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溶解氧对氧化沟生物脱氮除磷的影响 * 郭昌梓 1， 2 程飞 2 孙根行 2 1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055;2. 陕西科技大学资源与环境学院，西安 710021 摘要 采用有效容积为240 L的中试 Carrousel 氧化沟处理模拟生活污水， 研究了溶解氧对氧化沟同步硝化反硝化脱氮 和除磷效果的影响。结果表明 溶解氧的变化对系统中有机物的去除影响不显著; 过高或过低的溶解氧均会降低系统 总氮和总磷的去除率， 溶解氧控制在 1. 0 ～ 1. 5 mg/L， 系统可获得较高的氨氮和总氮去除率， 当溶解氧为1. 5 mg/L时， 总磷去除率达最高， 为 71. 00 ; 溶解氧对污泥沉降性能影响显著， 低溶解氧运行易引起污泥膨胀。 关键词 Carrousel 氧化沟; 同步硝化反硝化; 脱氮除磷; 溶解氧 EFFECT OF DISSOLVED OXYGEN ON NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL IN OXIDATION DITCH Guo Changzi1， 2Cheng Fei2Sun Genxing2 1. School of Environment and Municipal Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China; 2. College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science ＆ Technology，Xian 710021，China AbstractA pilot-scale Carrousel oxidation ditch with effective volume of 240 L was used for simulating wastewater treatment． The influence of dissolved oxygen DOon simultaneous nitrification and denitrification SNDand phosphorus removal in the Carrousel oxidation ditch was investigated． The result shows that the effect of DO on the removal of organic substance in the system is not significant． Too high or too low DO would reduce the total nitrogen and total phosphorus removal rate． By controlling DO at 1. 0 ～ 1. 5 mg/L， the system can obtain higher ammonia nitrogen and total nitrogen removal rate． When DO is 1. 5 mg/L，the total phosphorus removal rate is the highest at 71. 00 ． DO is the key factor affecting sludge perance， and sludge bulking can easily incur by low DO． KeywordsCarrousel oxidation ditch;simultaneous nitrification and denitrification; nitrogen and phosphorus removal; dissolved oxygen * 陕西科技大学自然科学基金 ZX09- 04 。 氧化沟在我国环保行业的应用日益广泛， 但是氧 化沟脱氮除磷的效果仍有待大力提升 ［1］， 特别是很 难达到同步高效脱氮和除磷的效果。这是因为硝化 菌、 反硝化菌和聚磷菌生长速率不协调， 对环境条件 的要求也不同， 难以在时间和空间上统一， 使处理出 水的氮、 磷含量不能同时达标 ［2］。溶解氧是控制氧 化沟内发生同步硝化反硝化脱氮的最关键控制条 件 ［3］， 同时也影响除磷效果及污泥沉降性能。目前 国内外对于氧化沟中溶解氧对生物脱氮除磷的影响， 主要集中于生物脱氮， 很少系统研究对生物脱氮除磷 的影响以及对污泥沉降性能的影响 ［4- 7］。 试验采用有效容积为240 L的 Carrousel 氧化沟模 型处理模拟生活污水， 以反应器内的氨氮去除率、 总 氮损失和总磷去除率为同步硝化反硝化脱氮和除磷 效果的评价指标 ［8］， 对溶解氧对氧化沟内同步硝化 反硝化生物脱氮和除磷以及污泥沉降性能的影响进 行了分析， 旨在为城市污水处理厂的优化脱氮除磷和 节能运行提供参考。 1试验 氧化 沟 中 试 试 验 系 统 主 要 由 1 个 典 型 的 Carrousel 氧化沟 见图 1 和 1 个竖流式沉淀池组成， 氧化沟前设置 1 个进水水箱。反应器由不锈钢制成， 氧化沟 的 有 效 容 积 为 240 L， 二 沉 池 有 效 容 积 为 100 L。氧化沟中试系统的曝气方式与实际氧化沟完 全相同， 采用的是表面曝气机， 由曝气机实现沟内的 曝气和推流过程 进水处的曝气机主要起曝气作用， 82 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 后两个曝气机主要起推流作用 ， 曝气机通过电机控 制器进行控制， 实现对系统曝气量和沟内混合液推流 程度的控制。氧化沟中试系统采用兰格蠕动泵实现 连续进水和二沉池污泥回流， 流量可以在一定幅度范 围内连续调节， 污泥回流比为 100 ， 二沉池沉淀后 的上清液通过溢流堰直接外排。中试系统采用间歇 排泥， 在运行期间每日定时排除一定量的剩余污泥， 维持污泥龄为30 d左右。 图 1Carrousel 氧化沟平面及测点分布 试验用水采用生活污水加自配废水组成， 自配废 水水质参考城市污水水质。自配废水以葡萄糖和淀 粉的混合物为有机碳源， 氮、 磷分别采用氯化铵、 磷酸 二氢钾进行配制， 同时向配水中加入一定量的微量元 素， 以补充微生物新陈代谢所需的营养元素。试验用 水ρ COD 为400 mg/L， ρ 氨氮 为40 mg/L， ρ 总磷 为4 mg/L， 水温为20 ℃ 左右， pH 为 7. 3 ～ 7. 6。 试验采用 24 h 连续进、 出水的方式运行， 运行过 程中， 根据试验进展情况不定期地监测沟道中的温 度、 pH 值、 溶解氧和氧化沟内的 MLSS。在系统调试 运行后， 分别取原水、 氧化沟出水和二沉池出水水样 进行分析， 测定指标包括 COD、 氨氮、 硝态氮、 亚硝态 氮、 总磷、 SV30和 MLSS。每一工况的水质测定前系统 皆达到稳定状态， 并且以下数据均为系统相对稳定时 的监测数据。 2结果与分析 2. 1污泥的培养与驯化 试验接种污泥取自西安市某污水处理厂二沉池 回流污泥， 首先将污泥闷曝 1 周左右， 消除污泥原有 菌群特征对试验的影响， 然后再将污泥移入反应器， 通过连续进、 出水进行培养， 经过20 d培养驯化， 系统 运行稳定并进入试验研究阶段。 2. 2溶解氧对脱氮的影响 试验过程中， 只改变氧化沟系统的溶解氧浓度， 保 持 系 统 的 其 他 运 行 条 件 不 变，ρ COD为 400 mg/L， ρ 氨氮 为40 mg/L， ρ 总磷 为4 mg/L， 水 力停留时间为28 h， 温度为20 ℃ ， pH 为 7. 3 ～ 7. 6， 控 制污泥浓度在2. 0 g/L左右。分别调节溶解氧浓度为 0. 2， 0. 5， 1. 0， 1. 5， 2. 0 mg/L， 在系统运行稳定后每天 取水样进行测定分析。 如图 2图 4 所示， DO 浓度为0. 2 mg/L时， 由于 氧化沟内溶解氧浓度太低， 在图 2 中溶解氧梯度分布 没有画出， 氧化沟内硝化不完全， 出水氨氮浓度很高， 去除率为 28. 58 ， 总氮去除率为 19. 40 ; 溶解氧浓 度为0. 5 mg/L时， 氧化沟内溶解氧浓度普遍较低， 导 致氧化沟内硝化不完全， 氧化沟出水氨氮浓度较高， 硝态氮浓度低， 进而成为同步硝化反硝化的限制因 素， 总氮去除效果较差; 溶解氧浓度为 1. 5 ， 2. 0 mg/L 时， 氧化沟内溶解氧浓度普遍较高， 在1. 0 mg/L以上， 宏观上没有出现适宜反硝化的缺氧区段或区域， 碳化 作用和硝化作用增强， 可被利用的碳源非常有限， 反 硝化过程受到溶解氧和碳源的双重抑制， 难以促成反 硝化反应的发生， 出水中硝态氮浓度高， 总氮去除率 低当 溶 解 氧 为2. 0 mg/L 时， 氧 化 沟 出 水 总 氮 高 达 27. 29 mg/L; 而溶解氧浓度为1. 0 mg/L时， 氧化沟出 水总氮为13. 89 mg/L， 同步硝化反硝化效果最佳， 在 表曝机推流运动中形成宏观溶解氧浓度的梯度分布， 营造了良好的好氧缺氧交替工作环境 ［9- 10］， 好氧区和 缺氧区的比例大约为 2∶ 1， 为同步硝化反硝化过程的 发生 创 造 了 很 好 的 条 件， 其 总 氮 去 除 率 最 高， 为 65. 28 。由图 3 同时可观察到， 在氧化沟内以不同 的溶解氧浓度运行的过程中， 亚硝酸盐氮浓度一直很 低， 并没有出现明显的亚硝酸盐氮积累现象， 最高亚 硝酸盐氮浓度出现在溶解氧浓度为1. 5 mg/L时， 亚硝 酸盐氮浓度为0. 96 mg/L， 表明系统内没有发生短程 硝化反硝化现象。 图 2不同溶解氧浓度条件下溶解氧梯度分布 由图 3 和图 4 可看出 溶解氧变化对 COD 的去 除率影响较小， 最终出水 COD 基本维持在20 mg/L， COD 去除率均超过 90 ; 当溶解氧浓度从0. 2 mg/L 到2. 0 mg/L逐步增加时， 其硝化和反硝化作用变化显 著， 随着溶解氧的增加硝化效率不断提高。当溶解氧 浓度达到1. 5 mg/L时， 硝化效率达 100 。试验结果 表明溶解氧浓度在 1. 0 ～ 1. 5 mg/L变化可确保氧化 92 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 图 3不同溶解氧浓度条件下的各指标出水浓度 图 4不同溶解氧浓度条件下的去除率 沟中的硝化作用。同时， 溶解氧浓度对反硝化过程的 影响符合传统的脱氮理论， 随着溶解氧浓度的升高， 反硝化效率逐渐降低， 当溶解氧条件满足实现较好的 硝化过程时 DO 浓度为1. 5 mg/L ， 反硝化过程由于 受溶解氧的抑制， 总氮去除率仅为 50 ， 甚至在溶解 氧为 2. 0 mg/L 时，氧 化 沟 出 水 硝 态 氮 浓 度 高 达 26. 62 mg/L。因为反硝化菌是异养兼性厌氧菌， 适宜 反硝化的溶解氧应在0. 5 mg/L以下， 如果沟内溶解氧 较高， 使得反硝化菌利用氧进行呼吸， 抑制了反硝化 菌体内硝酸盐还原酶的合成 ［11］。而当溶解氧条件能 够满足反硝化过程达到较高的去除率时 溶解氧浓 度为0. 5 mg/L ， 又由于溶解氧条件的限制而使得硝 化过程的效果受到较大的影响， 其去除率下降， 因为 在低溶解氧条件下硝化菌的生长速率较低。因此， 在 同一个溶解氧环境条件下， 溶解氧很难满足硝化和反 硝化过程的要求， 在实际运行过程中， 要提高同步硝 化反硝化过程的发生效果， 就要使得溶解氧条件能够 同时满足硝化和反硝化过程的要求， 尽量降低满足硝 化效果的溶解氧水平， 提高反硝化过程的发生效率， 以协调二者之间的矛盾。 2. 3溶解氧对除磷的影响 如图 5 和图 6 所示， 当溶解氧为0. 2 mg/L时， 总 磷去除率仅为 16. 50 ， 这是由于溶解氧过低使得好 氧聚磷菌的活性受到抑制， 此时主要是活性污泥中的 反硝化聚磷菌利用反应过程中产生的硝酸盐进行反 硝化除磷。溶解氧浓度从0. 2 mg/L到1. 5 mg/L逐步 增加时， 总磷的去除率逐渐增加， 回流污泥中的硝态 氮浓度也逐渐增加。当溶解氧达到2. 0 mg/L时， 总磷 去除率却下降， 这主要是因为此时氧化沟内硝化很完 全， 而反硝化过程已经由于受到溶解氧的抑制， 总氮 去除率仅达 30 ， 氧化沟中存在大量的硝态氮， 并且 回流污泥中的硝态氮浓度也迅速增加， 达23. 0 mg/L， 氧化沟中高浓度的硝态氮抑制了聚磷菌对总磷的去 除。因为硝态氮可以作为电子受体， 硝态氮的存在破 坏了生物除磷的厌氧状态 ［12］， 而且硝态氮的反硝化 过程对厌氧释磷过程产生竞争性抑制 ［13］， 其次此时 氧化沟内溶解氧浓度普遍较高， 无法营造一个良好的 厌氧工作环境， 聚磷菌厌氧释磷受到严重影响。当溶 解氧为1. 5 mg/L时， 虽然此时氧化沟内溶解氧浓度较 高， 但总磷去除率达到最高， 为 71. 00 ， 这可能是因 为活性污泥形成了絮体外的好氧区和絮体内的缺氧 区、 厌氧区， 从而实现聚磷菌厌氧释磷、 好氧吸磷过 程。为了加强磷的去除， 需要在氧化沟前设置厌氧 池， 增强聚磷菌的厌氧释磷， 还可以在氧化沟前设置 缺氧池， 消除回流污泥中硝态氮对除磷的影响。 图 5不同溶解氧浓度条件下的出水总磷浓度及去除率 图 6不同溶解氧浓度条件下的回流污泥硝态氮浓度 03 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 由图 5 可知 本试验总磷的去除效果不好， 去除 率在 30 ～ 60 ， 甚至低于 20 ， 出水磷的浓度介 于 1. 0 ～ 1. 5 mg/L， 远 高 于0. 5 mg/L的 排 放 标 准。 总磷的去除率不高的原因是因为本试验采用的是 完全混合系统， 反应器内污泥处于完全相同的生活 环境， 在同一反应器内很难同时发生厌氧释磷和好 氧吸磷的作用， 即使形成厌氧区， 也是在氧化沟的 局部。硝化过程产生的硝酸盐， 消耗掉生物降解基 质， 聚磷菌的竞争优势得不到发挥。此外， 在试验 期间由于氧化沟中污泥龄高达30 d， 而生物除磷污 泥龄要求在 15 ～ 20 d， 磷的去除主要靠微生物的同 化作用和剩余污泥的排放去除， 而同化作用主要是 用来维持微生物生长所需的营养， 去除率自然不会 很高， 这跟一般的完全混合活性污泥系统的除磷情 况基本相同。为了弥补长污泥龄对除磷的不足， 可 以辅以化学除磷。 2. 4溶解氧对污泥沉降性能的影响 溶解氧对污泥沉降性能的影响见表 1。 表 1不同溶解氧浓度条件下的污泥沉降性能 DO / mg L － 1 MLSS/ g L－ 1 SV30/ SVI/ mL g － 1 0. 21. 92458301 0. 51. 83546251 1. 01. 96833168 1. 51. 81625138 2. 01. 95220102 低溶解氧通常被认为是污泥膨胀的重要诱因之 一。由表 1 可见， 当 DO ＜ 1. 0 mg/L时， 污泥沉降性能 差， 发生膨胀。随着溶解氧浓度逐步增加， SVI 值逐 渐降低。当 DO 在 1. 0 ～ 1. 5 mg/L 时， SVI 值一般为 140 ～ 170 mL/g， 镜检发现大量的钟虫和一定数量的 累枝虫， 活性较好。试验 Carrousel 氧化沟采用三廊 道串联布置方式， 一方面使氧化沟体现出推流式反应 器的特征， 即每个廊道可以构建不同的生化环境实现 不同的功能; 另一方面， 系统总体是一个完全混合系 统， 第一廊道较高的溶解氧抑制了弯道低溶解氧对于 污泥性状的负面影响， 保持了污泥良好的沉降性能。 当溶解氧在 1. 0 ～ 1. 5 mg/L时， 对污泥进行的镜 检结果发现， 污泥中仍然含有较多的丝状菌， 处于轻 微膨胀状态 ［14］。为了降低低溶解氧运行引起污泥膨 胀的风险， 可以在氧化沟前设置生物选择器， 抑制丝 状菌的过度生长和繁殖， 提高污泥的沉降性能， 从而 控制污泥膨胀的发生和发展。 3结论 1 溶解氧对 COD 的去除影响不大， COD 去除率 均超过 90 ; 过高或过低的溶解氧均会降低总氮的 去除率， 将溶解氧控制在 1. 0 ～ 1. 5 mg/L， 系统可获 得较高的氨氮和总氮去除率。 2 过高或过低的溶解氧均会降低总磷的去除 率， 当溶解氧为1. 5 mg/L时， 总磷去除率达到最高， 为 71. 00 。 3 溶解氧对污泥沉降性能影响显著， 低溶解氧 运行容易引起污泥膨胀的发生。 参考文献 ［1］高守有， 彭永臻， 胡天红， 等． 氧化沟工艺及其生物脱氮原理［J］． 哈尔滨商业大学学报 自然科学版 ， 2005， 21 4 435- 439． ［2］林金銮， 张可方， 方茜， 等． DO 对同步硝化反硝化协同除磷的 影响［J］． 化工环保， 2009， 29 2 109- 112． ［3］刘艳臣， 范茏， 王志强， 等． Carrousel 氧化沟内特性参数的分布 ［J］． 中国环境科学， 2007， 27 6 792- 796． ［4］杨青， 刘遂庆， 甘树应． Carrousel 氧化沟中的同时硝化 /反硝化 SND 现象研究［J］． 环境科学， 2002， 23 S 40- 43． ［5］殷芳芳． Carrousel 氧化沟强化生物脱氮研究［D］． 北京 北京工 业大学， 2009． ［6］Yanchen Liu， Hanchang Shi， Lan Xia， et al． Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treat-ment［J］． Bioresource Technology， 2010， 101 3 901- 906． ［7］Abusam A，KeesmanKJ，SpanjersH，etal． Benchmarking procedure forfull-scaleactivatedsludgeplants ［J］． Control Engineering Practice， 2004， 12 3 315- 322． ［8］高守有， 彭永臻， 王淑莹， 等． Orbal 氧化沟生物脱氮的中试研究 ［J］． 中国给水排水， 2005， 21 8 5- 9． ［9］Ingo Schmidt， Olav Sliekers， Markus Schmid， et al． Aerobic and anaerobicammoniaoxidizingbacteria-competitorsornatural partners［J］． FEMS Microbiology Ecology， 2002， 39 3 175- 181． ［ 10］范茏， 王志强， 罗彬， 等． 污水处理厂脱氮效果及相关参数的分 析［J］． 环境工程学报， 2007， 1 6 1- 5． ［ 11］Mike S M． Jetten， Markus Schmid， et al． Improved nitrogen removal by application of new nitrogen-cycle bacteria［J］． Reviews in Environmental Science and Biotechnology， 2002， 1 1 51- 63． ［ 12］Jens Meinhold， Eva Arnold， Steven Isaacs． Effect of nitrite on anoxic phosphate uptake in biological phosphorus removal activated sludge ［J］． Water Research， 1999， 33 8 1871- 1883． ［ 13］行智强， 陈银广， 杨海真． 影响强化生物除磷的关键因素研究进 展［J］． 环境保护科学， 2006， 32 1 31- 33． ［ 14］Youngchul Kim，Wesley O Pipes，Paul-Gene Chung． Control of activated sludge bulking by operating clarifiers in a series［J］． Water Science and Technology， 1998， 38 8- 9 1- 8． 作者通信处郭昌梓710021陕西省西安市未央大学园区陕西科 技大学资源与环境学院 853 信箱 E- mailguochangzi 163． com 2010 － 12 － 03 收稿 13 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期