大量氮素進(jìn)入受納水體是造成富營(yíng)養化的主要原因之一。隨著(zhù)2007年太湖藍藻事件的發(fā)生，污水處理廠(chǎng)擴建及提標改造在全國范圍內拉開(kāi)了帷幕。據統計數據顯示，擴建及提標改造關(guān)注的指標主要包括SS、總磷、總氮。其中，可以通過(guò)增設砂濾池、濾布濾池等過(guò)濾單元達到深度去除SS的目的，可以采取化學(xué)強化除磷手段確保出水總磷穩定達標。但截至目前，研究人員尚未發(fā)現適用于大規模工業(yè)運行需求的物化脫氮技術(shù)，而傳統低成本的生物技術(shù)仍是當前污水脫氮的首選。

生物脫氮技術(shù)主要包括氨化反應、硝化反應和反硝化反應。其中，氨化反應機理為氨化菌在有氧或無(wú)氧條件下將有機氮轉化為NH4+-N；硝化反應機理是利用亞硝化菌與硝化菌在有氧和無(wú)機碳源參與下將氨氮氧化為NO3--N；反硝化反應機理為反硝化菌利用有機碳源在缺氧環(huán)境下將NO3--N逐級還原為N2，從而完成脫氮過(guò)程。但據統計，我國城市污水C/N值普遍介于3.8~8.5之間，屬于典型低C/N值污水，采用傳統生物脫氮技術(shù)往往會(huì )因為有機碳源不足而使得反硝化階段缺乏能量及電子供體，導致反硝化反應進(jìn)行不徹底，造成總氮去除率較低。

此外，從上述反應機理還可以看出，NO3--N也是實(shí)現生物脫氮的重要基質(zhì)，該基質(zhì)濃度水平與內回流比直接相關(guān)。而反硝化反應階段的DO濃度水平對氮素的去除有顯著(zhù)影響，高濃度DO會(huì )與硝酸鹽競爭電子供體，同時(shí)也會(huì )抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，對總氮的去除產(chǎn)生抑制作用，從而嚴重影響水環(huán)境質(zhì)量的改善。高效生物脫氮已成為水處理領(lǐng)域的難點(diǎn)，因此備受研究人員和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

鑒于此，筆者在改良型A2/O工藝基礎上，針對低C/N值城市污水，在具體工程實(shí)例中探討了內回流比與DO濃度對生物脫氮效果的影響，并采取輔助外加碳源的方式進(jìn)一步強化出水氮素指標的可控性，從而為低C/N值污水在實(shí)際生產(chǎn)運行中的優(yōu)化控制提供參考。

1、材料與方法

1.1 工程概況

重慶市某污水處理廠(chǎng)設計規模為6×104m3/d，采用改良型A2/O+V型砂濾池工藝，工程占地7hm2（含擴建用地），總投資約3.5億元，出水水質(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB18918―2002）一級A標準，具體工藝流程如圖1所示。

該污水處理廠(chǎng)尾水的受納水體為長(cháng)江，為切實(shí)改善長(cháng)江上游水環(huán)境質(zhì)量，該污水處理廠(chǎng)于2019年6月完成了擴建及提標改造，但由于受內回流基質(zhì)不足、DO控制不合理、進(jìn)水C/N值長(cháng)期偏低、反硝化不徹底的影響，導致經(jīng)改造后的污水處理廠(chǎng)出水總氮可控性仍然較差，長(cháng)期維持在11.9~14.4mg/L之間，已接近一級A標準限值，存在嚴重的水質(zhì)超標風(fēng)險。

1.2 試驗方法

對改良型A2/O工藝進(jìn)行強化生物脫氮性能研究。首先穩定每種工況下的好氧區尾端DO濃度均一致，調整內回流比，探討內回流比對生物脫氮效果的影響；其次穩定每種工況下內回流比均一致，調整好氧區尾端DO濃度，探討DO濃度對生物脫氮效果的影響。具體工藝運行條件見(jiàn)如表1所示，其中各工況的污泥回流比均為60%~70%，污泥濃度為4000~5000mg/L。在上述最優(yōu)內回流比與DO濃度基礎上，輔以外加碳源的方式進(jìn)一步強化氮素指標的可控性。

試驗期間進(jìn)水BOD5為91~197mg/L，總氮為32.2~39.7mg/L，氨氮為22.1~31.4mg/L，C/N值為2.61~5.37。試驗所用有機碳源為食品級葡萄糖，葡萄糖含量（以干物質(zhì)計）≥99.5%，干燥失重≤10%，比旋光度為+52.0°~+53.5°，pH值為4.0~6.5，氯化物含量≤0.01%，硫酸灰分≤0.25%。1.3分析項目及檢測方法COD采用重鉻酸鉀法測定，BOD5采用生化需氧量分析儀測定，NH3-N采用納氏試劑比色法測定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，DO采用熒光法測定，NO3--N采用離子選擇電極法測定。

2、結果與討論

2.1 內回流比對氮素去除效果的影響

不同內回流比下對氮素的去除效果如圖2所示?？梢钥闯?，5種工況下出水總氮平均濃度分別為14.2、13.6、12.9、12.1、13.7mg/L。工況Ⅰ~Ⅳ的出水總氮濃度隨著(zhù)內回流比的增大呈現緩慢下降的趨勢。工況Ⅳ中總氮濃度最低降至11.7mg/L，總氮平均去除率為65.6%，相比工況Ⅰ提高了7.2%。但在工況Ⅴ中，隨著(zhù)內回流比的進(jìn)一步增加，出水總氮卻呈現急劇反彈的趨勢，濃度最高達到14.4mg/L，總氮平均去除率降至61.7%。

分析原因，隨著(zhù)內回流比的增大，進(jìn)入缺氧區的NO3--N逐漸增加，參與反硝化反應的基質(zhì)濃度呈上升趨勢，大量NO3--N轉化為N2，達到了脫氮目的，使得出水總氮濃度下降。當內回流比為300%時(shí)，大量硝化液攜帶DO進(jìn)入缺氧區，提升了缺氧區DO濃度，破壞了反硝化所需的缺氧環(huán)境，導致硝酸鹽還原酶的合成及其活性受到抑制，反硝化反應受到嚴重影響。

圖3為缺氧區DO濃度隨內回流比的變化?？梢钥闯?，工況Ⅰ～Ⅳ中缺氧區DO濃度約為0.1mg/L，滿(mǎn)足反硝化脫氮所需的缺氧條件，但工況Ⅴ的缺氧區DO濃度最高升至0.65mg/L，對反硝化脫氮產(chǎn)生了抑制作用。

5種工況條件下，出水氨氮濃度較穩定，數值均低于國標檢出限（0.05mg/L），說(shuō)明內回流比對出水氨氮影響較小。究其原因，主要是因為氨氮的轉化場(chǎng)所主要集中在好氧區域，而內回流比僅對缺氧區DO產(chǎn)生影響，只要好氧區DO充足，出水氨氮將不會(huì )受到影響。試驗期間，出水氨氮平均去除率均維持在99%以上。綜上所述，當內回流比為275%時(shí)，出水總氮平均濃度能維持在12.1mg/L左右，平均去除率為65.6%，氨氮濃度低于國標檢出限。為此，從兼顧總氮與氨氮的角度出發(fā)，需要繼續對DO進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 DO對氮素去除效果的影響

不同DO下對氮素的去除效果如圖4所示?？梢钥闯?，5種工況下出水總氮平均濃度分別為11.9、11.2、11.8、12.9、14.4mg/L。工況A～E中，出水總氮濃度隨著(zhù)DO的增大呈現先下降后上升的趨勢，尤其是工況E，其出水總氮最高為14.6mg/L，接近一級A標準限值。從水質(zhì)標準與工藝管控要求出發(fā)，立即終止工況E的試驗，并將DO濃度重新優(yōu)化為1.2～1.5mg/L，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的運行后發(fā)現，出水總氮濃度重新降至11.0mg/L左右，平均去除率維持在67%左右。5種工況下，出水氨氮的平均濃度分別為3.01、0.48、0.05、0.05、0.05mg/L。工況A～E中，隨著(zhù)DO的增大，出水氨氮濃度呈現急劇下降的變化趨勢，到工況B后期，逐漸趨于穩定，濃度維持在0.05mg/L以下，去除率穩步升至99.8%以上。

分析原因，工況A條件下，由于DO過(guò)低，導致好氧區硝化反應受到抑制，氨氮轉化受到影響，使得出水氨氮濃度較高，最高升至3.23mg/L，接近一級A標準限值的2/3；工況B條件下，隨著(zhù)DO濃度的升高，硝化反應進(jìn)展順暢，好氧區NO3--N濃度呈現穩步上升的趨勢，出水氨氮下降趨勢明顯；從工況C開(kāi)始，由于進(jìn)一步提升了DO濃度，雖然出水氨氮濃度能維持在較低水平，且顯著(zhù)優(yōu)于一級A排放標準，但過(guò)高的DO濃度會(huì )隨內回流硝化液進(jìn)入缺氧區，從而打破缺氧區低DO狀態(tài)，對反硝化反應造成嚴重影響，導致出水總氮惡化。

2.3 碳源的使用情況

碳源是微生物進(jìn)行反硝化脫氮的必備要素，可為反硝化提供源源不斷的電子供體，對凈化污水具有重要影響。我國城市污水的C/N值普遍偏低，碳源不足，導致氮素去除率較低。根據污水處理廠(chǎng)多年的實(shí)際運行經(jīng)驗，當C/N值大于8時(shí)，才能滿(mǎn)足反硝化所需碳源要求。但本工程中C/N值長(cháng)期介于2.5~5.5之間，屬于典型低C/N值污水，僅僅依靠原水碳源無(wú)法穩定實(shí)現生物脫氮，需要輔以外加碳源的方式來(lái)強化對氮素的深度去除。

在內回流比為275%、好氧區尾端DO濃度為1.2~1.5mg/L條件下，通過(guò)輔以外加碳源的方式進(jìn)一步強化氮素指標的可控性，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，工況a（碳源投加量為400kg/d）條件下，出水總氮僅能勉強控制在一級A標準范圍內，若出現水質(zhì)、水量沖擊，存在出水水質(zhì)超標風(fēng)險。工況b（碳源投加量為600kg/d）和工況c（碳源投加量為800kg/d）條件下，出水總氮呈現輕微下降的趨勢，但濃度仍接近一級A標準限值的2/3，指標可控性仍然不理想。工況d（碳源投加量為1000kg/d）條件下，出水總氮平均濃度降至9.20mg/L，出水氨氮的平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標顯著(zhù)優(yōu)于一級A排放標準。分析可知，試驗所用葡萄糖的COD當量為932mg/L，以前述工況b下經(jīng)穩定運行后的出水總氮平均濃度作為背景值，將總氮降至9.20mg/L，下降濃度約為2mg/L，按照目前污水處理廠(chǎng)水量負荷約67%計算，每去除1mg/L總氮需投加的葡萄糖為11.6mg/L。按照葡萄糖市場(chǎng)價(jià)格約4400元/t計算，每處理1m3污水對成本的貢獻僅為0.11元，且對出水指標能實(shí)現更加穩健的控制。

外加碳源對COD去除效果的影響如圖6所示?？梢钥闯?，受各工況下碳源投加量的影響，試驗期間進(jìn)水COD波動(dòng)較大，但出水COD均能穩定維持在15mg/L以下，去除率高達94.9%～98.0%，未受明顯影響。說(shuō)明外加碳源均能被微生物充分利用，不會(huì )對出水水質(zhì)造成負面影響。

3、結論

①適當增大內回流比有利于提高總氮去除率，但內回流比過(guò)高會(huì )使硝化液攜帶大量DO進(jìn)入缺氧區，不利于反硝化反應的進(jìn)行。降低DO濃度有利于去除總氮，但會(huì )抑制好氧區的硝化反應，氨氮轉化受到影響。

②本試驗確定的適宜內回流比為275%、適宜DO為1.2~1.5mg/L。在輔以外加碳源的情況下，出水總氮的平均濃度可降至9.20mg/L，氨氮平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標顯著(zhù)優(yōu)于一級A排放標準。

③外加碳源不會(huì )對出水COD產(chǎn)生明顯影響，說(shuō)明碳源均能被微生物充分利用。外加碳源對成本的貢獻僅為0.11元/m3，且能夠更加穩健地控制出水指標，有效促進(jìn)了成本與水質(zhì)的雙贏(yíng)。（來(lái)源：重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶市三峽水務(wù)渝北排水有限責任公司，長(cháng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院）