改良型氧化沟内氮的质量平衡及转化途径分析

苑丹丹，于静洁，苏凡凯，郑剑锋，张 燕，孙力平

（1.天津城建大学 a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2.云南省设计院集团 第三机电设计研究院，昆明 650228）

环境与市政

改良型氧化沟内氮的质量平衡及转化途径分析

苑丹丹1a，1b，于静洁1a，1b，苏凡凯2，郑剑锋1a，1b，张 燕1，孙力平1a，1b

（1.天津城建大学 a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2.云南省设计院集团 第三机电设计研究院，昆明 650228）

改良型循环比可调式氧化沟在廊道内设置缓流板，以此调节循环比（氧化沟廊道断面通过的循环流量与进水流量的比值），同时改变好氧区混合液回流向缺氧区的量.利用质量平衡的方法，研究了设置缓流板前后系统内氮污染物的转化途径及有机物、氮和磷去除效果的变化.结果表明：不设缓流板，循环比为 241时，COD、TP、TN、的平均去除率分别为 91.2%，、86.4%，、67.2%，和 82.7%，进水总氮中有 23.6%，通过传统硝化反硝化去除，12.3%，通过反硝化除磷去除；而增设缓流板，循环比为27时，COD、TP、TN、的平均去除率分别为93.3%，、96.0%，、78.1%，和 87.1%，进水总氮中有 12.0%，通过传统硝化反硝化去除，41.1%，通过反硝化除磷去除.综上可知：增设缓流板控制循环比，有助于提高氧化沟工艺的同步脱氮除磷效果，更有利于增强反硝化除磷脱氮能力.

改良型氧化沟；缓流板；循环比；氮的转化

由于氧化沟工艺具有耐冲击负荷、不设初沉池、有机物去除率高等特性，自1954年以来，世界各地先后建立起了多种多样的氧化沟污水处理厂.但是国内外学者、工程师对氧化沟工艺的设计、运行及管理中通常采用污泥浓度、污泥龄、污泥负荷等作为设计和调控参数，而没有将循环比（氧化沟廊道断面通过的循环流量与进水流量的比值）作为工艺参数考虑在内.对于氧化沟廊道内设置好氧区和缺氧区的工艺，调节循环比会改变好氧区向缺氧区回流混合液的量，最终会影响到氧化沟内碳、氮、磷污染物的去除效果［1］.已建的各种类型氧化沟工艺循环比大小不等，可相差十几至数百倍［2-3］.因此，试验过程中，改良型循环比可调式氧化沟将循环比作为主要调节参数，并对比了设置缓流板前后氧化沟内碳、氮、磷污染物的去除效果，对氮污染物进行了质量平衡，分析了系统内氮污染物的转化途径，研究了循环比对改良型循环比可调式氮化沟脱氮除磷能力的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置

改良型循环比可调式氧化沟体积为 0.1，m3，含厌氧1～3区及主反应区，主反应区内4个无曝气的廊道为缺氧1～4区，另外两个曝气廊道为好氧1、2区.沉淀池体积为0.024 m3.在厌氧1～3区及主反应区内转弯处分别设置搅拌器以推动廊道内混合液流动.进水量及污泥回流量由蠕动泵控制，由气体转子流量计控制好氧区的供气量.试验装置详见图1.

图1 循环比可调式氧化沟系统示意（第Ⅰ工况）

1.2 试验水质

试验用水为人工配水，配水情况如表1所示.

1.3 试验运行条件

系统连续运行，试验用泥取自天津市某污水处理厂.不设缓流板作为第Ⅰ运行工况，设置缓流板作为第Ⅱ运行工况（缺氧1区和好氧1区前端分别设置一板），两工况下的操作参数见表2.

表1 配水表

表2 不同运行工况的操作参数

由试验结果可知，第Ⅰ工况不设缓流板，好氧1区、2区廊道起始端设置点状曝气器供氧；第Ⅱ工况设置缓流板，好氧 1区、2区廊道采用条状曝气器均匀供氧.两种工况下，缺氧区溶解氧浓度都在0～0.5，mg/L，好氧区溶解氧浓度均在 1～2，mg/L范围内.综上所述，第Ⅰ工况、第Ⅱ工况溶解氧浓度梯度基本一致，操作参数混合液悬浮固体浓度、污泥龄、水力停留时间、容积负荷、污泥回流比不变的条件下，循环比的变化成为了影响氧化沟系统污染物去除效果及氮转化途径的主要因素.

1.4 分析项目与测定方法

循环比可调式氧化沟进、出水水质的检测按照国家标准方法［4］进行，详见表3.

表3 分析项目与测定方法

2 两工况下氮磷去除效果对比

每一工况下污泥稳定培养 25，d左右，稳定培养期末观察系统内活性污泥菌群，当污泥驯化成熟的指示生物（如钟虫）出现时，表明氧化沟运行稳定［5-6］.之后取样检测氧化沟各水质指标变化情况，结果详见表4.

表4 两个工况下进、出水水质测定结果过

2.1 第Ⅰ工况下氮的质量平衡及转化途径

循环比可调式氧化沟进水流量Qin为10，L/h，第Ⅰ工况下由实验测得的挥发性悬浮固体浓度（Xv）值为3.323，g/L，剩余污泥排放量（Qp）为8，L/d.进出水水质详见表5.

表5 第Ⅰ工况下氮污染指标测定结果 mg·L-1

2.1.1 系统内氮质量平衡

由于厌氧区和沉淀池无曝气，且厌氧区是形成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的功能区，因此假定厌氧区和沉淀池不存在硝化过程和反硝化除磷过程.由于沉淀池内有机物浓度很低，且存在的有机物是降解残余有机物，因此假定沉淀池不存在微生物生长过程.下列公式中C代表浓度，Q代表流量，M代表质量.

TN的质量平衡方程式为

沉淀池出水排出的TN的量为

剩余污泥排放的 TN量通过剩余污泥排放量（Qp，L/d）、挥发性悬浮固体浓度（Xv，mg/L）和 fN的乘积得到，Barker［8］和 Lee［9］等人在其研究中采用fN为 0.1，g N/gVss，Chen［10］等人的研究中对 fN进行测定，其值也将近是 0.1，g N/gVss，因此本文采用fN=0.1，g N/gVss.剩余污泥排放的TN量为

整个系统中转化成氮气去除的氮主要由以下几部分组成：ⓐ回流污泥携带到厌氧区的硝态氮和亚硝态氮反硝化去除的氮；ⓑ沉淀池发生传统硝化反硝化去除的氮；ⓒ主反应区中反硝化去除的氮.

厌氧区传统反硝化去除的氮量为

沉淀池传统反硝化去除的氮量为

计算主反应区反硝化去除的氮量较为复杂，首先应计算主反应区TN的减少量，即

主反应区液相中 TN的减少量，一部分是由于反硝化过程将氮转化为氮气去除（即液相转移至气相），另外一部分则用于微生物增长，转化为微生物细胞（即液相转移至固相）.由于改良型氧化沟是一个开放式的系统，难以准确收集测定氮气产量，因此为确定主反应区反硝化去除的氮量，需要先确定主反应区用于微生物增长的 TN消耗量.而厌氧区用于微生物增长的TN消耗量为

因此，主反应区用于微生物增长的TN消耗量为

进而，主反应区反硝化去除的氮量为

在整个系统中通过反硝化过程去除的氮量为

所以由式（1）知

进入系统的TN的量为

N平衡率为

因此，由氮的质量平衡计算得出的平衡率可知本研究的试验数据基本可靠.

由于稳定期内系统进、出水水质基本恒定，同一工况下运行参数也恒定不变，可假定每天进入系统的 TN量与流出系统的TN量相等.此外，由于沉淀池出水排出的 TN量（MTN，沉出）、剩余污泥排放的 TN量（MTN，剩余污泥）、厌氧区传统反硝化去除的氮量以及沉淀池传统反硝化去除的氮量是依据测定数据直接计算得到的，因此以每天进入系统的 TN量为准，对整个系统中反硝化过程去除的氮量和主反应区反硝化去除的氮量进行修订，即

2.1.2 主反应区内氮质量平衡及转化途径

氧化沟主反应区脱氮经由以下两个生化反应过程：①反硝化除磷消耗的氮量；②传统硝化反硝化去除的氮量.

本研究通过试验验证了整个系统中存在反硝化除磷过程，系统中反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例为17.54%，，反硝化聚磷菌的除磷量为 589.895，mg/ d.反硝化除磷脱氮的反应式为［11］

由式（16）可以看出，每去除1，g P消耗2.20，g N，丁彩娟等人［12］的研究结果表明，转化2，mg NO3--N可以促进1，mg PO43--P的吸收，本文取2.00，则理论上系统中反硝化除磷菌去除 589.895，mg/d磷时所需要的氮量为

即主反应区反硝化除磷消耗的氮量为1，179.79， mg/d.

主反应区通过传统反硝化去除的氮量为

因此，改良型工艺系统中传统反硝化去除的氮量为

经以上计算可知，在循环比可调式氧化沟工艺系统中不设置缓流板时，氮污染物中有 27.71%，（MTN，剩余污泥/MTN，系统进）是通过剩余污泥排放的，有36.43%，（MTN，沉出/MTN，系统进）是通过沉淀池出水排出的，有12.30%是通过反硝化聚磷途径去除的，有 23.56%是通过传统反硝化去除的.

2.2 第Ⅱ工况下氮的质量平衡及转化途径

第Ⅱ工况下氮的质量平衡及转化途径的分析方法同第Ⅰ工况.本工况下测得的Xv值为3.071，g/L，Qp为8，L/d.各水质指标检测结果详见表6，质量平衡结果详见表7.

表6 第Ⅱ工况下氮污染指标测定结果 mg·L-1

由上表中Nη=101.92%，可以看出，本研究的试验数据是可靠的.经计算可知，在循环比可调式氧化沟工艺中设置缓流板，调节循环比，氮污染物含量中有 26.33%，通过剩余污泥排放，20.63%，是通过沉淀池出水排出的，有 41.05%，通过反硝化除磷消耗的，有11.99%，通过传统硝化反硝化去除.

表7 第Ⅱ工况下氮的质量平衡结果

2.3 第Ⅰ、第Ⅱ工况下氮转化途径对比

两工况下氮的转化途径如表8所示.由表8看出，第Ⅰ工况厌氧区发生传统反硝化消耗的氮大于第Ⅱ工况.原因是由于该工况下回流污泥携带回厌氧区的硝态氮和亚硝态氮浓度较高，同时由于厌氧区有较充足的碳源，因此导致第Ⅰ工况厌氧区通过传统反硝化去除的氮量比第Ⅱ工况的大.

表8 两工况下TN在各反应区内的转化量 mg·d-1

试验证明，两工况都存在反硝化除磷，但第Ⅰ工况中反硝化除磷菌占总聚磷菌的比例仅为17.54%，低于第Ⅱ工况下的 46.1%，.因此，第Ⅱ工况反硝化除磷消耗的氮量高于第Ⅰ工况.

综上所述，两工况下的改良型氧化沟内污染物氮的转化途径存在差异，即由于第Ⅱ工况氧化沟内设置了缓流板，降低了氧化沟廊道内混合液的循环比，减小了好氧廊道混合液回流向缺氧廊道的量，进而延长了混合液在好氧区和缺氧区循环流动时单次停留时间.同时，保证了硝化和反硝化反应的有效进行，最终强化了反硝化除磷菌的富集，从而使得第Ⅱ工况由反硝化除磷过程去除的氮量显著高于未加缓流板情况下的第Ⅰ工况.

3 结 论

本文通过比较两种不同工况下（有无缓流板）氧化沟内污染物去除效果的差异，研究了不同循环比下氮污染物去除途径的变化情况，将结论归结如下.

（1）在氧化沟廊道内设置缓流板调控循环比，有利于氧化沟内氮磷污染物的去除.

（2）氧化沟工艺中，调节循环比可以影响系统内氮的转化.增设缓流板前后，反硝化除磷过程去除的氮量由 12.30%，提高到 41.05%，传统反硝化作用去除的氮量由23.56%，下降到11.99%.

［1］于静洁，邓 宏，郑淑平，等.氧化沟工艺应用研究进展［J］.工业水处理，2013，33（6）：1-5.

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［6］周群英，高廷耀.环境工程微生物学［M］.北京：高等教育出版社，1997.

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Analysis of Nitrogen Mass Balance and Conversation Pathway in Modified Oxidation Ditch

YUAN Dandan1a，1b，YU Jingjie1a，1b，SU Fankai2，ZHENG Jianfeng1a，1b，ZHANG Yan1，SUN Liping1a，1b
（1a.School of Environmental and Municipal Engineering；1b.Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，TCU，Tianjin 300384，China；2.The Third Electromechanical Design and Research Institute，Designing Institute Group of Yunnan Province，Kunming 650200，China）

The recirculation ratio （namely the ratio of circulation flow to influent flow in compartment section）is changed by adding flashboard in compartment section to regulate mixed liquor refluxing from aerobic zone to anoxic zone in modified oxidation ditch.This study has been done by comparing the changes of the organics，simultaneous nitrogen and phosphorus removal before and after adding flashboard in oxidation ditch compartment，and with mass balance to the differences of the conversion pathways of nitrogen.The results show that，when the recirculation ratio is 241without the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+removal are 91.2%，86.4%，67.2% and，82.7% respectively.The ratios are 23.6% and 12.3% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.When the recirculation ratio is 27 with the flashboard，the average efficiencies of COD，TP，TN，NH4+，removal are 93.3%，96.0%，78.1% and 87.1%，respectively.The ratios are 12.0%and 41.1% which influence total nitrogen conversation to N2by traditional denitrification and denitrifying phosphorus removal respectively.To sum up，regulating recirculation ratio by adding flashboard is helpful for improving the simultaneous nitrogen and phosphorus removal of oxidation ditch process，and is also helpful for increasing the capability of denitrifying phosphorus and nitrogen removal.

modified oxidation ditch；flashboard；recirculation ratio；nitrogen conversation

X703

A

2095-719X（2016）03-0200-06

2015-05-05；

2015-11-06

国家自然科学基金（51108299）；天津市自然科学基金（10JCYBJC05300）

苑丹丹（1991—），女，河北衡水人，天津城建大学硕士生.

于静洁（1978—），女，教授，从事污水处理与工艺系统模拟方面的研究.E-mail: yjj.mary@163.com