改良分段进水工艺处理低C/N城市污水流量优化控制

王伟，陈强，汪传新，彭永臻



改良分段进水工艺处理低C/N城市污水流量优化控制

王伟1，陈强2，汪传新3，彭永臻2

（1黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150050；2哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150090 ；3广州市市政工程设计研究院，广东广州510060）

采用改良分段进水工艺处理低碳氮比（C/N＜3.5）生活污水，研究流量分配对系统处理性能的影响。在其他条件不变的情况下，以实际处理效果以及物料衡算结果为依据来逐步提高首段进水比例以寻求最优的流量运行工况，共确定4组不同的进水流量分配。结果表明：在此碳氮比条件下，通过提高首段进水比例的方法并不能降低厌氧区氮氧化物的含量，甚至出现相反的情况；系统的同步硝化反硝化作用以及微生物同化作用强度对TN的去除起着至关重要的作用；首段进水比例的提高强化了厌氧区聚磷菌的释磷作用，提高了磷酸盐的去除率；综合考虑系统的脱氮除磷效能以及后续可优化空间，确定在进水流量分配比例为6:3:1的工况3为最优工况，系统出水COD、氨氮、总氮、磷酸盐浓度分别为45.98、0.04、17.47和2.43 mg·L-1。

分段进水；废水；流量分配；沉降；污染；低碳氮比；脱氮除磷

引 言

目前，传统生物脱氮除磷工艺由于工艺形式的限制，使得其对于低碳氮比的生活污水处理效果不佳[1]。而分段进水工艺突破传统的单点进水形式，采用多点进水，使得其具有水力停留时间短、污泥浓度高等优点，并且可以省去硝化液内回流设施[2-4]。最重要的是其可以最大程度地利用原水碳源，减少由于原水碳源不足带来的不利影响。众多研究者采用不同的分段段数（2～4）进行研究所得结果均表明，该工艺在少投加甚至无须投加外碳源的情况下就可以取得较好的脱氮除磷效果[5-8]。

在影响分段进水工艺的众多因素中，流量分配具有重要意义。流量分配不仅直接影响各隔室的水力停留时间以及各隔室的污泥浓度，而且决定了碳源在各隔室的含量以及利用程度。祝贵兵等[9]对四级A/O串联分段进水工艺进行研究，推导出了工艺最大流量分配系数与进水C/N比的数学关系，并在此基础上探讨了在一定的进水负荷条件下，流量分配系数对系统TN去除率的影响。王伟等[10-11]采用四级A/O串联分段进水工艺进行研究，提出了3种流量分配方法，并对3种方法进行了理论研究，推导出流量分配的专家决策系统，为分段进水工艺流量分配提供了理论基础。王敏等[12]采用三级A/O串联分段进水工艺处理生活污水，在C/N为6，流量分配比为50%:30%:20%时，系统脱氮效果最好，出水TN浓度小于5.7 mg·L-1，去除率高达82.9%。Vaiopoulou等[13]研究发现当进水流量分配比为60%:25%:15%时，采用改良UCT分段进水工艺处理希腊某城市生活污水，出水污染物浓度能够达到欧盟污水排放标准。Cao等[14]研究发现，当采用流量分配比为20%:35%:35%:10%时，改良四段式分段进水工艺处理城市污水脱氮除磷效果最佳。

众多的研究表明，流量分配确实对系统性能有重要影响[13, 15]。但大部分研究所采用的分配方式是基于流量分配系数的思想，即按照流量分配系数，各段进水中碳源量恰好可以将上一段产生的硝酸盐氮完全去除[10]。事实上，对于高C/N污水，按照流量分配系数分配流量，流量沿程递减，不仅可以最大程度地利用原水碳源，还可以充分利用系统的硝化容量。而对于低C/N污水，按流量分配系数，流量沿程则成递增趋势分布，此时便产生两个问题：（1）由于系统各段的污泥浓度沿程呈递减分布，这导致系统第一段的处理容量存在一定的浪费；（2）由于原水中的碳源量远不能将缺氧区中由于上段好氧区产生的硝酸盐氮以及由于污泥回流而带入缺氧1区中的硝酸盐氮完全反硝化，因此若首段进水流量分配过小，势必会对系统的除磷性能造成巨大的冲击。本研究所采用的生活污水是低C/N生活污水，为了充分利用原水碳源，并尽可能利用系统的处理容量，兼顾系统的脱氮除磷效果，根据实际处理效果以及物料衡算结果对流量分配进行研究，以期获得分段进水工艺处理低C/N生活污水高效运行的流量控制策略。

1 试验部分

1.1 试验装置

改良分段进水工艺如图1所示。主体反应器由有机玻璃制成，容积为100 L，有效容积为67 L，共7个反应区，分别为厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区、好氧2区、缺氧3区、好氧3区，不同隔室之间用可移动插板分隔，插板底部接有连通管，反应器内填充活性污泥，不添加任何填料。二沉池采用竖流式，容积为44 L。采用5台蠕动泵分别控制进水、污泥回流与内循环。采用电磁式空气压缩机曝气，黏砂块为微孔曝气器，采用空气流量计控制曝气量。采用搅拌器对厌氧区及缺氧区进行搅拌。

图1 改良分段进水工艺原理

1.2 接种污泥与原水水质

接种污泥取自哈尔滨市某污水处理厂回流污泥，经15 d驯化培养，污泥活性良好。原水采用哈尔滨某大学教工小区生活污水，水质见表1。

表1 原水水质

1.3 水质指标与分析方法

硝态氮采用麝香草酚分光光度法；亚硝态氮采用-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；总氮采用TOC-VCPN总氮测定仪测定；磷酸盐采用氯化亚锡分光光度法；COD采用连华科技5B-3（C）型快速测定仪测定; MLSS采用滤纸称重法；MLVSS采用马弗炉灼烧法；pH、ORP、DO和温度由德国WTW multi 3420测定仪在线监测。

1.4 试验条件与运行方案

改良分段进水工艺在室温（23～28℃）条件下运行，试验期间HRT控制在10 h，相应进水总流量为161 L·d-1，SRT控制在10～15 d，污泥回流比与内循环比均为100%。好氧区溶解氧（DO）控制在2 mg·L-1左右，厌氧区与缺氧区DO在0.1 mg·L-1以下。7个隔室的体积比为4:3:3:3:3:3:3，分别在厌氧区、缺氧2区与缺氧3区进水。根据实际处理效果以及物料衡算结果确定了4种不同的流量分配方案并考察系统对各污染物的去除效果，各阶段的具体参数见表2。表中anaerobic zone:anoxic zone 2:anoxic zone 3为厌氧区、缺氧2区、缺氧3区的进水流量分配比。

表2 试验运行工况及运行参数

2 结果与讨论

2.1 对COD去除的影响

4种工况条件下，系统进出水COD浓度变化情况以及相应去除率见图2。

图2 不同工况下系统对COD的去除效果

● influent;○ effluent;△ removal efficiency

4种流量分配条件下，平均出水COD浓度分别为46.08、43.60、45.98和41.37 mg·L-1，相应的去除率分别为80.48%、76.11%、74.83%和73.6%。由此可见，流量分配对总的COD去除率影响不大，改良分段进水工艺可以实现对COD的高效去除。在工况1的运行条件下，对系统进行物料衡算，计算得到厌氧区的的量为0.025 g·d-1。因此采用提高首段进水比例的方法，提高厌氧区进水碳源量以便加强厌氧区的释磷及反硝化效果。结果发现，在工况2、3、4的条件下，厌氧区的量依次为0.102、0.122、0.330 g·d-1。在提高首段进水比例至70%的条件下，厌氧区中仍无法完全去除，甚至出现了浓度提高的现象，分析其原因为首段进水比例的提高导致后续两段进水比例的减少，使得后续两段缺氧区的反硝化效果受限，回流污泥携带的量提高，进入厌氧区的量随之提高，厌氧区额外增加的进水量不足以提供微生物足够的碳源量将额外增加的完全反硝化。

4种工况下的物料衡算结果表明，厌氧段和总缺氧段COD去除量占进水COD比例分别为62.8%、44.9%、48.8%和57.7%。由于较低的碳氮比使得缺氧1区中由污泥回流所带入的硝酸盐氮只能部分反硝化，且厌氧区进水中碳源无法将由缺氧1区回流带入的硝酸盐氮完全反硝化，因此碳源有效利用率由两个方面决定：一是首段的进水比例，首段进水比例越高，碳源有效利用率越高；二是厌氧区与缺氧区的水力停留时间之和（AHRT），AHRT越大，碳源有效利用率越高。因此分析工况1碳源有效利用率最高的原因是其AHRT最高，足够的水力停留时间为厌氧区与缺氧区中COD的高效去除提供了有利条件。工况2、3、4的碳源有效利用率均低于工况1，而工况4高于工况3，工况3高于工况2，说明对于工况2～工况4，首段进水比例对碳源有效利用率的影响超过AHRT的影响。

4种工况下，COD浓度沿程变化情况如图3所示。由图中可以看出，COD在系统内的变化基本呈现出缺氧区增高，好氧区减少的趋势。工况1缺氧2区COD浓度略大于好氧1区COD浓度，而工况2～工况4缺氧2区COD浓度要略小于好氧1区COD浓度。分析其原因可能是由于缺氧2区的进水量较少而由好氧1区进入的量较多，使得缺氧2区进水中COD在隔室中被迅速消耗至较低浓度，加之好氧1区出水的稀释作用，出现缺氧2区COD浓度略大于甚至低于好氧1区COD浓度的现象。由于工艺沿程各隔室水力停留时间依次缩短，因此缺氧3区由于水力停留时间的限制，并未出现COD浓度低于好氧2区COD浓度的现象。因此，从对碳源的有效利用角度来说，首段进水比例未必越高越好，还需综合考察系统对、TN以及磷酸盐的去除情况来确定系统的最佳流量分配比。

图3 不同工况下COD沿程变化规律

2.2 对氮去除的影响

2.2.1 硝化性能

4种工况条件下，系统进出水氨氮浓度变化情况以及相应去除率见图4。

图4 不同工况下系统对的去除效果

● influent;○ effluent;△ removal efficiency

4种工况下平均出水氨氮浓度依次为0.45、0.06、0.04和7.39 mg·L-1，去除率依次为99.1%、99.9%、99.9%和85.0%。对于工况1～工况3随着总好氧区HRT从2.394 h降至2.198 h，实际出水氨氮浓度相差不大，系统可以满足对氨氮的高效去除。而到工况4总好氧区HRT则降至2.143 h，由于水力停留时间的限制，使得好氧区微生物没有足够的时间对进水中进行完全的氨化作用，导致出水氨氮浓度超标。

4种工况下氨氮浓度沿程变化情况以及好氧区实际水力停留时间变化情况见图5及表3。由表可知工况1～工况4的好氧1区及好氧2区的水力停留时间依次降低。其中工况1～工况3好氧1区可将首段进水中绝大部分氨氮氧化，剩余少部分未反应的氨氮则会在随后的好氧2区以及好氧3区中进行完全氧化。而到工况4，由于好氧1区的水力停留时间过短，导致氨氮在好氧1区有大量剩余，氨氮沿程累计，使得好氧2区及好氧3区中氨氮量超过其处理能力，最后出水氨氮超标(《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918—2002一级A排放标准)。因此，从硝化的角度来看，工况4最为不利。

图5 不同工况下沿程变化规律

表3 4种工况条件下系统各好氧区的实际水力停留时间

2.2.2 反硝化性能

4种工况条件下，厌氧区和缺氧区反硝化脱氮所占比例见表4。

表4 4种工况条件下的氮元素物料衡算结果

① Denitrification in anaerobic zone, anoxic zones and secondary settling tank.

② Denitrification in anaerobic zone, anoxic zones.

③ Computing cycle of quality change is “day”.

由表可见，4种工况条件下，由于反硝化作用去除的氮含量占进水TN的比例依次为45.5%、30.0%、31.5%和18.6%。工况1的反硝化效果最好，工况4的最差，工况2与工况3相差不大。分析其原因为以下3点：（1）工况1～工况4的AHRT依次降低，在厌氧区以及缺氧区水力停留时间缩短的情况下，反应时间也依次缩短，因此反硝化效果大致呈降低的趋势；（2）工况1的进水比例分配相对均匀，使得厌氧区及各缺氧区的碳源量相对平衡，在厌氧区及各缺氧区均无法进行完全反硝化作用的情况下，工况1可以进行较充分的反硝化作用，因此工况1的反硝化效果最好；工况2与工况3的反硝化效果相差不大，在工况2、3的条件下，由于厌氧区的进水比例明显高于后续两段缺氧区的进水比例，使得缺氧2区、3区的反硝化效果受限，尤其是对缺氧3区影响最大，不仅使得相应工况下反硝化率降低，同时使得进入缺氧1区以及厌氧区的量增大；（3）工况4由于氨化作用的不完全，使得反应底物浓度偏低，也会对系统的反硝化效果产生一定的影响。因此从反硝化效果角度考虑，工况4最为不利。

试验过程也考察了4种工况下系统的SND作用以及系统的同化作用，见表4。由表可见，4种工况条件下的SND作用去除的氮含量占进水TN比例依次为14.4%、14.9%、16.6%和17.9%。4种工况条件下均出现明显的SND现象，SND效率依次增加但增幅较小。目前关于同步硝化反硝化理论有宏观缺氧理论、微观缺氧理论和生物学理论[16]。分析本研究结果，出现SND现象以及SND效率增加的原因有以下3点：（1）由于好氧区曝气头较小，存在曝气不均匀的现象，这在一定程度上会使好氧区局部出现DO较低或者缺氧的环境，而且还会导致生物絮体内部产生DO梯度，由外到内DO浓度依次减小，在絮体内部亦会产生缺氧环境；（2）4种工况条件下好氧区的实际水力停留时间缩短后，在好氧区的泥水混合液更加难以混合均匀，在空间上形成的缺氧环境增多，加强了同步硝化反硝化作用，但效果不明显；（3）系统中可能存在好氧反硝化细菌，导致同步硝化反硝化现象的发生[17]。

由于4种工况条件下的污泥浓度相差不大，因此通过同化作用去除的氮含量相差不大，约占进水TN的15%。

2.2.3 对TN的去除性能

4种工况条件下，系统进出水TN浓度变化情况以及相应去除率见图6。

图6 不同工况下系统对TN的去除效果

● influent;○ effluent;△ removal efficiency

4种工况条件下平均出水TN浓度分别为17.76、17.91、17.47和25.12 mg·L-1，去除率分别为69.2%、67.8%、68.4%和53.9%。虽然工况1～工况3反硝化作用去除的氮含量依次降低，但由于TN的去除还取决于SND作用与同化作用，由于工况1～工况3的SND作用脱氮所占比例依次增大，因此使得出水TN浓度相差不大，但工况3的出水TN浓度略低于工况1、2。对于工况4，由于出水含有大量的氨氮，使得其出水TN浓度大大高于工况1～工况3。因此，对于TN的去除，工况1～工况3均可考虑。

2.3 对磷酸盐去除的影响

4种工况条件下，系统进出水磷酸盐浓度变化情况以及相应去除率见图7，磷酸盐浓度沿程变化情况见图8。平均出水磷酸盐浓度分别为2.61、2.48、2.43和2.10 mg·L-1，去除率分别为31.8%、37.7%、40.5%和49.6%，厌氧区释放的磷酸盐含量分别为进水磷酸盐含量的1.29、1.31、1.35和1.50倍。4种工况条件下，磷酸盐的去除率依次提高，分析其原因是因为随着厌氧区进水比例的提高，厌氧区可利用的碳源量增加，可以合成更多的聚羟基烷酸（PHA），为聚磷菌提供更多的能量进行释磷作用，而厌氧区释磷作用越强，则其在好氧区的吸磷作用也就越强，磷酸盐的去除率也就越高。但整体磷酸盐的去除率不高，主要原因是由于较低的碳氮比使得在缺氧1区无法将回流污泥混合液携带的硝态氮完全去除，大量的硝态氮回流进入厌氧区，消耗厌氧区的进水碳源，导致磷酸盐的去除率不高。因此，综合考虑系统的脱氮除磷效果，工况3为较优工况。

图7 不同工况下系统对的去除效果

● influent;○ effluent;△ removal efficiency

图8 不同工况下磷酸根沿程变化规律

3 不同工况下各隔室pH、ORP变化情况

不同工况下，系统pH沿程变化见图9。由图可见，工况1～工况3沿程pH变化情况相同，首段厌氧区-缺氧1区-好氧1区呈现pH递减的规律性。在好氧1区发生硝化作用与吸磷作用，硝化作用消耗碱度，吸磷作用产生碱度，但由于硝化作用较强而吸磷作用较弱，因此呈现缺氧1区～好氧1区pH下降的现象，与Wang等[18]的好氧区pH继续下降的结果相符合。由于缺氧1区～厌氧区的内回流，以及厌氧区发生大量硝态氮的反硝化作用以及释磷作用，反硝化作用产生碱度，释磷作用消耗碱度，但由于释磷作用较弱，整体仍表现为pH升高。好氧1区-缺氧2区-好氧2区-缺氧3区-好氧3区的pH变化规律为升高-降低-升高-降低，这主要是由于释磷吸磷作用均很微弱，pH的变化规律主要由硝化反硝化作用来决定。对于工况4，由于除磷性能的改善以及硝化效果的恶化，系统各反应区碱度的变化，主要由除磷过程来决定。首段厌氧区-缺氧区-好氧区的变化规律为一直升高，厌氧区硝态氮发生反硝化作用产生碱度，同时又有释磷作用消耗碱度，但由于释磷量较多，最后整体表现为pH低于缺氧1区。到好氧1区，吸磷作用产生的碱度要大于硝化作用消耗的碱度，因此pH继续升高。好氧1区-缺氧2区pH略有降低，主要是因为缺氧2区由于反硝化作用产生碱度，而释磷消耗碱度，释磷作用略强于反硝化作用，因此pH略微降低。至好氧2区-缺氧3区-好氧3区，磷释吸磷作用基本完成，pH变化由硝化反硝化作用决定，变化情况同工况1～工况3。

图9 不同工况下pH沿程变化规律

不同工况下，系统ORP沿程变化见图10。

图10 不同工况下ORP沿程变化规律

4种工况下ORP变化规律相同，沿程依次呈现升高-升高-降低-升高-降低-升高的变化规律。由于首段厌氧区DO浓度与硝态氮浓度均最低，因此ORP也最低。缺氧区的DO与硝态氮浓度高于厌氧区而低于好氧区，因此ORP值大于厌氧区小于好氧区，好氧区由于具有较高的DO与氧化态氮-硝态氮含量，因此ORP最高。

4 系统污泥的形态分析

4种工况条件下，取好氧3区污泥进行分析，测得平均污泥体积指数（SVI）分别为97.08、89.00、80.00和64.90 ml·g-1。由此可见系统污泥的沉降性能良好。有研究表明，如果在工艺中设置一个厌氧选择池，可以加强系统的污泥沉降性能[19]。本工艺主要是由于试验过程控制较适宜的DO浓度，并且由于系统厌氧+交替缺氧/好氧的工艺环境，形成了类似生物选择器，有效地抑制了丝状菌的生长，防止污泥膨胀。

5 结 论

（1）通过提高首段进水比例的方法来强化首段厌氧区的释磷效果，结果表明：4种工况条件下首段厌氧区硝态氮均无法完全去除，厌氧区硝态氮含量随着首段进水比例的增大甚至出现增大的趋势，4种工况对COD 的去除影响不大，出水COD浓度均低于50 mg·L-1。

（2）4种工况条件下TN的去除率不仅取决于系统的硝化效果与反硝化效果，SND作用以及微生物同化作用对TN的去除也起着至关重要的作用，综合考虑各工况对氮元素的去除，工况1～工况3均为较理想工况，其中工况3略优于工况1、2。

（3）4种工况条件下，随着首段进水比例的提高，首段厌氧区的释磷量依次提高，系统磷酸盐的去除率也依次提高，但受到进水碳氮比的限制，整体磷酸盐的去除率不高，单从磷酸盐的去除角度考虑，工况4为较优工况。

（4）综合考虑4种工况条件下系统的脱氮除磷效果，工况3即进水流量分配比为6:3:1时为系统的最优工况，系统出水COD、氨氮、TN、磷酸盐浓度分别为45.98、0.04、17.47和2.43 mg·L-1。

（5）由于系统厌氧+缺氧/好氧交替的特殊工艺形式，抑制了丝状菌的繁殖，系统的污泥沉降性能良好，4种工况下好氧3区的SVI均低于100ml·g-1。

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Optimization of flow for modified step feed process treating low COD/TN municipal sewage

WANG Wei1,CHEN Qiang2, WANG Chuanxin3,PENG Yongzhen2

(1College of Civil and Architectural Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,Heilongjiang,China;2State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,Heilongjiang,China;3Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute, Guangzhou 510060,Guangdong,China)

By adjusting the distribution ratio of influent flow into anaerobic and anoxic zones, the removal efficiency of pollutants in low C/N（COD/total nitrogen）＜3.5 municipal sewage using modified step feed process was analyzed. Keeping the following conditions unchanged: hydraulic retention time (HRT) 10 h, sludge retention time (SRT) 10—15 d, volume of anaerobic zone:volume of total anoxic zones:volume of total aerobic zones 4:9:9, when the actual efficiency obtained and material balance calculation results were utilized to increase gradually the water ratio distributing to the first stage.. anaerobic zone, the best operating conditions could be found and 4 kinds of operating conditions determined. The results show that, at given C/N ratio, concentration of nitrogen oxides in anaerobic zone does not decrease with the increase of the water ratio entered into anaerobic zone, even appears the opposite situation. The simultaneous nitrification and denitrification（SND）and microbial assimilation effect intensity play crucial role in TN removal. The rise of water ratio entered into anaerobic zone improves the removal rate of phosphate due to the phosphorus release effect of phosphorus-accumulating bacteria is enhanced in anaerobic zone. Both nitrogen and phosphorus removals as well as subsequent optimization space are considered, one of optimized water distribution ratio is 6:3:1，and at this condition, the effluent concentration of COD, ammonia nitrogen, TN, phosphate is 45.98, 0.04,17.47and 2.43mg·L-1respectively.

step feed; waste water; flow distribution; sedimentation；pollution；low C/N; nitrogen and phosphorus removal

2015-01-20.

supported by the National Natural Science Foundation of China (51208185), the Heilongjiang Province Natural Science Foundation (QC2011C018) and the Heilongjiang Province Ordinary Colleges and Universities Young Academic Backbone Support Plan (1251G053).

Prof. PENG Yongzhen, pyz@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150081

X 703.1

A

0438—1157（2015）07—2686—08

国家自然科学基金项目（51208185）；黑龙江省青年科学基金项目（QC2011C018）；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（1251G053）。

2015-01-20收到初稿，2015-03-10收到修改稿。

联系人：彭永臻。第一作者：王伟（1979—），女，博士，副教授。