吉澤英

（福建華東水務有限公司，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致污水脫氮效果較差而難以達標排放。研究及工程運營表明，將廢水中的CODCr/TN 控制在6～8、CODCr/TP＞20 時，即可滿足微生物對碳源的需求[1]。

活性污泥法反硝化是生物脫氮關鍵。影響反硝化因素包括3 個方面：1）外在環(huán)境因素。DO、溫度和酸堿度。2）運行工況因素。碳氮比、碳磷比和有機物種類等。3）運行參數(shù)。污泥齡、水力停留時間、回流比以及污泥濃度等[2]。

該研究主要針對低碳氮比的實際工業(yè)廢水，以改良型Carrousel 氧化溝工藝為主要對象，通過正交試驗研究溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對某工業(yè)污水處理廠改良型氧化溝生物脫氮效果的影響，以確定最佳運行工況，以求為污水處理廠確保出水達標前提下優(yōu)化污水廠運行模式和低碳節(jié)能降耗提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗所用藥劑、儀器、污泥和廢水

試驗藥劑：其余為分析純。

分析儀器：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司BAS224S型分析電子天平，KT370 型可調(diào)速攪拌機（啟東市匯龍混合設備有限公司），上海精宏DHG-9076A 電熱恒溫鼓風干燥箱（上海右一儀器有限公司），pH 計（上海精密科學儀器有限公司），Uvmini1240 紫外分光光度計[島津企業(yè)管理（中國）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）。

試驗污泥：以該工業(yè)污水處理廠缺氧段隨機時段的混合液靜置沉淀30 min 后的污泥為接種污泥。此時，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，再移入相應試驗裝置開展相關試驗研究。

試驗廢水：試驗水樣來自某工業(yè)污水處理廠隨機時段的進水。該工業(yè)污水處理廠采用改良型Carrousel 氧化溝工藝，遠期設計總處理能力7.0 萬m3/d，目前建成3.5 萬m3/d，該氧化溝系統(tǒng)分2 組，試驗期間只有1 組投入使用，日處理水量約1.7 萬m3/d。該工業(yè)污水處理廠接納污水包括先進裝備制造產(chǎn)業(yè)、食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)、電子信息技術產(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。設計進水BOD5/CODCr=0.36，而2019 年實際進水BOD5/CODCr、CODCr/TN 平均分別為0.22、2.52，可生化性差。

1.2 監(jiān)測項目及分析方法

該試驗主要的監(jiān)測項目與方法見表1。

表1 監(jiān)測項目及其分析方法

1.3 試驗方法

對正交試驗的各個因素及對應水平進行分析，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）對改良型Carrousel氧化溝處理低碳氮比工業(yè)廢水時生物脫氮效果的影響。

1.3.1 正交試驗因素的選定

正交試驗因素的選定以污水處理廠日常運行時控制生化系統(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，會降低反硝化效率；如果溶解氧的濃度過低，硝化作用將會受到抑制，污泥的沉降性能會降低，并導致污泥膨脹。因此，精準合理地控制曝氣量已成為提高氧化溝反硝化效率的關鍵因素之一。根據(jù)常規(guī)做法，該試驗采用氧化溝的出水口作為DO 測量點。

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入氧化溝首端的污水量的比值，一般用百分數(shù)表示。一方面，回流污泥可以補充氧化溝系統(tǒng)運行所需的生物量，使氧化溝系統(tǒng)中的污泥濃度相對穩(wěn)定，并使聚磷菌有效除磷；同時，回流污泥中的亞硝酸鹽和硝酸鹽將在缺氧段進行反硝化脫氮。但是，污泥回流過高，回流污泥中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量高，會影響厭氧環(huán)境及磷的去除。如果污泥回流過低，就會在二沉池中發(fā)生反硝化作用，從而導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行調(diào)整。通常來說，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單位體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計等因素。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者。污泥濃度過高，系統(tǒng)污泥齡過長會影響除磷效果。過低的污泥濃度會抑制硝化反應并影響反硝化效果。

污泥濃度是生物脫氮除磷系統(tǒng)中重要的設計參數(shù)之一。如果MLSS 選擇不合適，就可能會導致反應池中有機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 對生活污水脫氮除磷的影響，結果表明，當MLSS 分別為1600mg/L 和4800mg/L 時，NO3-N的去除率分別為82%和93%，提高MLSS 有利于氨氮的去除。邵輝煌等[4]考察了MLSS 對生活污水脫氮除磷的影響，結果表明，當MLSS 由4135mg/L 升至6266mg/L 時，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。這說明適度提高MLSS 有利于生物脫氮，但是過高的MLSS 反而不利于生物除磷。鄧仁健等[5]考察了MLSS 對污水脫氮除磷的影響，結果表明，當MLSS 分別為2400、3350 和4300mg/L 時，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，系統(tǒng)TP去除率卻降為56.7%；而當MLSS由4300mg/L升至5250mg/L 時，系統(tǒng)對TN 的去除率由52.5%升高至66.6%。這也印證了“適度提高MLSS 有利于生物脫氮，但是過高的MLSS 反而不利于生物除磷”的結果。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，也可能導致反硝化效果不同。

此外，當水溫低時，活性污泥的活性減弱，其降解有機物的速度變慢，此時，要保持較高的DO 值和MLSS，以加快有機物降解速度，保證出水穩(wěn)定達標；當水溫升高時，活性污泥的活性增強，其降解有機物的速度變快，因此可保持較低的DO 值和MLSS，以防止由于有機物過快降解導致活性污泥微生物因營養(yǎng)不足造成內(nèi)源呼吸過度，避免活性污泥老化太快，從而保證出水水質(zhì)達標[6]。因此合理地控制污泥濃度是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵因素之一。

溶解氧、污泥回流比和污泥濃度等因素對氧化溝系統(tǒng)的脫氮效果都會產(chǎn)生影響，該研究通過正交試驗對這些參數(shù)進行合理設置，以獲取氧化溝系統(tǒng)脫氮效果最佳的運行工況參數(shù)，為實際生產(chǎn)及該工藝的進一步優(yōu)化提供試驗依據(jù)。

1.3.2 正交試驗的安排

基于過低的進水水質(zhì)，該研究以該氧化溝系統(tǒng)對污染物去除率（包括氨氮、總氮去除率）為正交試驗的性能指標，以溶解氧、污泥回流比和污泥濃度為正交試驗的3 個影響因素，結合該廠實際運行情況，確定氧化溝出水口溶解氧的3 個水平分別為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 個水平分別為50%～65%、65%～80%、80%～95%，建立三因素三水平的正交試驗[L9（33）]，共9 個工況，每個工況進行7 天試驗。在測試期間，均從氧化溝出水口對DO和MLSS 采樣檢測，正交試驗各因素水平的取值范圍見表2。

表2 正交試驗因素水平表

2 結果及討論

2.1 正交試驗的結果

該正交試驗是根據(jù)正交試驗因素（表2）的水平和正交試驗計劃進行的。試驗中各因素的控制方法如下：通過調(diào)節(jié)鼓風機的頻率來控制溶解氧的濃度；通過調(diào)節(jié)污泥回流泵來調(diào)節(jié)污泥回流比；通過調(diào)節(jié)污泥回流和剩余污泥的排放量來控制污泥濃度。其他運行因素控制：氧化溝內(nèi)水力停留時間約為22 h；保持硝化液回流門完全打開。正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗方案和試驗結果

2.1.1 正交試驗結果的極差分析

極差分析法具計算簡單、形象直觀和簡單易懂等優(yōu)點，其值Rij的大小用來衡量試驗中對應因素作用的大小。極差越大，表明該因素的變化對試驗結果的影響大，該因素就越重要；相反，極差越小，表明該因素水平變動對試驗結果的影響小，該因素就越不重要。對表3 中試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，結果見表4。由表4 可以看出，溶解氧、污泥濃度和污泥回流比對氨氮和總氮去除率影響的重要性順序：DO＞R＞MLSS。

表4 正交試驗的極差分析

2.1.2 正交試驗的方差分析

表3 中試驗數(shù)據(jù)方差分析結果見表5。

表5 正交試驗的方差分析

由正交試驗的方差分析可知，在這3 個因素中，溶解氧對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，溶解氧濃度過低，硝化將受到抑制，不僅容易導致污泥膨脹，還會降低污泥的沉降性能。溶解氧過高會破壞缺氧區(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影響系統(tǒng)的反硝化效果。

氨氮去除率方差分析說明溶解氧對氨氮去除率有顯著的影響，污泥回流比和污泥濃度對氨氮去除率無顯著影響。

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)，對氨氮降解效能的影響因素進行分析，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)中溶解氧的濃度對硝化反應有重大影響。隨著溶解氧濃度增加，氨氮的去除率提高。對活性污泥來說，曝氣量增大，溶解氧濃度升高，氧傳遞加強，微生物絮狀體內(nèi)部的好氧環(huán)境增加，硝化細菌在好氧環(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氨氮去除率的影響相對較小。

由圖2 可以看出，所有工況下出水氨氮都能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。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)，對總氮降解效能的影響因素進行分析， 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%）。

溶解氧對系統(tǒng)的反硝化作用影響最大，因為溶解氧會影響系統(tǒng)的硝化反應，進而影響反硝化脫氮。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。在進水有機污染物濃度較低的情況下，當污泥濃度較高時，MLVSS/MLSS 值偏低，從而導致老化污泥較多，導致微生物活性降低，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到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。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 結論

對低碳氮比的難處理的實際工業(yè)廢水，通過正交試驗研究了溶解氧（DO）、污泥回流比（R）和污泥濃度（MLSS）對某工業(yè)污水處理廠改良型氧化溝生物脫氮效果的影響，進而確定了最佳的運行工況，以期為該污水處理廠的運行模式和低碳節(jié)能降耗提供參考。1）通過正交試驗極差及方差分析，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，溶解氧對脫氮影響較為顯著。2）綜合考慮各因素不同水平試驗結果，適合當前外界條件（進水水質(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%。