百乐克工艺处理城市废水同步脱氮运行效果的研究

李广柱，张竹清，武中波，艾胜书，边德军＊

（1.吉林省环境监测中心站，长春130011；2.长春工程学院水利与环境工程学院；3.吉林省城市污水处理重点实验室，长春130012）

百乐克（Biolak）工艺是德国冯·诺顿西公司的专利技术，其主要特点有：（1）污泥质量浓度较高，水力停留时间长，污泥负荷和容积负荷较低，所以耐冲击负荷能力较强［1－2］，对低温等环境条件也有较强的适应性［3］。（2）污泥泥龄较长，剩余污泥量较少且稳定［1，4］，并且有利于世代时间较长的硝化菌的生长繁殖。（3）悬挂链式曝气系统能耗低、维护方便。（4）采用多池合建的一体化设计，减少了占地面积。因此，百乐克系统具有占地紧凑，投资低廉等优点，尤其适用于小型市政污水处理厂。

目前，百乐克工艺已经在我国城镇污水处理厂中广泛被应用，其设计和污水处理效果也多见报道［5－6］，但对其脱氮过程和影响因素的研究相对较少。本研究以吉林省某城市污水处理厂为研究对象，通过1年的跟踪监测，对百乐克工艺同步脱氮的过程、效果和影响因素进行了研究，为其优化工艺运行、提高脱氮效果提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 某污水处理厂百乐克工艺概况

吉林省某城市污水处理厂百乐克工艺，2010年6月正式投入运营，按一级B标准设计，处理规模30 000m3／d，设百乐克综合生化池2座，单座总容积16 443m3。

1.2 工艺流程和研究方法

百乐克工艺流程和监测点位的设置见图1。在2012年4月—2013年3月的1年时间里，对进、出水水质进行跟踪检测，每月不少于6次，每次检测在1天内对进水、出水采样检测2～4次，结果取平均值，同时测定生化池平均水温、污泥质量浓度（MLSS）和出水水量。生化池全程水质检测在工艺运行条件稳定，进水水质、水量波动较小的时段内进行，在1天时间内对全部7个采样点分别采样检测4次，结果取平均值，同时测定生化池沿程DO变化情况。

图1 工艺流程与检测点位示意图

1.3 监测项目和分析方法

COD：重铬酸钾法；TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；NH＋4—N：纳氏试剂分光光度法；NO－3—N、NO－2—N：离子色谱法；BOD5：稀释接种法；MLSS：重量法；DO、PH、水温：YSI Proplus便携式多参数水质分析仪；流量：YSI FlowTracker流量流速测定仪。

1.4 工艺运行参数

研究期间，污水厂工艺运行状况良好，实际运行各参数值范围如表1所示。

表1 运行参数

2 结果与讨论

2.1 污水处理效果

进出水水质和去除率情况见表2。研究期间，进水COD、NH＋4—N、TN质量浓度均波动较大。系统对COD和NH＋4—N的平均去除率分别达到88%和86%，出水COD、NH＋4—N全部达标。但TN处理效果不稳定，TN去除率在34%～73%之间，平均去除率56%。出水中氮元素主要以NO－3—N形式存在，反硝化不完全是影响脱氮效果的主要原因。

表2 进、出水水质和去除率

2.2 脱氮影响因素分析

影响反硝化脱氮的因素主要包括：TN负荷、COD／TN、水温、污泥回流比、缺氧区容积等。研究期间该厂污泥回流比和曝气池曝气量相对稳定，因此本研究重点分析了水温、TN负荷、COD／TN对百乐克工艺同步脱氮效果的影响。各次检测工艺运行条件和TN处理效果见图2。

研究期间，系统水温在7.1～26.6℃之间，平均水温仅为13.4℃。从图2可以看出，TN去除率与水温变化的相关性比较明显。取进水TN负荷为0.045～0.055kg（m3·d）－1、COD／TN 在7.0～9.0之间，生化池平均水温分别为7.8℃、12.6℃、17.2℃和23.5℃条件下的4次检测数据进行比较。结果表明（见图3），各水温条件下，TN的去除率分别为43%、48%、58%和71%，水温由23.5℃降低到7.8℃，TN去除率降低了近40%，水温是影响脱氮效果的重要因素。

另外研究期间，系统TN负荷、COD／TN均波动较大。但在水温≥15℃时出水TN质量浓度全部达标。水温＜15℃时，对出水TN达标和未达标时的检测数据进行统计发现，出水TN达标的64次检测数据中，平均TN负荷0.045kg·（m3·d）－1，平均COD／TN为8.44；而出水TN未达标的11次检测数据中，平均TN负荷0.057kg·（m3·d）－1，平均COD／TN为6.61。这表明，系统在低温、高负荷条件下运行，或在低温条件下处理低COD／TN废水时，都易导致出水TN不达标。

2.3 生化池全程水质监测分析

生化池全程水质监测数据见图4～5。废水进入厌氧区前，首先与回流污泥混合，混合后COD、TN、NH＋4—N质量浓度分别由319mg／L、39.6mg／L、30.5mg／L 下降到 208mg／L、28.2mg／L、14.6mg／L，NO－3—N质量浓度由1.34mg／L上升到7.89mg／L。

厌氧区前段受进水和回流污泥中DO的影响，DO质量浓度较高，之后迅速降低，COD、TN去除率分别为47%、32%。曝气区各监测点DO波动较大，DO平均质量浓度沿水流方向逐渐上升。曝气区前半段，DO质量浓度上升速度较慢，系统逐渐由交替好氧、缺氧转变为好氧环境，COD、NH＋4—N、TN去除率分别为49%、74%、16%。曝气区后半段，DO质量浓度上升速度较快，COD、NH＋4—N、TN去除率分别为42%、67%、7%。

图2 各次检测工艺运行条件与TN处理效果

图3 水温对TN去除效果的影响

百乐克生化池厌氧区和曝气区均具有同步脱氮的功能，但对TN去除的贡献差别明显。厌氧区水力停留时间（HRT）2.5h，TN去除量占去除总量的66%；曝气区水力停留时间（HRT）15h，TN去除量占总去除量的34%；特别是在曝气区后半段，仅占8%。

百乐克生化池内严格的厌氧环境容积所占比例极小，系统主要通过同时硝化反硝化脱氮（SND）。近年来的研究表明［7－11］，将DO控制在较低水平，反硝化作用将得到促进；同时COD／TN也是影响SND的重要因素，在一定范围内，碳源越充足，TN去除率越高。上述监测数据也表明，由厌氧区到曝气区后半段，随着DO质量浓度的升高，以及可利用碳源的减少，TN去除率显著降低。

因此，当进水TN负荷较高或C／N较低时，在不外加碳源或提高回流比，增加运行费用的条件下，可以通过调节曝气量，适当降低曝气区DO质量浓度，来提高曝气区同步反硝化脱氮效率。但是，降低DO质量浓度也存在着NH＋4—N的硝化效率下降的风险，所以曝气量的调节应综合考虑曝气区进水C／N、TN负荷、有机负荷等多方面因素，具体的调控方法有待在今后的实践中去进一步研究和总结。

图4 沿程各监测点位COD、TN、NH＋4—N、NO－3—N、NO－2—N变化

图5 沿程DO变化

3 结语

（1）吉林省某城市污水处理厂全年进、出水水质监测结果表明，该厂百乐克工艺对COD和NH＋4—N的处理效果较好，平均去除率分别达到88%和86%，出水COD、NH＋4—N全部达标。但TN处理效果不稳定，TN去除率在34%～73%之间，平均去除率56%，反硝化不完全是影响同步脱氮效果的主要原因。

（2）水温是影响系统脱氮效果的重要因素，水温由23.5℃降低到7.8℃，TN去除率降低了近40%。系统在低温、高负荷条件下运行，或在低温条件下处理低COD／TN废水时，都极易导致出水TN不达标。

（3）百乐克生化池厌氧区和曝气区均具有同步脱氮的功能。厌氧区同步反硝化脱氮效率较高，而曝气区（尤其是曝气区后半段）受DO环境和反硝化碳源不足的影响同步反硝化效率较低。

（4）通过调节曝气量，降低曝气区整体的DO水平，是提高同步反硝化脱氮效率的重要途径，但必须权衡其与NH＋4—N的硝化效率的关系，综合考虑进水C／N、TN负荷、有机负荷等多方面因素，具体的调控方法有待在今后的实践中去进一步研究和总结。

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