氧化沟工艺脱氮除磷特征影响因素分析

王志康，兰彬彬，李 凯，张 萍，王 晗

(贵州民族大学生态环境工程学院,贵阳 550025)

水环境污染日益成为社会焦点,为了实现绿色、高效、节能的污水处理效果,需要对污水处理工艺做出进一步改进。氧化沟工艺过程简单、方法灵活、经济性能好、运行性能稳定,当处理规模为3 785 m3/d时,氧化沟工艺的处理成本仅为活性污泥法的60%,生物滤池的62.5%,生物转盘的40%[1]。然而,目前氧化沟能达到的最高脱氮效率为90%左右,而除磷的效率仅为80%左右,表明氧化沟同步脱氮除磷效果有待提高[2]。研究认为,由于在脱氮除磷过程中起主要作用的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌对生长环境的要求各不相同,导致细菌生长的最适条件产生冲突，不论时间或空间上都难以达到平衡,由此影响脱氮除磷的效率[3]。拟综述氧化沟工艺研究进展,总结分析影响氧化沟脱氮除磷的因素,为氧化沟能更好进行脱氮除磷提供科学和数据的支持。

1 氧化沟工艺

如图1所示氧化沟所采用的运行系统为延时曝气的活性污泥系统,通过将连续环式反应池作为生化场所,利用可控制的搅动与曝气装置使空气进入反应器,从而促使液体在闭合渠道中循环流动,让氧化沟内形成厌氧、缺氧和好氧环境[4]。

图1 氧化沟工艺图Fig.1 Diagram of oxidation ditch process

氧化沟实现了曝气设备最优位置布局,因此具备以下特性:①将推流和充分混合相结合,使其能克服短流和提高缓冲能力[5]；②具备适合硝化反硝化生物处理工艺的溶解氧(DO)梯度[6]；③功率密度的不均匀分配,使得氧传递、液体混合及污泥絮凝速率都得到提升[7]；④节省能量[6]；⑤沟内循环流量使污水被快速稀释[8],提高了处理效果。

2 氧化沟工艺的发展

世界上首个氧化沟污水处理厂于1954年在荷兰建立,历经几十年发展,国外先后开发了多种多样的氧化沟工艺[9],其分类及典型工艺类型如表1所示。自 20世纪60年代以来,该工艺在世界许多地区得到广泛应用[17]。据E2O环境平台公布的数据显示,中国已建成并运营的污水处理厂数量有4 000座左右,其中运用的工艺据数据统计30种左右,而氧化沟工艺占比达到20%,充分说明其是中国污水处理工艺的主导之一[18]。污水处理厂提标改造方案的提出,推动了氧化沟工艺的发展。第1代氧化沟,如Passvee氧化沟,通过在空间上或时间上形成缺氧区,在去除有机物同时还可以反硝化脱氮去除污水中的植物性营养物[19-20]。第2代氧化沟,如Carrousel(卡鲁塞尔)2 000氧化沟,通过在结构方面进一步优化,改变曝气孔的安装方式，对厌氧、好氧区的规格,进出水的装置进行改变,及对工艺运行工况进行调整等。使得脱氮除磷的效果相对第一代氧化沟工艺有了一定的提升[21]。第3代与第4代的氧化沟通过不断改进运行工况、装置、环境因素等,使氧化沟处理能力有了很大的提升,反应过程也更加稳定。

3 氧化沟工艺脱氮除磷机理分析

表1 氧化沟工艺发展历程

图2 硝化、反硝化阶段Fig.2 Flowsheet of nitrification and denitrification stages

氧化沟采用两阶段生物法除磷,如图3所示,好氧环境吸收磷,厌氧环境释放磷。首先在厌氧环境中,聚磷菌会吸收发酵产物和有机酸,并将所吸收物质运输到细胞内,同化成细胞内能源储存物质,此过程所需能量通过聚磷水解及细胞内糖酵解提供。由此导致了磷酸盐在厌氧环境中的释放[27]。然后在好氧环境中,通过氧化分解获得能量,聚磷菌活性得到恢复,大量吸收在厌氧阶段释放的磷及原污水中的磷[28],完成磷的积累,在细胞体内合成聚磷酸盐并储存起来,形成富磷污泥,并通过剩余污泥排出系统[29-33],达到除磷目的。

表2 硝化过程反应机理

图3 生物除磷过程Fig.3 Biological phosphorus removal process

4 氧化沟脱氮除磷效果影响因素

影响脱氮除磷效率的因素分别有环境因子、工况和运行方式[34]。脱氮过程主要由亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌相互协调作用,亚硝化菌、硝化菌的生长会受温度、DO、pH的影响,反硝化菌为异养生物,它的生长除会受到DO、pH、温度的影响外还会受到C/N的影响。此外,对于生物除磷,在好氧区吸收磷,厌氧区释放磷,所以DO对除磷效率的影响很大；除磷主要通过污泥排出系统,所以污泥龄、水力停留时间对它也会产生影响。因此就环境因素:DO、pH、温度和工况因素：C/N、污泥龄、污泥回流比等,及运行方式进行分析讨论。

4.1 DO

DO是影响微生物生长的重要因素之一,因此反应器内维持适宜的DO浓度梯度是脱氮除磷的必要条件。脱氮硝化阶段需要在缺氧区与限制性供氧区完成,此阶段的亚硝化菌与硝化菌适宜生长的DO浓度范围分别为0.2～0.4 mg/L、1.2～1.5 mg/L。因此DO浓度过低,对硝酸菌生长不利。同理,除磷过程的聚磷阶段需要在好氧区完成,此阶段最适DO浓度范围为2～3 mg/L。如果DO浓度太低,会影响聚磷菌分解储存的聚-β-羟丁酸(PHB)类物质获得能量来吸收污水中的溶解性磷酸盐合成细胞聚磷。且过低的DO浓度,不能满足微生物去除COD及氨氮所需的氧,会使得污泥沉降性变差,污泥变黑。脱氮反硝阶段及除磷释放磷阶段需要在厌氧环境下完成,即DO浓度小于0.2 mg/L[35]。因此DO浓度过高,一方面会破坏缺氧环境,使得反硝化受到抑制,脱氮效率降低；另一方面会消耗PHB,使得吸磷率与释磷率难以达到平衡[36],从而降低生物除磷能力[37-38]。综上,氧化沟中DO浓度会影响脱氮除磷的效果[36]。各细菌最适DO浓度范围如图4所示。

图4 不同细菌适宜的DO浓度范围Fig.4 Suitable DO range for different bacteria

为了确定最适DO浓度范围对氧化沟脱氮除磷产生的影响,黄祖安等[39]对Carrousel氧化沟研究得到:反应系统存在一个最适DO浓度范围,当反应器内DO浓度高于临界值则能取得较好硝化效果,低于临界值将会导致系统硝化效果变差,Carrousel氧化沟DO浓度临界值为0.8～1.2 mg/L。张磊[40]通过研究DO对脱氮除磷的影响,得出将DO浓度控制在2～2.5 mg/L,总氮的去除率为93%,总磷去除率为78%。但李柏林[41]通过在中试条件下对氧化沟进行研究,将反应系统需划分为主反应区与缺氧区,认为同时满足硝化与反硝化反应时,主反应区DO浓度维持在1.0～1.5 mg/L。然而刘祖文等[42]认为主反应区DO浓度为2.0～3.0 mg/L、缺氧区DO浓度小于0.5 mg/L 有利于提高同步脱氮除磷效果,实现节约碳源和降低能耗。

因此为了提高同步脱氮除磷的效果,将氧化沟主反应区DO浓度控制为2.0～3.0 mg/L、缺氧区DO浓度小于0.5 mg/L为最优DO浓度范围。

4.2 污泥龄

硝化菌与聚磷菌的污泥龄有较大差异,脱氮泥龄大于10 d,而除磷低于10 d[42-43]。泥龄过高,不利于生物除磷,泥龄太低,硝化菌无法存活,会影响脱氮的效果[44],且剩余污泥泥量过大会增加后续污泥处理的负荷,对微生物产生较大影响。所以污泥龄的有效调节会使氧化沟脱氮除磷的效果更好。

孙海梅等[45]研究发现污泥龄(SRT)达16～25 d,系统对总磷的去除量与污泥龄相关性较好,污泥龄越小,去除量越大。王涛等[46]通过对复合式氧化沟进行研究得到,在SRT为20 d时,系统达到最优运行工况。由于温度的变化会影响微生物的生长速率、生化速率,所以在实际运行控制中,污泥龄的有效控制需要与温度相结合考虑,通过调整温度的高低及污泥龄的大小来确保微生物的充分生长和脱氮除磷的效果[36]。张磊[40]根据对系统运行参数的调整及效果分析,将SRT控制在18 d及对污泥浓度、回流比、水力停留时间等进行同步控制,可使系统中TP、NOx去除率分别达到87%和75%。综上所述,为实现较好的同步脱氮除磷效果,污泥龄一般控制在16～20 d,然后再通过结合污水水质特征、污泥负荷及其他因素做进一步的控制。

4.3 C/N

C/N大小对自养菌与异养菌的活性影响较大,即对硝化菌、反硝化菌、聚磷菌会产生影响,当C/N低时,反硝化菌的活性会受到抑制使得反硝化进行不彻底,导致出水含过量的硝酸盐,硝酸盐随着回流污泥回到厌氧池,破坏厌氧环境从而对聚磷菌释放磷产生影响[47],进而影响脱氮除磷效率；但当C/N较高时,反硝化菌与聚磷菌能获得充足的碳源进行反硝化及释磷,能获得较好的脱氮除磷效率。C/N越高,自养生物硝化菌活性就会受到较大影响,导致污泥层中的硝酸盐浓度越低,从而以硝酸盐为基质的反硝化菌所需碳源就会降低,系统中的聚磷菌可利用碳源就越多,就越有利于释磷[48-49]。

胡国山等[50]研究显示C/N越大反硝化速率越快,亚硝酸盐氮积累量越少,脱氮效果更好。在高C/N时,反硝化菌和聚磷菌都可获得足量的碳源进行反应,TN、TP去除效果较好。研究显示,氧化沟系统对 TP 的去除效率随C/N的升高而提高,C/N 由5提升至9的过程中,TP 去除效率由14.99%上升至94.75%,当C/N>11时, 出水TP去除率接近100%[51-52]。

C/N在一定范围内的增加会使氧化沟脱氮效率提高[50-53]。综上所述,C/N的值对氧化沟脱氮除磷影响较大,因此当脱氮除磷效率较低时,可以从C/N值方面入手考虑。

4.4 pH

一个稳定的酸碱平衡环境对硝化菌、聚磷菌的生长很重要,能使氧化沟脱氮除磷效率得到提高。生物脱氮过程的硝化阶段,氨氮转化为硝态氮,需要消耗碱度,致使污水的缓冲能力降低,从而对硝化反应产生影响,进而影响脱氮的效果。在除磷过程的释磷阶段,pH会影响聚磷菌吸收有机碳源,从而影响聚磷菌的生长速率,且会对聚磷阶段产生影响。综上,pH会对氧化沟工艺除磷效率带来较大的影响,研究表明,当pH<6.5时会出现大量磷释放,因酸碱环境的改变会使得细胞结构及其功能受到损坏,细胞内的聚磷将在酸性条件下被水解从而释放[53]。当pH越低,磷的释放速率及释放量都会越大[53-54]。这与磷来自细胞的酸溶性部分这一早期观测结果是一致的[53]。但当6.59时,混合液中的磷大都以难溶的磷酸盐的形式沉积下来,溶解性的磷酸盐基本不发生变化[55-56]。所以导致释磷和聚磷的效率都低[53]。

图5 脱氮除磷各阶段最适pH浓度范围Fig.5 The optimal pH range at each stage of nitrogen and phosphorus removal

4.5 污泥回流比

为提高氧化沟脱氮除磷效率,提供微生物生长足够的基质,通常是通过对污泥回流比(R)的有效控制达到要求[39]。污泥回流比不仅可以给微生物生长提供基质,还可以满足系统的负荷要求,对系统脱氮除磷有较大的影响。过高及过低的污泥回流比给氧化沟除磷阶段带来的影响具体如表3所示，所以污泥回流比的有效控制能够使氧化沟脱氮除磷得到更好的效果。

表3 污泥回流比对氧化沟脱氮除磷各阶段影响

廖建胜等[57]通过对比研究显示,当污泥回流比小于90% 时,生物处理系统对 TP 的去除率有一定的提高,但当回流比继续下降时提升作用并不明显。夏岚等[58]通过控制单一变量法研究显示:总氮的去除率会随着污泥回流比的增加而有所上升,由于污泥回流比的增大为反应提供了足够的基质,从而使得总氮的去除效果得到提高[59],该结论与马菲菲等[60]研究结果基本一致。因此将污泥回流比控制在适当的范围对脱氮除磷效率会带来积极的影响,通常,污泥回流比值控制在80%左右较佳[36]。综上,氧化沟系统最适污泥回流比为80%～90%。

4.6 温度

温度对氧化沟脱氮除磷的影响体现在以下方面。

(1)氧化沟处理污水是生物处理,利用酶促反应来实现有机污染物降解的代谢过程,而温度对酶活性影响很大[61]。温度过高或过低易导致酶活性降低甚至失活,酶促反应速率会大幅下降,使微生物代谢速率下降甚至死亡,所以会进一步影响了生物处理的效果。

(2)脱氮阶段的硝化菌、反硝化菌生长所需的最适温度也不同,硝化、反硝化作用对温度的变化非常敏感[62-63],温度的高低会影响生长,从而影响脱氮的效果[64]。

大量研究表明,亚硝酸盐菌、硝酸盐菌及硝化反应的最适生长温度分别为35 ℃、35～42 ℃、4～45 ℃,温度的大小对硝酸盐菌的增长速率及其活性都会产生影响[65],进而影响脱氮阶段。而对于除磷阶段的影响，姜体胜等[54]通过研究得到温度的增加,对聚磷菌释磷和吸磷速率影响都很小,可得温度对除磷的影响很小。刘艳臣等[66]研究表明,小试Carrousel 氧化沟在1～11 ℃以下硝化效果很差,温度在12 ℃以上时,硝化效果得到改善。在生活污水的处理中,为满足活性污泥系统的正常运行,温度常保持在4～38 ℃的中温范围。

5 结论

(1)氧化沟工艺脱氮除磷环境因素的最适范围为:主反应区DO浓度控制为2.0～3.0 mg/L、缺氧区DO浓度小于0.5 mg/L；pH控制在7～9内；将温度控制在4～38 ℃；工况因素的最适范围为:在硝化阶段，C/N=2～3时为最佳范围；对于反硝化与除磷阶段,C/N=5～13,越大越好；污泥龄控制在16～20 d；污泥回流比一般控制在80%～90%。

(2)将影响因素控制在最优范围,脱氮除磷效率能得到提升。但目前氧化沟工艺采用传统的脱氮除磷方式,效率及成本可以通过以下措施得以改善:①对氧化沟工艺设备进行一定的改进,将短程硝化反硝化脱氮方式及反硝化除磷方式应用到其中,进而改变传统的脱氮除磷方式,降低成本；②通过微生物生长特征进行工况调整,而不是传统的通过调整工况调节微生物的生长；③将固定化酶分子技术结合到脱氮除磷过程中,达到提高效率的目的。