目前，我國很多污水處理廠均采用A2/O工藝進(jìn)行污水生物處理[1].但由于A2/O工藝自身存在碳源競(jìng)爭(zhēng)、 硝酸鹽以及泥齡等問題使其在實(shí)際運(yùn)行中很難實(shí)現(xiàn)高效同步脫氮除磷效果[2, 3].為提高A2/O工藝脫氮除磷效果，研究者提出倒置A2/O、 改良式A2/O等工藝，以及化學(xué)除磷、 補(bǔ)充碳源、 添加生物填料等輔助手段[4~7].對(duì)實(shí)際運(yùn)行污水處理廠而言，通過投加混凝劑可迅速提高除磷效果，而脫氮仍是一個(gè)難題.

　　生物脫氮過程中需要自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌兩類不同微生物參與，它們對(duì)有機(jī)物濃度、 DO、 pH值要求均不同，導(dǎo)致在A2/O工藝實(shí)際運(yùn)行過程中，污泥回流比、 混合液回流比、 進(jìn)水水質(zhì)、 溫度等因素對(duì)脫氮效果產(chǎn)生重要影響[8,9,10,11].為獲得良好的脫氮效果，研究者從各種模型入手來調(diào)控污水廠的運(yùn)行參數(shù)[12, 13].其中，最為著名的IWA模型較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用困難[14, 15].因此，尋求一種快速，簡(jiǎn)便適用的手段是很多污水廠面臨的實(shí)際問題.

　　本研究以武漢市龍王嘴污水處理廠實(shí)際處理工藝為原型建立中試裝置，從氮平衡分析入手，采用理論分析與實(shí)際運(yùn)行相結(jié)合的方式，分析不同進(jìn)水條件下，如何調(diào)整污泥濃度、 污泥回流比及混合液回流比來使出水TN達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，以期為實(shí)際污水處理廠高效脫氮運(yùn)行提供借鑒.

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行參數(shù)

　　本試驗(yàn)所用中試裝置以龍王嘴污水處理廠現(xiàn)有工藝為原型，原設(shè)計(jì)處理水量為24 t ·d-1.反應(yīng)器材質(zhì)為鋼板，總?cè)莘e為12.92 m3，有效水深1.0 m，超高0.5 m，原設(shè)計(jì)選擇池、 厭氧池、 缺氧池及好氧池HRT分別為0.5、 1.0、 1.5和5.5 h. 本試驗(yàn)進(jìn)水為設(shè)計(jì)處理水量的80%，其各部分的實(shí)際HRT見圖1中說明.

　　①選擇池(HRT=0.625 h); ②厭氧池(HRT=1.25 h); ③缺氧池(HRT=1.875 h); ④好氧池(HRT=6.875 h); ⑤二沉池(HRT=2.5 h)

　　圖1 中試試驗(yàn)裝置示意

　　中試裝置進(jìn)水為龍王嘴污水處理廠渦流沉砂池出水，其中20%進(jìn)水與回流污泥混合進(jìn)入選擇池，將污泥中硝酸鹽進(jìn)行反硝化，另外80%進(jìn)水直接進(jìn)入?yún)捬醭兀旌弦簭暮醚醭氐?個(gè)廊道末端回流至缺氧池.好氧池采用漸減曝氣方式，水溫在15℃以上時(shí)，末端DO平均值在4mg ·L-1左右，水溫在15℃以下時(shí)，提高曝氣強(qiáng)度，末端DO在7mg ·L-1以上. 1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

　　試驗(yàn)水質(zhì)情況為COD 150~350 mg ·L-1，SS 100~350 mg ·L-1，NH+4-N 10~20 mg ·L-1，TN 20~40 mg ·L-1，TP 2~7 mg ·L-1，pH 6~9. 1.3 試驗(yàn)方法

　　本研究在試驗(yàn)初期對(duì)A2/O工藝氮平衡建立理論模型，根據(jù)此模型調(diào)整相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，使其在實(shí)際進(jìn)水條件下出水TN達(dá)到一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)[16]. 1.4 測(cè)試方法

　　NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 TN、 COD、 SV、 MLSS、 MLVSS等均按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[17]; DO采用HQ30便攜式溶解氧儀(HACH)測(cè)定.

　　2 結(jié)果與分析 2.1 A2/O工藝氮平衡模型的建立

　　A2/O工藝中N的遷移轉(zhuǎn)化途徑如圖2所示.據(jù)此可建立N的物料平衡方程：

　　圖2 A2/O工藝氮物料平衡示意

　　為簡(jiǎn)化模型，作如下7點(diǎn)假設(shè)：

　　(1)進(jìn)水TN在好氧區(qū)經(jīng)充分氧化后幾乎全部轉(zhuǎn)化為NO-3-N，出水NH+4-N一般小于1mg ·L-1，可取1mg ·L-1.

　　(2)好氧池中MLVSS/MLSS取值為0.5.

　　(3)二沉池出水SS一般在10~20 mg ·L-1之間，通過出水SS去除的有機(jī)氮最小值可按10 mg ·L-1×0.5×0.12=0.6 mg ·L-1計(jì).

　　(4)龍王嘴污水處理廠出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TN≤15 mg ·L-1.

　　(5)進(jìn)水TN與進(jìn)水COD同步增減，TN≤ 20 mg ·L-1時(shí)，污泥齡θC取25 d，進(jìn)水20 mg ·L-1≤ TN<30 mg ·L-1時(shí)，θC取15~20 d; 當(dāng)進(jìn)水TN≥ 30 mg ·L-1時(shí)(尤其當(dāng)TN≥ 35 mg ·L-1時(shí)，此時(shí)進(jìn)水溫度較低，一般在15℃以下，生物活性顯著降低)，θC取20~25 d.

　　(6)脫氮碳源充足，缺氧池對(duì)NO-3-N的去除率高達(dá)90%(但當(dāng)進(jìn)水TN≥ 30mg ·L-1時(shí)，一般處于

　　冬季，此時(shí)水溫較低，反硝化去除率在50%以上)，系統(tǒng)中不存在同步硝化反硝化作用.

　　(7)通過排出剩余污泥排出的TN主要指污泥中的有機(jī)氮，忽略剩余污泥排出的NH+4-N和NO-3-N.

　　若生物池體積為V(m3)，設(shè)計(jì)處理水量為Q(m3 ·d-1)，污泥濃度為X(mg ·L-1)，回流污泥濃度為

　　XR(mg ·L-1)，污泥齡為θC(d)，c為出水中NO-3-N的含量(mg ·L-1)，TN為進(jìn)水總氮含量，污泥回流比為R1，混合液回流比為R2(見圖3)，r為缺氧池的反硝化去除率，進(jìn)水中TN的含量Ni則可以得到：

　　圖3 A2/O工藝脫氮各單元參數(shù)示意

　　剩余污泥量為：

　　生物池水力停留時(shí)間延長(zhǎng)至10.6 h，即0.44 d(見圖1)，通過剩余污泥排放的有機(jī)氮為：

　　在圖3所示節(jié)點(diǎn)1處存在以下生物量物料平衡關(guān)系式：

　　由此推出：

　　剩余污泥的流量為：

　　通過排出剩余污泥所排出的NH+4-N和NO-3-N為：

　　QWQ，根據(jù)假設(shè)(7)，可以得到下列關(guān)系：

　　由式(2)~(4),(6)和(10)得出：

　　令R=R1+R2為總回流比(R≥ 0.5)，當(dāng)R≤ 1時(shí)，此時(shí)R1=R，R2=0; 當(dāng)R>1時(shí)，此時(shí)R1=100%，R2=(R-1).根據(jù)上述假定，在不同進(jìn)水TN、θC 及反硝化去除率(50%~90%)作用下，計(jì)算在不同X(絮狀污泥MLSS一般在3000~7000 mg ·L-1之間)時(shí)對(duì)應(yīng)的R值(見表1).

　　表1 不同運(yùn)行參數(shù)時(shí)R值

　　根據(jù)表1并結(jié)合中試進(jìn)水水質(zhì)(TN濃度)及調(diào)試運(yùn)行方便，反應(yīng)器可以按以下4個(gè)工況運(yùn)行.

　　工況一：進(jìn)水TN在25mg ·L-1以下，水溫一般較高，此時(shí)可取MLSS在3000mg·L-1左右，污泥回流比為50%，硝化液回流比為0.

　　工況二：進(jìn)水TN在25~30mg ·L-1，水溫一般較高，此時(shí)可取MLSS在4000mg·L-1左右，污泥回流比100%，硝化液回流比為0.

　　工況三：進(jìn)水TN在30~35mg ·L-1，水溫一般較低，此時(shí)可取MLSS在6000mg·L-1左右，污泥回流比100%，硝化液回流比為100%.

　　工況四：進(jìn)水TN在35mg ·L-1以上，水溫偏低，此時(shí)可取MLSS在7000mg·L-1左右，污泥回流比100%，硝化液回流比為200%或更高.

　　通過調(diào)試中試試驗(yàn)裝置在4個(gè)工況下的運(yùn)行狀況，不僅可以驗(yàn)證脫氮模型假定和算法的合理性，更重要之處在于可以為龍王嘴污水處理廠在不同進(jìn)水條件下提供合理最佳回流運(yùn)行方案，達(dá)到穩(wěn)定脫氮效果. 2.2 A2/O工藝氮平衡模型的中試驗(yàn)證 2.2.1 工況一試驗(yàn)

　　2012年5月13日~6月30日和2012年8月4日~8月27日期間，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)平均值如下：COD221.2 mg ·L-1，SS224.5 mg ·L-1，TN 24.3 mg ·L-1(在25mg ·L-1以下)，NH+4-N 14.1 mg ·L-1，NO-3-N 1.2 mg ·L-1，TP 5.1 mg ·L-1，水溫 23℃±2℃.該工況共運(yùn)行72 d，運(yùn)行參數(shù)為：污泥回流比50%，生物反應(yīng)池平均MLSS為3734 mg ·L-1，MLVSS/MLSS比值約為0.48，污泥齡為20.8 d. 在該工況下，出水COD和SS平均值分別為21.1 mg ·L-1和11.2 mg ·L-1，平均去除率分別達(dá)到89.6%和93.5%; 出水NH+4-N平均值為0.4 mg ·L-1，平均去除率達(dá)到96.9%，出水NO-3-N相對(duì)較高，平均值為11.0 mg ·L-1，出水TN平均值11.7 mg ·L-1，主要來自于NO-3-N，平均去除率達(dá)到51.5%，采樣點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為94.9%.出水TN和NH+4-N優(yōu)于國家一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，由此可見，該工況下模型預(yù)測(cè)可靠有效. 2.2.2 工況二試驗(yàn) 2012年7月1日~7月31日期間，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)平均值如下：COD224.6mg ·L-1，TN26.0mg ·L-1，NH+4-N 16.0 mg ·L-1，NO-3-N 1.2mg ·L-1，TP 5.2 mg ·L-1，水溫 27℃±2℃.該工況共運(yùn)行31 d，其運(yùn)行參數(shù)為：污泥回流比100%，生物反應(yīng)池平均MLSS為4151 mg ·L-1，MLVSS/MLSS比值約為0.48，污泥齡為15.6 d.

　　在該工況下，出水COD平均值為21.0 mg ·L-1，平均去除率達(dá)到90.4%; 出水NH+4-N平均值0.3 mg ·L-1，平均去除率達(dá)到98.4%，優(yōu)于國家一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn); 出水NO-3-N相對(duì)較高，平均值為10.2 mg ·L-1; 出水TN平均值10.9 mg ·L-1，主要來自于NO-3-N，平均去除率達(dá)到57.9%，TN達(dá)標(biāo)率為100%，優(yōu)于國家一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn).由此可見，該工況下模型預(yù)測(cè)也可靠有效. 2.2.3 工況三試驗(yàn)

　　2012年10月19日~2013年1月16日期間，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)平均值如下：COD 275.4mg ·L-1，SS 265.5mg ·L-1，TN 34.1mg ·L-1，NH+4-N 16.2mg ·L-1，NO-3-N 1.0mg ·L-1，TP 5.1mg ·L-1，水溫 5~15℃之間.該工況共運(yùn)行90 d，其運(yùn)行參數(shù)為：污泥回流比100%，混合液回流比100%，生物反應(yīng)池平均MLSS為7000 mg ·L-1，MLVSS/MLSS比值約為0.48，污泥齡為23.5 d.

　　運(yùn)行過程中為保證系統(tǒng)脫氮效果，在不同溫度下及時(shí)調(diào)控MLSS，試驗(yàn)調(diào)整情況及平均進(jìn)水水質(zhì)詳見表2和表3.

　　表2 取樣序號(hào)與工況運(yùn)行參數(shù)

　　表3 中試裝置出水指標(biāo)值　　

　　該工況運(yùn)行期間，出水COD和SS平均值分別為26.0 mg ·L-1和13.8 mg ·L-1，平均去除率分別為90.0%和94.4%.當(dāng)水溫在10~15℃之間,平均MLSS為4558 mg ·L-1，好氧末端DO在4mg ·L-1左右時(shí)，出水TN達(dá)標(biāo)效率僅為52%，提高M(jìn)LSS到6000 mg ·L-1以上，好氧末端DO到7 mg ·L-1以上時(shí)，出水TN達(dá)標(biāo)率顯著提高，這一結(jié)果與張智等[18]報(bào)道一致.當(dāng)水溫低于10℃,并接近5℃，即使維持系統(tǒng)MLSS在7000 mg ·L-1以上，好氧末端DO到7 mg ·L-1以上時(shí)，出水TN達(dá)標(biāo)效率也僅為67%.當(dāng)水溫低于10℃,但很接近10℃，此時(shí)維持MLSS和好氧末端DO分別在7000 mg ·L-1和7mg ·L-1以上，出水TN 具有較高的達(dá)標(biāo)效率.由此看出，該工況下模型預(yù)測(cè)也較可靠有效.

　　對(duì)照表1 和表3 分析看出，水溫較低時(shí)，硝化效率通過提高好氧段曝氣強(qiáng)度得到改善(出水NH+4-N平均值在1 mg ·L-1以下)，而反硝化效率較低，為獲得較好脫氮效果應(yīng)適當(dāng)提高R值.因此，當(dāng)污泥和混合回流比均維持在100%時(shí)，脫氮效果欠佳.

　　另外，3個(gè)工況下中試出水TP平均值為1.0mg ·L-1左右，不能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，建議輔以化學(xué)除磷手段.

　　在整個(gè)中試試驗(yàn)期間，進(jìn)水COD/TN平均值為8.75，脫氮碳源充足[19,20]，在工況一和工況二試驗(yàn)中，沒有進(jìn)行硝化液回流，因此，降低了缺氧池DO上升的可能，故不會(huì)消耗太多碳源[21,22]，創(chuàng)造了有利于反硝化的條件，從而獲得良好的脫氮效果; 在工況三試驗(yàn)中，水溫對(duì)脫氮效果產(chǎn)生了顯著影響，增大好氧段曝氣量和提高M(jìn)LSS一定程度上有利于脫氮效果的提高.

　　由于在實(shí)際運(yùn)行過程中TN濃度基本維持在35mg ·L-1以下，因此缺乏對(duì)工況四的驗(yàn)證試驗(yàn).但根據(jù)前3個(gè)工況試驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果可以做如下推測(cè)：溫度在接近且低于10℃ 與15℃ 之間時(shí)，只要保證足夠DO和MLSS一定可以達(dá)到理想的脫氮效果; 但當(dāng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10℃ 并可能在5℃ 以下，維持較高DO和MLSS難以使出水氮達(dá)標(biāo)，必須將混合液回流比提高到比該工況要求更高的混合液回流比(參照表1中的上限值).

　　3 結(jié)論

　　綜上所述，在3種工況試驗(yàn)條件下，模型能較好適應(yīng)實(shí)際情況的變化.