一种新型污水处理体系及其对废水处理效果实验

宗绍宇

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250011）

在人们的日常生活中，会产生很多的生活污水，若不进行处理直接排放，就会对水环境造成严重污染。因此，在排放前需要提前对污水进行处理。但传统生活污水处理方法存在能源和物质消耗较大的问题，还需要进一步对生活污水处理方法进行优化。就此，部分学者也进行了研究，如贺斌[1]制备了一种新型高通量抗污染的PDA/PEI 纳米颗粒膜用于含油生活污水的处理。实验结果表明，制备的膜材料对生活污水法通量恢复率为99.4%，对含油污水中TOC的去除率达45%。以上膜材料虽然具备高通量抗污染的性能，但去除率无法达到理想目标。汪晨晨[2]则针对分散式处理污水提出侧向回流一体化生物膜反应器，并对反应器的相关性能进行研究。实验结果表明，优化工艺后反应器的污水去除效果良好。但该方法受限于膜寿命的影响，导致运行成本大大增加，难以大规模投入使用。傅金祥[3]制备出一种新型改性沸石氨氮吸附剂对生活污水进行处理。实验结果表明，经改性沸石氨氮吸附剂处理后的生活污水NH3-N 含量低于2mg·L-1，且吸附剂具备重复再生的效果。以上学者的研究为生活废水的处理提供了一些方法，但还达不到理想处理的要求。基于此，本实验以章心会[4]的研究为参考，构建了一种厌氧-短程硝化-厌氧氨氧化系统，为生活污水处理提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与设备

KH2PO4（AR 鼎欣生物）；CoCl2·6H2O（AR 鑫鸣泰化学）；NH4Cl（AR 鸿泉化工）；NaHCO3（AR 乾耀科技）；Cr（NO3）3·9H2O（AR 世能化工）；接种污泥（济南西区污水处理厂二沉池）；模拟生活污水（自制）。

ZDJ-5 型数显滴定仪（爱来宝仪器）；UV1500 型紫外可见分光光度计（奥析科学）；TE-1910 型溶解氧含量检测仪（天尔仪器）。

1.2 实验方法

先分别启动3 个反应器，然后依次连接启动后的反应器，从而得到厌氧-短程硝化-厌氧氨氧化（UASB-PN-Anammox）的污水处理体系。

1.2.1 厌氧（UASB）反应

（1）以实验室配制模拟生活污水作为厌氧系统进水，污泥为反应器内自带污泥。

（2）模拟污水进入厌氧反应器进行厌氧反应。

（3）厌氧反应主要为两个阶段：第一阶段为1~80d，该阶段水力停留时间（HOR）为10h，反应器有机负荷为0.78kgCOD/（m3·d）；第二阶段为81~140d，HOR 为8h，有机负荷为0.98kgCOD/（m3·d）。

1.2.2 短程硝化（PN）反应 将活性污泥分别放入序列式反应器中培养，打开搅拌器进行泥水的混合。通过曝气头曝气，通过流量计调控曝气量。PN 段参数为：进水和出水时间均为5min，曝气搅拌时间和沉淀时间分别为14h 和1h，温度为35℃，间隔1d 换水一次。第一阶段为1~7d，曝气流量为1.0L·min-1；第二阶段为8~47d，曝气流量为0.1L·min-1；第三阶段为48~60d，曝气流量与换水频率不变。

1.2.3 厌氧氨氧化（Anammox）反应 厌氧氨氧化反应器与短程硝化反应器的结构类似。其中承托层填料与短程硝化反应一致，滤料层填料为直径为（3.00±1.00）mm 的陶粒。该过程主要分为两个阶段，第一阶段为1~71d，该段进水浓度约为（45±4）mg·L-1，水力停留时间为6h；第二阶段为72~100d，进水NH3-N 浓度约为25mg·L-1。

3 种反应器外部均覆盖有加热丝和保温棉，通过温度控制仪对反应温度进行控制。

1.2.4 UASB-PN-Anammox 污水处理体系构建 待3 种反应器稳定运行后依次进行连接，得到UASBPN-Anammox 污水处理体系，并对系统的相关性能进行检测。各个反应器具体条件为：

（1）UASB 进水COD 与NH3-N 浓度分别为310mg·L-1和47mg·L-1；进水流量3.4L·h-1；水力停留时间8h；反应温度为30℃。

（2）PN 控制进水流量为0.72L·h-1，UASB 段出水多余水量通过中间水箱侧边排出，水力停留时间与UASB 段一致；反应温度为35℃。

（3）Anammox 进水流量与PN 段一致；水力停留时间为10.4h；反应温度为25℃。

UASB-PN-Anammox 污水处理体系见图1。

图1 UASB-PN-Anammox 污水处理体系Fig.1 UASB-PN-Anammox system

1.3 性能测试

1.3.1 COD 浓度测试 通过重铬酸钾法测定COD浓度[5]。

1.3.2 氨氮（NH3-N）测定 通过纳氏试剂比色法测定NH3-N 浓度[6]。

1.3.3 亚硝态氮（NO2-N）测定 通过乙二胺分光光度法对NO2-N 进行测定[7]。

1.3.4 硝态氮（NO3-N）测定 通过紫外分光光度法对NO3-N 进行测定[8]。

1.3.5 溶解氧（DO）测定 通过TE-1910 型溶解氧含量检测仪对体系内DO 浓度进行测定[9]。

1.3.6 总氮（TN）测定 通过碱性K2S2O8消解紫外分光光度法测定TN[10]。

2 结果与讨论

2.1 厌氧反应器的启动

厌氧反应器主要作用是降解污水中的有机物，因此，可以通过COD 的去除率作为评价厌氧反应器启动的指标[11，12]。图2 为厌氧反应器去除COD 效果。

图2 厌氧反应器去除COD 效果Fig.2 COD removal effect of anaerobic reactor

由图2 可见，第一阶段，反应进行至38d 时，COD 去除率快速提升，至60d 时，COD 去除率基本达到最高点，此时COD 去除率约为74%，出水COD浓度约为87mg·L-1。第二阶段，实验天数到达95d时，COD 去除率开始出现回升，到110d 时达到最高点，此时出水COD 约为82mg·L-1，COD 去除率约为70%，后续出水COD 浓度和平均去除率只有小幅度波动，厌氧反应器启动成功。

2.2 短程硝化反应器

在短程硝化阶段，主要是对废水中的NH3-N 进行去除，因此，可以以NH3-N 去除率作为评价短程硝化反应器成功启动的指标[13]。图3 为NH3-N 和NO2-N 含量测试结果。

图3 短程硝化反应器运行情况Fig.3 Operation of shortcut nitrification reactor

由图3 可见，在第一阶段，出水NH3-N 浓度下降至52~58mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 浓度分别为0.3~0.8mg·L-1和87~95mg·L-1，NH3-N 转化率约为（62±1）%。证明第一阶段时，污泥中AOB 与NOB 的活性良好。当反应进行至第二阶段时，9~15d NH3-N转化率急速降低，仅有6%左右，直至17d 时才开始慢慢回升。这是因为在第二阶段调整曝气浓度后，容器内溶解氧浓度急速降低，这就抑制了AOB 与NOB 活性，使得NH3-N 转化效率降低。在低氧状态下，AOB 恢复活性的速率更快，这就导致了体系内出现亚硝酸盐累积的情况。反应至47d 时，出水NH3-N 浓度约为37.5mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 浓度分别为93mg·L-1和14.5mg·L-1，NH3-N 去除率约为74.5%，NH3-N 转化率表现良好。在反应的第三阶段，反应时间进行至60d 时，出水NH3-N 浓度约为4~6mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 浓度分别为34~38mg·L-1和4~6mg·L-1，NH3-N 转化率约为86.5%~92%。以上变化说明短程硝化反应器启动成功。

2.3 厌氧氨氧化反应

2.3.1 对NH3-N 的去除效果 图4 为废水中NH3-N的去除效果。

图4 NH3-N 去除效果Fig.4 Ammonia nitrogen removal effect

由图4 可见，在第一阶段，实验时间从1d 增加至15d 的过程中，出水NH3-N 浓度降低至11.5~14.5mg·L-1，去除率波动较大，在65%~77%之间。实验天数增长至26d 的过程中，出水NH3-N 浓度下降约为3.2mg·L-1。继续增加反应时间至第一阶段结束，NH3-N 去除率始终维持一个相对稳定的状态，在90%~93.5%之间波动。在第二阶段，NH3-N 去除率略低，但波动不大，这可能是因为初始NH3-N 浓度有一定降低。第二阶段，出水NH3-N 浓度范围和去除率分别为1.8~2.9mg·L-1和88%~92%。

2.3.2 NO2-N 去除 查阅相关资料，厌氧氨氧化反应NO2-N 与NH3-N 最佳比例为1.32∶1，因此，在进行厌氧氨氧化反应时，以该比例控制NO2-N 与NH3-N 浓度[14，15]。对厌氧氨氧化反应器去除NO2-N的效率进行测试，结果见图5。

图5 NO2-N 去除效果Fig.5 Nitrite nitrogen removal effect

由图5 可见，在实验开始进行至15d 时的过程中，NO2-N 浓度范围为11~12.5mg·L-1，去除率为76%~80%。反应进行至17d 时，NO2-N 浓度明显下降，到20d 时，去除率超过99%。

2.3.3 对TN 去除效果 图6 为体系内TN 含量。

图6 TN 去除效果Fig.6 Total nitrogen removal effect

由图6 可见，从反应开始进行至15d 时，出水TN 浓度范围为28.5~34mg·L-1，去除率为66.5%~71%。在第16d 时，TN 去除率开始大幅度提升，直到反应时间增加至33d 时，体系内TN 去除率超过90%，后续一直在87%~92%范围内浮动。反应结束时，出水平均TN 含量和去除率分别为7.5mg·L-1和92%，证明厌氧氨氧化反应器启动成功。

2.4 体系处理生活废水的效果

2.4.1 体系对COD 的去除效果 图7 为各反应器出水COD 含量。

由图7 可见，系统对COD 的去除从进水口的290mg·L-1左右直接降到出水口的35mg·L-1，低于一级排放A 标准的50mg·L-1要求，且厌氧出水队段始终保持在35mg·L-1以下，表现出良好的去除稳定性。

2.4.2 NH3-N 和TN 去除效果 图8 为各反应器出水中NH3-N 和TN 含量。

图8 NH3-N 和TN 去除效果Fig.8 Removal effect of ammonia nitrogen and total nitrogen

由图8（a）可知，经过UASB-PN-Anammox 体系处理后，厌氧氨氧化出水NH3-N 浓度低于2mg·L-1，对NH3-N 去除率超过99%。同时还可在图8（a）中看出，厌氧出水基本对体系内的NH3-N 没有去除作用，经过短程硝化后，部分NH3-N 转化为NO3-N 和NO2-N。污水进入厌氧氨氧化反应器后，进一步减低了污水内NH3-N 浓度，此时出水浓度满足国家一级排放A 标准。

由图8（b）可见，经过系统处理后，污水内TN 含量降低至10mg·L-1以下，对污水中TN 去除率达到了96%。厌氧出水反应器和短程硝化反应器对体系内TN 几乎没有去除作用，TN 的去除完全依靠最后一步进行。这是因为厌氧出水反应器主要作用是去除体系内的COD，基本不对体系内TN 含量产生影响。而短程硝化反应器则是将部分的NH3-N 转化为NO3-N 和NO2-N，仅起到氮形态转化的作用，基本不对体系内的TN 产生影响。经过处理后的污水TN含量低于10mg·L-1，达到一级排放A 标准要求。

2.5 与传统方法进行对比

通过与传统A2/O 方法进行对比，验证本实验构建的污水处理体系的可行性，结果见表1。

表1 工艺参数对比Tab.1 Comparison of process parameters

由表1 可见，本实验构建的UASB-PN-Anammox 体系在生活污水TN 去除方面表现良好，COD去除率也达到传统工艺的效果，可以在废水处理方面发挥重要作用。

3 结论

综上，本实验构建的污水处理体系可有效去除污水中的氮磷物质。具体结论如下：

（1）厌氧反应器出水COD 约为82mg·L-1，COD去除率约为70%，且基本维持平衡，厌氧反应器成功启动。

（2）短程硝化反应进行至60d 时，出水NH3-N浓度约为4~6mg·L-1，NO2-N 和NO3-N 浓度分别为34~38mg·L-1和4~6mg·L-1，NH3-N 转化率约为86.5~92%，短程硝化反应器稳定运行，实现了较为理想的短程硝化效果。

（3）厌氧氨氧化反应器出水NH3-N 浓度范围为1.8~2.9mg·L-1，去除率约为88%~92%；对NO2-N 去除率超过99%。

（4）UASB-PN-Anammox 体系的出水COD 始终保持在35mg·L-1以下；出水NH3-N 浓度低于2mg·L-1；出水TN 降低至10mg·L-1以下，达到国家一级排放A 标准。

（5）与传统厌氧废水处理工艺对比，本实验构建的污水处理体系的COD 去除率可以达到传统工艺的效果，在TN 处理方面表现出更大优势，可以在废水处理方面发挥作用。