絮凝污泥作为低碳氮比生活污水补充碳源的脱氮试验研究

刘绍根, 李贵敏, 夏 姣, 罗 月

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院 ，合肥，230022; 2.水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，合肥，230206）

絮凝污泥作为低碳氮比生活污水补充碳源的脱氮试验研究

刘绍根1,2, 李贵敏1, 夏 姣1, 罗 月1

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院 ，合肥，230022; 2.水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，合肥，230206）

为解决低碳氮比生活污水生物脱氮过程中碳源不足的问题，本试验利用絮凝污泥水解酸化液作为外加碳源，通过生物絮凝吸附-前置反硝化曝气生物滤池（BAF）组合工艺，研究水解酸化液对低碳氮比生活污水生物脱氮性能的影响。试验结果表明：未投加水解酸化液的条件下，出水COD、NH4+-N和T N平均值为17.57 mg/L、1.27 mg/L和10.21 mg/L，系统去除率分别达到77.91%、95.48%、64.52%左右；在碳源投配比1:60时，进入前置BAF系统的COD/TN为3.71，NH4+-N和TN的去除率分别达到96.12%和79.80%。研究表明，以絮凝污泥水解酸化液作为低碳氮比生活污水补充碳源，可显著提高前置BAF生物脱氮性能，且实现絮凝污泥的资源化与减量化。

絮凝污泥；水解酸化液；低碳氮比污水；前置反硝化；脱氮

0 引 言

目前我国城市污水普遍为低碳氮比生活污水，使得城市污水处理厂脱氮处理很难达标[1]；而作为生活污水一级强化处理的生物絮凝吸附工艺，其污泥的处理与处置费用在污水厂运行成本中所占的比例也越来越大[2]，如何使得低碳氮比生活污水的脱氮处理达标的同时降低成本，是目前研究的热点[3-4]。

污泥水解酸化产物挥发性脂肪酸（VFAs）中的乙酸和丙酸是生物脱氮的有效碳源，被认为是最适合于生物营养物去除工艺的碳源之一[5]。Gao 等[6]研究A2O系统中以剩余污泥水解酸化液用作补充碳源后，对TN和TP的去除率分别达到80.1% 及90.0%，脱氮除磷效果显著提高。Tong等[7]利用剩余污泥水解酸化液作为外加碳源研究了对SBR脱氮除磷性能的影响，在投配比1:35时，对TN 和TP的去除率为83.2%和92.9%。

以污泥的水解酸化液作为外加碳源可显著提高脱氮效率，但剩余污泥水解酸化过程中伴随着氮和磷的释放，若投配比控制不合理，可能会造成二次污染[8-9]。以水解酸化液作为碳源结合不同工艺处理低碳氮比生活污水，如何达到较高的脱氮效率也是目前研究的热点。曝气生物滤池(Biological Aerated Filter)以水力停留时间短、水力负荷大、基建投资少、能耗及运行成本低、出水水质好、易于运行管理等特点[10,11],被广泛运用于实际工程中。本试验以生物絮凝污泥水解酸化液作为碳源，考察絮凝污泥的水解酸化液的性质，未投加碳源及碳源投配比对前置反硝化曝气生物滤池的脱氮性能的影响，为污水处理厂节能降耗、稳定运行和解决低碳氮比生活污水脱氮过程中碳源不足的问题提供技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验用水

本试验采用某校园生活污水为原水，以生物絮凝处理单元出水作为BAF系统试验用水。原污水中COD浓度在200±50 mg/L，NH4+-N浓度为17±5 mg/L，TN的浓度为22±5 mg/L。

1.2 絮凝污泥及碳源性质

絮凝污泥取自生物絮凝吸附工艺中沉淀池内的絮凝污泥，污泥特征（3次重复测定后取平均值）见表1。投入水解酸化装置后进行厌氧发酵，获得的水解酸化液经离心后用作碳源。碳源性质如表2所示。

表 2 水解酸化液碳源性质

1.3 试验装置

试验装置如图1所示，装置主体包括生物絮凝吸附池及水解酸化装置和前置反硝化曝气生物滤池两大部分。

图1 试验装置示意图

生物絮凝吸附系统由絮凝吸附池、沉淀池和再生池组成。生活污水在计量泵作用下进入絮凝吸附池，进水量为100 L/h，活化污泥在重力的作用下与生活污水一起进入絮凝吸附池。絮凝吸附池运用曝气搅拌，使污水与污泥充分混合30 min，污水中的悬浮和胶体污染物被大量吸附，形成污泥絮体，有利于在沉淀池的固液分离。污泥絮体进入沉淀池进行1.5 h的泥水分离，上清液进入下一系统深度处理，部分沉淀污泥回流至污泥再生池内进行2 h的曝气活化恢复活性，再进入絮凝吸附池，剩余污泥则进入水解酸化池进行厌氧发酵。

前置BAF系统中D/N滤柱的内径为230 mm，C/N滤柱的内径为190 mm，C/N、D/N滤柱高3 m，内装有圆形陶瓷滤料，填料高度均为1.8m，沿滤料高300 mm设有取样口。生物絮凝吸附工艺沉淀池出水进入水箱中，由底部将污水泵入D/N滤柱，系统进水量为50 L/h，同时通过回流水泵将C/N滤柱出水按一定回流比泵入D/N滤柱，出水通过重力流的形式进入C/N滤柱，出水进入回流水箱。由于该前置反硝化曝气生物滤池为上向流与下向流串联处理生物絮凝吸附工艺出水，曝气生物滤池每3-4天为一个周期进行反冲洗[12]。

1.4 分析项目与方法

试验中各项水质指标根据《水和废水监测分析方法》(第四版)[13]中提供的标准方法对各项水质指标进行了定时定量监测分析。主要的测试指标及方法包括：MLSS（重量法）；COD及SCOD（重铬酸钾密封消解法）；TN（过硫酸钾氧化 紫外分光光度法）；NH4+-N（钠氏试剂分光光度法）；DO（碘量法和溶解氧快速测定法）；pH值（pH计）；VFAs采用气相色谱法。

2 结果与讨论

2.1 前置BAF系统处理低碳氮比的生活污水效能性能

试验阶段控制C/N滤柱内的气水比为4:1，硝化液回流比为150%（气水比和回流比的确定，在另一篇论文中已有阐述），重点考察未外加碳源时，前置反硝化BAF系统稳定运行阶段对生物絮凝出水的脱氮性能。

图2（a）前置BAF系统对COD的去除效果

图2（b）前置BAF系统对NH4+-N的去除效果

图2（c）前置BAF系统对TN的去除效果

经生物絮凝处理单元后生活污水中大颗粒、难降解有机物得到较大程度的去除，COD平均去除率为63.8%，SS去除率为78%，但对氨氮及总氮的去除效果不明显，仅达到30%左右，COD、NH4+-N 和TN平均浓度分别为82.14 mg/L、22.99mg/L和28.90 mg/L。由图2（c）可知系统进水首先进入D/N滤柱内，经过反硝化脱氮后，D/N滤柱的出水TN浓度均值为15.18 mg/L，总氮的去除率达47.43%左右。由此可以看出在未加碳源的情况下，前置BAF工艺对总氮的去除效果仍明显，总氮浓度经过D/N滤柱后大幅度下降。对比图2（a）中D/N滤柱内COD去除率达68.53%，分析前置反硝化工艺对TN的高去除率的主要原因：原水中含大量的碳源，经过生物絮凝的预处理后，去除了污水中大量颗粒状的、不易被微生物利用的碳，进入前置反硝化滤柱中的碳源多为可生化碳源，D/N滤柱可以利用絮凝出水中的有机物作为碳源，使回流液中的硝态氮可以利用污水中的可生物降解有机物进行反硝化反应，实现脱氮作用。

污水进入C/N滤柱后，由上图2（b）可知污水中NH4+-N在C/N滤柱内得到较高的去除效率，图2（c）可知对总氮仍有一部分的去除效果，此时C/N滤柱进水NH4+-N浓度和TN浓度分别为10.27 mg/L、15.18 mg/L左右，对NH4+-N和TN的平均去除率为87.69%和32.57%。污水中的氨氮进入C/N滤柱后，通过硝化细菌将NH4+-N转化为硝态氮，随着硝化液回流至D/N滤柱后，其内部的硝态氮及亚硝态氮增加，反硝化菌利用碳源进行反硝化作用，从而进入C/N滤柱内的有机物降低，使得硝化菌成为C/N滤柱中的优势菌种,从而促进了对氨氮的去除。随着BAF系统运行时间的延长，滤料表面的生物膜的厚度增加，氧在生物膜内部的传递过程中显现出一定的梯度情况，整个生物膜由外到内依次存在水膜层、好氧层、缺氧层和厌氧层，反硝化作用在生物膜内部进行，使曝气生物滤池反应器中发生同步硝化反硝化作用而脱氮。

前置BAF系统稳定运行期间出水COD、NH4+-N 和TN平均值为17.57 mg/L、1.27 mg/L和10.21 mg/L，系统去除率分别达到77.91%、95.48%、64.52%左右，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

2.2 碳源投配比对BAF脱氮性能的影响

在絮凝出水TN浓度约为28.90 mg/L、气水比4:1及回流比150%的条件下，考察碳源与污水投配的流量比分别为1:70、1:60、1:50时前置BAF的生物脱氮效果如表3所示。

表3 碳源投配比对BAF运行性能的影响

在生物脱氮的工艺中,一般认为当进水碳氮比(BOD:TN)大于4:1 时,无需外加碳源即可达到脱氮的目的[14]。由表2可知，水解酸化液COD为2200～2500 mg/L，随着碳源投配比的增加，前置BAF系统稳定运行期间对絮凝出水的脱氮性能见表3。

随着碳源投配比的增加，前置BAF系统氨氮的去除率均在95.5%以，当投配比为1:60时，对比未加碳源时增加至96.12%，对氨氮的去除效果略有提高，说明碳源的投加对系统的硝化反应没有抑制作用。在碳源投配比由1:70增加至1:60时，系统对总氮的去除率74.07%提高到79.80%，但随着投配比的继续增加，总氮去除率反而出现了下降至70.22%。

李德豪等[15]考察了碳源投配比对一体化A/ O工艺脱氮性能的影响，试验结果表明COD/TN为7.5左右时，TN的去除率可达70%。由表3可知，本试验中碳源投配比1:60时，进入前置BAF系统的COD/TN为3.71，总氮去除效果最佳，去除率达到79.80%。试验结果表明在前置反硝化系统中还存在短程硝化反硝化和同步硝化反硝化等脱氮方式，故与一般反硝化脱氮系统相比，对碳源投配比的要求较低，故只要外加部分水解酸化液碳源就可以利用前置BAF系统的特性达到生物脱氮效果。与未投加碳源时系统出水总氮浓度10.21 mg/ L相比，加入水解酸化液后，出水总氮浓度均值为5.86 mg/L，水解酸化液的投加显著的提高了前置BAF系统的脱氮性能。

2.3 絮凝污泥水解酸化过程中的污泥减量

生物絮凝吸附工艺中所产生的絮凝污泥，一部分回流至污泥再生池内进行曝气活化恢复活性，剩余部分则进入水解酸化池进行厌氧发酵，水解酸化上清液用作碳源回用至前置BAF系统中。系统的剩余污泥完全通过水解酸化池进行排放，有资料表明，水解酸化反应器的污泥减量公式为[16]：

式中：Re——絮凝污泥减量率

∆MLSS回流——回流的絮凝污泥量

∆MLSS取样——污泥取样量

∆MLSS水解——水解酸化反应器增加的污泥量

试验过程中，投加到水解酸化反应器内的絮凝污泥浓度约为9～11 g/L，取均值10 g/L。每隔一天从水解酸化池内取出混合液，经过离心分离后，剩余污泥排除；同时投加等体积的新鲜絮凝污泥作为补充。试验过程中，每次取水解酸化混合液7 L左右，污泥浓度约为5.4～6.4 g/L，取平均值5.9 g/L。

厌氧发酵过程中伴随着机械搅拌，造成污泥细胞破裂，故可以忽略絮凝污泥水解酸化过程中的污泥增加。则絮凝污泥的减量率约为：

3 结论

1）未外加碳源的前提下，低碳氮比生活污水经生物絮凝吸附后进入前置BAF系统，稳定运行期间出水COD、氨氮、总氮的浓度均值分别为17.57 mg/L、1.02 mg/L、10.21 mg/L，去除率分别为77.91%、95.48%、64.52%。

2）絮凝污泥在厌氧搅拌的条件下发生水解酸化，水解酸化液中VFAs浓度较高。预处理后的水解酸化液VFAs为937～1029 mg/L，COD和TN为2200～2500 mg/L及 85～100 mg/L，适合用作低碳氮比生活污水的外加碳源。

3）水解酸化液与进水投配比为1:6 0的运行条件下，前置BAF系统对氨氮的去除率为96.12%，氨氮的去除效果略有提高；出水总氮浓度均值为5.86mg/L，去除率达到79.80%，结果表明碳源的投加，对系统生物脱氮性能影响显著。

4）絮凝污泥投入水解酸化反应器，经过发酵后，污泥浓度均值为5.9 g/L。絮凝污泥的减量率约41%，达到了絮凝污泥减量化的目的，同时以废治废，实现了絮凝污泥的资源化利用。

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Study on Nitrogen Removal of Low Carbon-Nitrogen Ratio Domestic Sewage with Flocculation/Adsorption Sludge as Supplement Carbon Source

LIU Shaogen1,2, LI Guimin1, XIA Jiao1, LUO Yue1

(1.School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022,China；2.Anhui Key Laboratory of Water Pollution Control and Waste Water Resue,Hefei 230206,China.)

In order to solve the problem of the shortage of carbon source in the biological of nitrogen removal of low C/N ratio wastewater, the biological flocculation adsorption-pre-denitrification BAF combined process has been employed to study the influence on the biological nitrogen removal of low C/N ratio wastewater when the hydrolysis-acidification liquor of flocculation/adsorption sludge was used as addition carbon source.The experimental result showed that the average concentration of COD, NH4+-N and TN in final effluent were 17.57 mg/L、1.27 mg/ L and 10.21 mg/L without adding hydrolysis-acidification liquor. And the removal rates were about 77.91%、95.48%、64.52%.When the ratio of flow rates of carbon source to influent was 1:60,the rates of COD/TN in pre-denitrification BAF process was 3.71, and the removal rates of NH4+-N , TN were 96.12% and 79.80%.This researeh indicated that the hydrolysis-acidification liquor of flocculation/adsorption sludge could be utilized as carbon source for low C/N ratio wastewater，the denitrification performances could be effectively improved by pre-denitrification BAF,and the minimization and resources reuse of flocculation/adsorption sludge could be realized as well.

flocculation/adsorption sludge; hydrolysis-acidification liquor; low C/N ratio wastewater ;predenitrification; nitrogen removal

X703

A

2095-8382(2016)06-074-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160616

2016-06-30

国家自然科学基金资助项目（51278002）

刘绍根（1967-），男，博士，教授，主要从事水污染理论与技术研究工作。