AAO工艺处理生活污水反硝化效率影响原因
AAO工艺是城市生活污水处理中常用的处理工艺，具有结构简单，技术较为成熟，便于管理与运行费用低等优势，在目前城市污水处理厂中被广泛应用。笔者所在的广州市某污水厂地处北回归线以南，属亚热带季风气候，污水管网系统主要采取合流制，导致经常进水碳源较低。在生物脱氮除磷的过程中，生物脱氮与生物除磷对于碳源的需求是相互独立且相互竞争的关系，碳源不足是我国南方城市污水处理厂处理效果不稳定的重要原因。
大部分城市污水处理厂在进水碳源过低时，通常做法是另投加有机碳源。出于节约成本考虑，笔者在不另投加碳源基础上，通过调整内回流量、好氧末段溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)浓度、进水量三个影响反硝化的因素，探究影响反硝化的制约因素，并寻找最佳工况条件，以提高生化系统的反硝化能力。
1、工艺概况
1．1 工艺简介
本污水厂共有1#、2#两条生产线，以1线为例，工艺流程如图1所示。污水分别进入预缺氧区和厌氧区，然后进入缺氧区，最后进入好氧区，好氧池末端混合液部分回流到缺氧区(内回流)。好氧区出水经二沉池泥水分离后进入滤池，再经过消毒外排河涌。二沉池部分污泥回流到预缺氧区(外回流)，剩余污泥处理后外运。本污水处理厂所采用的方法为典型的传统AAO处理工艺。
1．2 水质情况与检测方法
本污水处理厂设计进水水质和实际进水水质差异较大，其设计进水水质：化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)为300mg／L，总氮(Total Ni―trogen，TN)为35mg／L。而以2016年12月进水水质为例，该月平均进水水质为：COD159．31mg／L，TN35．5mg／L。实际进水的COD浓度远低于设计进水COD浓度，其C／N仅为4．49。而根据Peng等人的研究表明，当进水COD／TN≥8时，AAO工艺脱氮效果较好，其实际进水碳氮比远小于Peng等人的结论。
本试验均采用国标法检测水质。COD采用重铬酸钾法，TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法，硝氮(NO)采用紫外分光光度法。
2、结果和讨论
2．1 内回流比对反硝化作用的影响
在同一时段内，对生产线1#、2#分别采用了150％和80％的内回流比；设置外回流比均为80％；控制其曝气量，进水量均相同；于预缺氧区末端、缺氧区末端、好氧区末端取样测试其硝氮指标，结果如表1所示。
由表1可知，在外回流比均为80％，内回流比分别为80％与150％的条件下，两条生产线的硝氮总去除量分别为8．35mg／L和12．7mg／L。内回流比为150％的条件下，硝氮的总去除量比内回流比为80％条件下增加了52％。其原因是当内回流增大时，增加了异氧反硝化过程中底物浓度，有利于提高反硝化效率。反硝化过程在生物化学工程中是还原反应，硝氮作为电子受体，在厌氧菌的作用下被还原。该反应需要具备四个条件：一是必须有足够厌氧菌；二是污水中有足够的电子受体；三是污水中有足够的电子供体；四是厌氧或缺氧环境。提高内回流比使得缺氧区中硝氮的浓度升高，从而提高了反硝化反应的速率。
提高内回流比会使到缺氧区的实际停留时间减少。根据王社平等的研究，反硝化过程反应速率可分为三个阶段，12～30min反硝化速率最大，反应60min后，反硝化速率已经大大降低。当内回流比为80％时，实际污水在缺氧区的停留时间为1．1h；内回流比为150％时，实际污水在缺氧区停留时间为0．83h。维持进水量不变，内回流量提高了88％，即停留时间减少了25％，反硝化去除量只增大52％。在低碳源条件下，内回流量增大，使反硝化去除量增大，但由于污水在缺氧区的停留时间减少，使反硝化量增幅低于内回流量的增幅。
2．2 好氧末段DO浓度的影响
在同一时段内，对生产线1#、2#分别采用了150％和80％的内回流比，设置外回流比均为80％，控制其进水量相同，实验第1~10d通过控制曝气量使好氧末端溶解氧大于3．0mg／L，第11~20d控制曝气量使得好氧末端溶解氧维持在1．0mg／L以下，于预缺氧区末端，缺氧区末端，好氧区末端取样测试其硝氮指标，取平均值，其结果如表2所示。
反硝化菌是异氧兼性厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，它们才能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。根据吉芳英等人的研究，平均溶解氧浓度过低会导致NH3-N氧化不足而影响缺氧区的反硝化过程；溶解氧过高不仅破坏了缺氧区的缺氧环境，而且使得部分碳源被氧化分解，导致本来COD较低的污水中电子供体更为不足，不利于反硝化过程效率的提高。对比好氧末段DO大于3．0mg／L与小于1．0mg／L，可以看出不同内回流比的两生产线的总硝氮去除量相差均约为12mg／L。末段DO小于1．0mg／L时，两生产线缺氧区的反硝化量占了总硝氮量的六成，而好氧区末段DO大于3．0mg／L时，两生产线缺氧区的反硝化量仅占总硝化量的三成不到。内回流比不变时，好氧末段DO对缺氧区的处理效率影响较大。因此，在低碳源条件下，控制好好氧末段出水DO，尤为关键。
2．3 进水量的影响
为探究进水量对AAO工艺反硝化效率的影响，控制内回流比为150％，好氧末端溶解氧浓度为1．0mg／L，调整每日进水量，于进水口，预缺氧区末端，缺氧区末端，好氧区末端取样测试其硝氮以及COD指标，进水量与硝氮去除量关系如表3所示。
当进水量提高时，硝氮的去除量并没有与进水量呈现出较强的相关关系，但是通过计算可以得知，当进水总碳源提高时，硝氮去除量随着污泥负荷的变化而变化。根据文单等人的研究表明，较高的污泥负荷可为微生物提供更为充足的营养物质，增加了单位体积污泥中的生物量，从而增加了污泥的活性。本实验中，污泥负荷在0．0255kgBOD／kgMLSS.d时，硝氮总去除量为4．85mg／L，而污泥负荷在0．0568kgBOD／kgMLSS.d时，硝氮总去除量为19．57mg／L，污泥负荷提高1倍，硝氮去除量提高3倍。反硝化反应是由异常型微生物完成的生化反应，碳源浓度不同，反应速率也不同，在低碳源浓度时，随着污泥负荷增大而反硝化反应速率提高，而且硝氮去除量的增幅大于污泥负荷的增幅。
3、结论
1)在低碳源条件下，通过增大内回流比至150％，可有效提高反硝化过程的效率，对比起内回流比为80％，其硝氮去除量提升了52％。但由于停留时间减少，使反硝化量低于内回流量增幅。
2)内回流比不变时，好氧区末段DO对缺氧区的反硝化过程的处理效率影响较大，控制好好氧末段出水DO，尤为关键。末段DO小于1．0mg／L时，两生产线缺氧区的反硝化量占了总硝氮量的六成。
3)随着污泥负荷增大而反硝化反应速率提高，而且硝氮去除量的增幅大于污泥负荷的增幅，污泥负荷提高1倍，硝氮去除量提高3倍。（来源：广州市净水有限公司石井分公司华南理工大学土木与交通学院华南理工大学环境与能源学院，贵州科学院）