increased from 30 to 180 mg/L.Furthermore，when the dosage of sodium acetate reaches 120 mg/L and the corresponding C/N is 5.05，the TN concentration is lower than 15 mg/L，which meets the first level A criteria specified in the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Sewage Treatment Plant （GB 18918—2002）.In the operation practice，the mixed liquor suspended solids is 4～5 g/L，the sodium acetate dosage is 120 mg/L，and the daily effluent quality can meet the discharge standard.At the same time，by adding sodium acetate reasonably，the consumption of chemicals can be saved by 3 million yuan every year.The research results can effectively improve the nitrogen removal efficiency of sewage treatment plants，and obtain obvious social and economic benefits，which can provide guidance for the actual operation of sewage treatment plants.

Keywords： water pollution control engineering;improved AO process;MLSS;sodium acetate;denitrification and nitrogen removal

隨著城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，總氮（total nitrogen，TN）濃度（一般為質(zhì)量濃度，下同）成為限制污水處理廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要因素，而TN超標(biāo)的風(fēng)險主要是由出水中的NO-N所貢獻(xiàn)的[1]。據(jù)統(tǒng)計，利用硝化和反硝化原理的傳統(tǒng)AO工藝及各種改良的AO工藝是中國城鎮(zhèn)污水處理廠中應(yīng)用最廣泛的生物脫氮工藝[2-4]，其處理量約占全國城鎮(zhèn)污水廠設(shè)計總規(guī)模的1/3。改良AO工藝中，生物池缺氧段微生物的主要功能是通過反硝化反應(yīng)去除絕大部分NO-N，在此過程中需外源投加大量碳源，由此污水廠承擔(dān)著巨大的藥劑成本。因此提高該段反硝化的脫氮性能、節(jié)約藥劑成本尤為重要[5-6]。

影響反硝化脫氮性能的主要因素是反硝化菌的數(shù)量，即污泥濃度（mixed liquor suspended solids，MLSS;一般為質(zhì)量濃度，下同），MLSS濃度越高所含反硝化菌的數(shù)量也越多，脫氮效果越好[7-8]。除MLSS外，碳源投加量即C/N（碳和氮的總質(zhì)量濃度之比，一般用C/N表示）也是影響反硝化過程脫氮性能的主要因素[9-10]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“全國城鎮(zhèn)污水處理信息系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)顯示，C/N值低是中國城鎮(zhèn)污水處理廠的普遍性問題，當(dāng)C/N值小于3時，進(jìn)水碳源不足[11]。因此，為確保出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，優(yōu)化MLSS及碳源投加量是提高生物池反硝化脫氮性能、節(jié)約藥劑成本的有效手段。

本研究通過模擬生物池缺氧段微生物反硝化環(huán)境運(yùn)行狀況，對反硝化脫氮性能影響的主要因素MLSS及乙酸鈉投加量進(jìn)行了優(yōu)化，以期探索合理的運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)污水處理廠運(yùn)行實(shí)踐。

1污水處理廠概況

石家莊市某污水處理廠二期工程處理能力為20萬m/d，生物處理單元采用改良AO工藝，即厭氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧工藝，是通過利用不同的空間進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)，對污水中的氮進(jìn)行去除，工藝流程圖如圖1所示[12]。其中生物池設(shè)計MLSS濃度為2～3 g/L，外加碳源乙酸鈉設(shè)計投加量（質(zhì)量濃度，下同）為150 mg/L。該污水處理廠進(jìn)水TN，NHN和COD的質(zhì)量濃度（以下簡稱濃度，下同）分別在20～100 mg/L，10～60 mg/L，65～300?mg/L范圍內(nèi)波動，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）表1中一級A標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱排放標(biāo)準(zhǔn)），即TN濃度小于15 mg/L，NHN濃度小于5 mg/L，COD濃度小于50 mg/L。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

接種污泥取自該污水處理廠生物池第一好氧段出口的活性污泥，靜置沉淀30 min后取上清液備用，底部污泥用磷酸鹽緩沖液清洗3次，以消除殘余NON和溶解性有機(jī)物對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響。

批次實(shí)驗(yàn)裝置為ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)（深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司提供），其中燒杯的有效容積為1 000 mL。為達(dá)到缺氧環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程中將攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為30 r/min，控制氧氣的溶入。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1MLSS對反硝化脫氮性能影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在有效體積為1 000 mL的燒杯中進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，考察不同濃度MLSS對反硝化脫氮性能的影響。各實(shí)驗(yàn)組接種不同體積的活性污泥，并用上清液定容至1 L，接種污泥MLSS濃度分別為1.88，3.11，3.87，4.91，6.08，6.94 g/L，相應(yīng)命名為實(shí)驗(yàn)組M1，M2，M3，M4，M5，M6，具體如表1所示。向各實(shí)驗(yàn)組投加128 mg乙酸鈉（以純乙酸鈉計，參考設(shè)計值），開啟實(shí)驗(yàn)裝置攪拌器1 h，測定反應(yīng)前后COD，TN，NON，NHN的濃度變化。

2.2.2乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在有效體積為1 000 mL的燒杯中進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，探究投加不同濃度乙酸鈉引起C/N變化后對于反硝化脫氮性能的影響。根據(jù)MLSS對反硝化脫氮性能影響的批次實(shí)驗(yàn)所確定的最佳MLSS濃度，各實(shí)驗(yàn)組接種相同量的活性污泥，用上清液定容至1 L，并投加30～180 mg/L乙酸鈉，以30 mg/L梯度遞增，分別命名為實(shí)驗(yàn)組C1，C2，C3，C4，C5，C6，對應(yīng)COD濃度分別為54.1，69.6，91.5，123.2，138.5，151.6?mg/L，其所對應(yīng)C/N值分別2.22，2.85，3.75，5.05，5.68，6.21，具體見表2。開啟實(shí)驗(yàn)裝置攪拌器1 h，測定反應(yīng)前后TN，NO-N，NH-N的濃度變化。

2.2.3工藝優(yōu)化運(yùn)行實(shí)踐

根據(jù)上述批次實(shí)驗(yàn)所得到的優(yōu)化結(jié)果，以最佳的MLSS濃度及乙酸鈉投加量指導(dǎo)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐35 d。運(yùn)行實(shí)踐階段每日監(jiān)測生物池MLSS濃度及進(jìn)、出水的TN，NH-N，COD的濃度變化。

2.3分析方法

取污泥混合液，采用重量法測定MLSS濃度[13]，再靜置沉淀后取上清液，分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、重鉻酸鉀法測定TN，NO-N，NH-N，COD的濃度 [14]。

3結(jié)果與討論

3.1MLSS對反硝化脫氮性能的影響

批次實(shí)驗(yàn)選取6個MLSS濃度（見表1），在TN濃度為19.7 mg/L，NO-N濃度為16.0 mg/L，NH-N濃度為0.33 mg/L的初始條件下，考察不同MLSS濃度對反硝化脫氮性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，MLSS濃度為1.88～4.91 g/L時，隨著MLSS濃度增加，NO-N濃度呈顯著下降趨勢;當(dāng)MLSS濃度高于4.91 mg/L時，NO-N濃度下降趨勢變緩。實(shí)驗(yàn)過程中NH-N濃度無明顯變化，且TN變化趨勢與NO-N變化趨勢相同，這是由于反硝化作用是在缺氧條件下反硝化菌將NO-N還原為N的脫氮過程，因此該實(shí)驗(yàn)過程中，NH-N濃度并無明顯變化;同時由于上述原因，在不考慮有機(jī)氮的情況下，TN變化趨勢應(yīng)與NO-N變化趨勢相同。

決定反硝化速率的主要因素之一是反硝化菌的數(shù)量，而隨著污泥濃度的增加有效地提高了系統(tǒng)內(nèi)的反硝化菌的濃度，因此可促進(jìn)反硝化脫氮性能的提高。當(dāng)MLSS濃度為4.91 mg/L時，TN濃度下降至6.5 mg/L，NO-N濃度下降至2.43 mg/L。有學(xué)者認(rèn)為，系統(tǒng)污泥濃度的過度升高會抑制反硝化過程[15]，同時較高的污泥濃度會造成污泥老化[16-17]，嚴(yán)重時會影響出水指標(biāo)。并且，保證好氧氧化效果的前提下，隨著生物池污泥濃度的增加需要增加曝氣量，這又會造成設(shè)備負(fù)荷及能耗的增加。因此，本實(shí)驗(yàn)確定最佳MLSS濃度為4～5 g/L，這樣既能保證脫氮性能，又能減少污泥老化問題及控制成本。

3.2乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能的影響

乙酸鈉為低分子有機(jī)酸鹽，容易被微生物利用，已有研究表明以乙酸鈉為有機(jī)碳源時，反硝化反應(yīng)具有最大的比反硝化速率[18-21]，因此本實(shí)驗(yàn)選擇乙酸鈉作為外加碳源。各實(shí)驗(yàn)組MLSS濃度均為4.268?g/L，投加30～180 mg/L不同濃度的乙酸鈉（見表2），在TN濃度為24.4 mg/L，NO-N濃度為19.4 mg/L，NH-N濃度為0.28 mg/L的初始條件下，考察不同乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著乙酸鈉投加量的增加，C/N值逐步增加，NO-N及TN濃度呈顯著下降趨勢。當(dāng)乙酸鈉投加量為150 mg/L，對應(yīng)C/N值為5.68時，TN濃度下降趨勢變緩。張淼等[22]發(fā)現(xiàn)利用乙酸鈉為碳源，當(dāng)C/N=2時，由于內(nèi)碳源利用速率低，導(dǎo)致出水NO-N濃度變高，反硝化脫氮進(jìn)程受限，不充足的碳源難以滿足完全反硝化的需求。袁怡等[23]發(fā)現(xiàn)以乙酸鈉為碳源，當(dāng)C/N≥3.5時，NO-N積累量顯著下降，有利于全程反硝化。如圖3所示，當(dāng)乙酸鈉投加量為120 mg/L時，C/N值為5.05，經(jīng)反硝化脫氮后TN濃度低于15 mg/L，達(dá)到城鎮(zhèn)污水排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3.3工藝優(yōu)化運(yùn)行實(shí)踐效果分析

控制生物池MLSS濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，探究生物池實(shí)際運(yùn)行情況。每日對生物池進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)、出水的TN，NH-N，COD濃度分析如圖4所示。

由圖4可以看出，在工藝優(yōu)化運(yùn)行期間，每日出水中TN，NH-N，COD均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。圖4 a）中，每日出水TN濃度均低于15 mg/L，可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求;在第15天時，進(jìn)水TN濃度高達(dá)98.1 mg/L，出水TN濃度為10.9 mg/L，表明生物池可以耐受高濃度TN沖擊負(fù)荷，脫氮性能優(yōu)良。由圖4 b）可看出，出水NH-N濃度均控制在0.5?mg/L以下，遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)的5 mg/L;在第9天時，進(jìn)水NH-N濃度為56.0 mg/L，出水濃度降低至0.27 mg/L;在第9～16天時，進(jìn)水中持續(xù)含有較高濃度NH-N，而出水NH-N濃度都降低至0.3 mg/L以下，NH-N去除效果顯著。由圖4 c）可知，每日出水COD濃度均降至20 mg/L以下，可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)中50 mg/L的要求;在第4天和第11天時，進(jìn)水COD濃度分別為273.4，268.8 mg/L，出水COD濃度分別降至13.0，8.33 mg/L，COD去除效果顯著。

通過上述批次實(shí)驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，將生物池MLSS濃度2～3 g/L提高至4 g/L時，乙酸鈉使用量可由150 mg/L減少到120 mg/L，出水脫氮效果穩(wěn)定且達(dá)標(biāo)。每日污水處理能力為20萬m/d，每日節(jié)約乙酸鈉使用量6 t，約合人民幣1萬元，每年可節(jié)省300萬元藥劑費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。由于生物池污泥濃度提高，為保證生物池溶解氧含量，鼓風(fēng)機(jī)負(fù)荷相應(yīng)提高，耗電量略有增加，相比乙酸鈉的節(jié)約量，鼓風(fēng)機(jī)耗電量的增加對生產(chǎn)運(yùn)行成本的影響基本可以忽略不計。

4結(jié)語

本文通過模擬改良AO工藝生物池缺氧段微生物反硝化脫氮過程，考察不同MLSS濃度及乙酸鈉投加量對其脫氮性能的影響，探索合理的運(yùn)行參數(shù)指導(dǎo)污水廠運(yùn)行實(shí)踐。

1）當(dāng)乙酸鈉投加量一定時，隨著系統(tǒng)內(nèi)MLSS濃度的增加，NO-N及TN的濃度逐漸下降，脫氮性能提高，當(dāng)MLSS濃度高于4.91 g/L時NO-N及TN的濃度下降趨勢變緩?？紤]曝氣設(shè)備負(fù)荷、電耗以及污泥老化等因素，宜將污泥濃度控制在4～5 g/L。

2）當(dāng)MLSS濃度為4.268 g/L時，隨著乙酸鈉投加量的增加，C/N值逐步增加，反硝化脫氮性能顯著增強(qiáng)。當(dāng)乙酸鈉投加量為120 mg/L時，C/N值為5.05，此時TN濃度低于15 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）表1中一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3）根據(jù)批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了運(yùn)行條件為MLSS濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，并指導(dǎo)運(yùn)行實(shí)踐35 d，出水的TN，NH-N，COD濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）表1中一級A標(biāo)準(zhǔn)，每年可節(jié)省300萬元藥劑費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在優(yōu)化改良后的AO工藝脫氮運(yùn)行條件下，污水處理廠的脫氮性能得到提高的同時降低了藥劑成本。但是，本研究只針對改良AO工藝中反硝化階段的運(yùn)行條件進(jìn)行了優(yōu)化，并未優(yōu)化硝化階段的運(yùn)行條件。因此，在今后的研究中會優(yōu)化硝化階段的MLSS及曝氣量，以期探索更合理的運(yùn)行條件，達(dá)到既能保證較高脫氮性能又能降低能耗的目的。

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