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用于提高生物营养物去除率的具有附加内部缺氧区的改良氧化沟

摘要：一个新改进的具有额外的内部缺氧区的中试规模的厌氧氧化沟在实验中得到了运行，这个旨在研究提高生物除磷和磷的改良以及在过程中脱氮除磷的效果。在所有实验条件下，附加内部缺氧区，内部循环比为200％的厌氧氧化沟有着营养物最高去除效率。出水中氨氮，总氮，磷酸根和总磷的浓度分别为 1.2 mg·Lminus;1, 13 mg·Lminus;1, 0.3 mg·Lminus;1 和0.4 mg·Lminus;1，均符合中国的出水排放标准。由于额外的内部缺氧区域和200％的内部循环比的出现，TN和TP的去除效率从37%和50%显著地提高到65%和88%。结果表明，额外的内部缺氧区可以优化利用来自厌氧出水的可用碳源于脱氮。还发现通过脱氮过程中，在附加内部缺氧区内，除磷效率会得到提高，这有利于在处理废水时，在有限的碳源下的生物除氮和除磷。然而，过量的内部循环将导致亚硝酸盐积累在系统中。 这个似乎不利于生物除磷。

关键词：内部缺氧区，内部循环，碳源，硝酸盐，磷

1.介绍

污水中的过量的污染物，特别是氮和磷，在排放到天然水体之前应该被去除。相比于物理化学法，为了节约能源降低成本，生物脱氮除磷过程被推荐使用。如今，很多与活性污泥法相关的生物处理，比如厌氧/缺氧/有氧（A / A / O）和厌氧/氧化氧化沟，已经被污水处理厂普遍采用。

碳源在生物脱氮除磷的过程中起到了重要的作用。在生物脱氮过程中，有机碳需要作为反硝化作用中的电子受体。在生物除磷过程中，有机碳可以在磷酸盐积聚的生物细胞内储存为胞内聚合物，以实现过量的磷的摄取。但是，在中国南部，市政废水中通常碳源含量较低，这就限制生物脱氮除磷的效果。因此，在这一方面，对于传统的活性污泥法而言，能够获得一个较高的营养物去除效果是一个挑战。

最近，为了提高生物脱氮除磷的效果，在处理污水中不同含量的碳时，生物处理过程中的厌氧区的设计与运行已经受到了广泛的注意。优化缺氧区的尺寸与运行可以使可利用的碳源在反硝化过程中得到最充分地利用。Brown etal指出在硝酸盐被耗尽之前一定范围内增加水力

图一.实验过程中改良氧化沟示意图

停留时间会提高生物脱氮除磷的效果。Peng et al.研究了在许多处理过程中，比如循环活性污泥技术（CAST），A / A / O和续批式反应器（SBR），不同缺氧HRT的操作条件对于生物脱氮除磷效果产生的影响。研究结果表明，优化缺氧区的作业条件将会明显有利于增强生物营养的去除。有时，放大缺氧区的尺寸将大大提高生物营养的效率，使出水符合排放标准,特别是当碳源是有限时。此外，在一个优化的缺氧操作条件下，DPAOs对于生物脱氮的贡献会得到增强。DPAOs可以使来自于进水中化学需氧量的被储存的有机聚合物在脱氮和磷吸收上得到两次使用。有研究也发现，当碳源是有限的时候，在生物脱氮过程中，通过刺激DPAOs的贡献，可以获得更高的营养物去除潜力。

目前，缺氧区的操作策略和DPAOs在SBR, UCT ，A/A/O, CAST 等在生物脱氮中的促进作用已经被报道。然而，关于氧化沟方面的相关研究还没有进行。由于氧化沟在中国污水处理系统中的重要性，本研究旨在发现在OD系统中设置额外的内部缺氧区对于增强生物营养物质去除的效果。

表一.进水的主要参数（mg/L）

2.材料和方法

2.1中试实验

如图一所示的中试规模的氧化沟系统是在安徽省巢湖污水处理厂特别设计和运行的。在图1 1（a）中，整个系统由前缺氧组成区，厌氧带Ⅰ，厌氧带Ⅱ，改良OD生物反应器（两个内部缺氧区）和二次净化器，他们的有效体积分别为0.96 m3 , 1.53 m 3 , 1.53 m3 , 28.8 m3 (4.8 m3 ), and 8.2 m3。进水被泵以2 m3·hminus;1的流速抽送进入厌氧区I，这会给厌氧区（I II）和OD沟分别提供1.53小时和14.4小时的名义水力停留时间。氧化沟的出水随后会被引入二级净化器，同时，为了去除硝酸盐，回流活性污泥会被抽送回至预缺氧区。设置有六台搅拌机是为了防止污泥在预缺氧区，厌氧带I，厌氧带II和二个内部缺氧区内沉淀。采用盘式曝气机供应氧气，同时，一个液体推进器为了起到混合的作用被安装在了氧化沟。

图1（b）展示的是有内部缺氧区的氧化沟的横截面图。由于盘式曝气机的推动作用，具有高流速的部分混合液会从顶部进入缺氧区部分缺氧区I（内循环）。采用流量计和水闸来控制内循环率。厌氧沟渠中的其他混合液会在内部缺氧区域内从底部通道循环至需氧区。

通过每天排放一些污泥，固体停留时间会保持在18天。设置有溶解氧DO和MLSS（混合液悬浮固体）探针，同时也采用一个可编程的逻辑控制器，通过在氧化沟好氧区测得的DO值来控制盘式曝气机的转速。

2.2污泥和污水

取巢湖污水处理厂氧化沟中的污泥和污水。污水通过进水泵流经除砂机输送。碳源有限的进水的主要特点如表一所示。

2.3实验阶段

本实验从2011年3月持续到2011年8月。所有的实验都是在水温从16到200度的条件下进行的。正如表二所总结的，实验过程包括6个阶段。第一阶段是传统的OD系统，没有额外的内部缺氧区，而其他的阶段设置有内部缺氧区，如图1所示。在每个阶段都稳定之后（20天），水样会被去出分析一个星期。在所有的实验过程中，在氧化沟系统中的需氧区的DO浓度控制在1 mg·Lminus;1 .

表二.实验的操作参数

2.4分析方法

从反应器中取出的水样需要0.45mm的滤纸过滤以除去液柱中的细菌，同时也可以冷却以防止出现一些不希望的反应。水样中的CODCr, MLSS, MLVSS, , ,, 和TP 会通过标准的方法测定。

3.结果和讨论

进水的碳比较低，而且BOD/TN的比例也低于2.86，这可能会影响生物脱氮除磷的效果。系统中的混合液悬浮物（MLSS）在整个实验阶段中会保持在2700 到3000 mg·Lminus;1。在所有的阶段中，出水的COD在27-41 mg·Lminus;1，符合综合废水A类排放标准（GB18918-2002，中国）。

3.1生物脱氮的效果

几项研究指出，优化运行缺氧区对于生物脱氮至关重要，特别是当处理的污水的含碳量较低时。通过进水中总氮含量的数据分析，正如图二所示出水和它的去除率，可以得出，内部缺氧区的出现和内回流率的增加会提高总氮的去除率。出水总氮含量在整个整个是实验阶段连续下降。在第一阶段，出水中的总氮大约在20mg/L,去除率大概在37%左右。内部缺氧区的出现，出水总氮含量随着内循环率的增加而连续下降，特别是在5,6阶段，出水总氮的范围在11.0-14.7mg/L之间总氮的去除率也从59%到65%。看起来似乎是额外的内部缺氧区可以促进系统中总氮的去除过程，同时，200%-250%之间的内循环率

可以进一步降低出水的总氮含量来满足排放标准。

图2.六个阶段中的总氮去除率

总氮（进水）；总氮（出水）；总氮去除率

在传统的氧化沟系统中（阶段1），在渠道中的液体流速必须控制在0.1m/s以上，这样可以防止系统中活性污泥沉淀。在本次实验系统中，水的流速控制在0.25m/s左右。因此，在整个系统中，混合液体会需要花费几分钟的时间来完成一个循环。进入系统中的第一批厌氧循环的厌氧出水不能够足够确保反硝化阶段碳源的完全利用。虽然混合液体在氧化沟中将循环多次通过缺氧区，很多碳在快速循环流经它的时候就在好氧区氧化了。这个问题不仅存在于实验规模中，还存在于工厂规模中。一些研究报道了在处理碳源有限的污水中氧化沟的局限性。因此，氮不能得到有效的去除，即使传统的氧化沟系统中有足够的碳源，更不用说进水的碳源是有限的时候了。由于额外内部缺氧区的出现和的内循环，第一个缺氧循环会延长，为了确保反硝化过程中充足的碳源利用。结果，生物脱氮去除率在这个阶段会提高在这个过程被修改之后。由于内循环率的增加，更多的会回流至内缺氧区来进行反硝化作用。然而，随着内部缺氧率的提高，实际内部缺氧HRT会下降，这可能会影响碳源的使用效率。因此，为了更有效率的使用碳以及生物脱氮，优化的内部循环比必须确保更多的液体能够回流至额外的内部缺氧区域，因为这样好氧段出水中碳源和氮源可以被完全用于脱氮。

第5和第6阶段似乎具有生物脱氮的最佳的操作条件。

图三展示了在六个阶段中进水和出水, 和的浓度。很明显NO -N浓度在实验的整个阶段在下降。在第一阶段，出水的浓度维持在15mg/L以上，然而在第六阶段，的浓度保持在8mg/L。出水中浓度在第2和第3阶段最低（低于0.5mg/L），在第一阶段最高（5.5mg/L）和第六阶段（3.2mg/L）,同时，中间值（约1.5mg/L）出现在第四和第五阶段。

出水中浓度在每个实验阶段都足够低。

图三.系统进水和出水中, 和 的含量

（进水）（进水）（进水）

（出水） （出水）（出水）

图4.反应器中六阶段 (a), (b)和 (c)含量的变化

反应器：1-进水；2-回流污泥；3-预缺氧区；4-厌氧1；5-厌氧2；6-缺氧1；7.缺氧2；8-好氧；9-出水。

虽然随着内循环率的提高，出水中的浓度会增加，结果显示好氧段DO维持在1mg/L能够基本确保多数阶段的一个稳定的硝化过程。图4（a）展示了在实验过程中反应器内浓度的变化。在第一阶段，在第一阶段，OD系统可能是一个连续搅拌釜反应器（CSTR），因为含量在缺氧区是与好氧区相同。从第二阶段到第六阶段（不同的内部循环比），在额外的内部缺氧区域中含量互不相同。但是在所有阶段的所有区域几乎全部氧化。似乎额外的内部缺氧段的出现对于硝化过程没有什么影响。

然而，正如图三所示，在第一阶段和第六阶段系统中出现了的积累。从第二阶段到第五阶段，随着内部循环率的提高，出水中含量会有稍微增加。图4（b）也展示了实验阶段中在反应器内含量的变化。很明显在第一和第六阶段，含量在额外的内部缺氧段和好氧区域会比在其他实验阶段要高。主要的原因是在第1和第六阶段，在完全的硝化反应完成之前从额外的内部缺氧段进入低DO含量的好氧段的出水中的剩余碳会影响硝化过程，同时也会加速反硝化。因此，在这种条件下会在这个系统中积累。在第一阶段（传统系统），整个OD系统包括低DO需氧区和不明显的缺氧区。在进入OD系统之后厌氧出水中的残留的碳通过液体循环被引入好氧区。内部缺氧区的出现和内循环的开始，在厌氧出水中包括的碳源可以完全用

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