新型ASBR-TFBF工藝的脫氮效能

我國(guó)目前面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，水體富營(yíng)養(yǎng)化是其中重要的問(wèn)題之一，氮是引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子，而傳統(tǒng)污水處理的運(yùn)行成本（如曝氣等）居高不下也在一定程度上限制了某些區(qū)域污水處理廠的普及。因此在經(jīng)濟(jì)節(jié)能的前提下完成污水中有機(jī)物和總氮的去除成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

潮汐流人工濕地是一種新型人工濕地，其運(yùn)行方式包括進(jìn)水-反應(yīng)-排空-閑置4個(gè)階段，在該運(yùn)行模式下周期性的復(fù)氧，能有效促進(jìn)污染物質(zhì)的去除。其原理是利用運(yùn)行過(guò)程中床體飽和浸潤(rùn)面瞬間變化產(chǎn)生的基質(zhì)孔隙水吸力將大氣氧強(qiáng)迫吸入床體，從而提高濕地床的氧傳輸量和氧氣有效利用率，實(shí)現(xiàn)并強(qiáng)化對(duì)污染物質(zhì)的去除。

關(guān)于曝氣生物濾池（BAF）的研究也廣泛地存在于國(guó)內(nèi)外，由于硝化菌的增長(zhǎng)速率較慢以及異養(yǎng)菌與其競(jìng)爭(zhēng)生存空間和溶解氧，因此該工藝也存在著有機(jī)碳嚴(yán)重限制硝化細(xì)菌進(jìn)行生化反應(yīng)的問(wèn)題，另外其曝氣運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，也限制了其應(yīng)用。

SBR工藝是通過(guò)在時(shí)間上的交替來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)活性污泥法的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，在流程上只有一個(gè)基本單元，將調(diào)節(jié)池、曝氣池和二沉池的功能集于一體，進(jìn)行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機(jī)物和固液分離等。其運(yùn)行過(guò)程為：進(jìn)水－曝氣－沉淀－排水－閑置，其運(yùn)行過(guò)程中仍需曝氣，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。

研究中采用新型缺氧SBR即ASBR和潮汐流生物濾池即TFBF組合工藝。該組合工藝吸納了潮汐流人工濕地的優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用到了生物濾池中，在底部設(shè)置曝氣盤(pán)，以便定時(shí)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行反沖洗，防止其堵塞。同時(shí)，組合工藝運(yùn)行過(guò)程中采用前置ASBR和后置TFBF將硝化和反硝化的功能區(qū)分開(kāi)，在ASBR中實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化的同時(shí)消耗掉大部分有機(jī)物，從而使得在后續(xù)的TFBF反應(yīng)器中異養(yǎng)好氧菌與自養(yǎng)硝化菌競(jìng)爭(zhēng)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)力下降，實(shí)現(xiàn)好氧硝化。對(duì)TFBF出水回流液進(jìn)入ASBR反應(yīng)器中的比例進(jìn)行改變，從而優(yōu)化出污染物去除率較高的最佳回流比，同時(shí)為了更深入地了解該新型反應(yīng)器的脫氮性能，對(duì)各個(gè)回流比下ASBR和TFBF反應(yīng)器周期內(nèi)污染物變化進(jìn)行了研究。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法
實(shí)驗(yàn)在西安市某高校污水處理廠實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)展，ASBR反應(yīng)器為長(zhǎng)30cm，寬20cm，高40cm的長(zhǎng)方體容器，除去超高，有效容積約18L，反應(yīng)時(shí)采用反應(yīng)器底部微型潛水泵進(jìn)行混勻攪拌；TFBF反應(yīng)器采用直徑15cm，高1.5m的有機(jī)玻璃圓柱體，除去超高和底部空間，有效容積23L，底部設(shè)有曝氣盤(pán)，自下而上依次填充15mm、8~10mm的火山巖濾料，填充高度分別為30、100cm，孔隙率為51.5%，故實(shí)際容水體積約為12L，工藝流程如圖1所示。

污水由原水桶首先進(jìn)入ASBR反應(yīng)器，反應(yīng)之后排入ASBR出水桶中，并經(jīng)水泵注入TFBF反應(yīng)器中，TFBF出水部分回流至ASBR反應(yīng)器中，其余排出，ASBR與TFBF反應(yīng)器每日均運(yùn)行6周期，每周期4h。ASBR單周期各階段運(yùn)行時(shí)間分別為進(jìn)水5min，反應(yīng)180min，靜置30min，排水5min，空置25min；TFBF分別為空置50min，進(jìn)水5min，反應(yīng)180min，排水5min。

1.2實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及監(jiān)測(cè)方法
研究中的原污水采用西安某高校生活污水，主要的水質(zhì)指標(biāo)：COD（181.32±21.15）mg/L，NH4+-N（30.36±2.12）mg/L，NO3--N（2.19±0.37）mg/L，TN（34.87±1.91）mg/L。在實(shí)驗(yàn)期間水溫介于12~19.8℃。監(jiān)測(cè)方法參考了《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第4版，COD采用回流法，NH4+-N用納氏試劑分光光度法，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法，NO3--N采用紫外分光光度法，DO采用WTWMulti3410便攜式儀器測(cè)定。

2結(jié)果與分析
不同回流比下（圖中豎線分開(kāi)的區(qū)域從左至右回流比依次為50%、100%、200%、300%）污染物在ASBR-TFBF工藝中的去除曲線如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，TFBF反應(yīng)器中NH4+-N去除效果與進(jìn)水NH4+-N濃度呈負(fù)相關(guān)，其原因主要是由于潮汐作用吸收進(jìn)反應(yīng)器的溶解氧有限，而進(jìn)水NH4+-N過(guò)高時(shí)TFBF反應(yīng)器中的氧氣供給不足，從而導(dǎo)致NH4+-N出水濃度高；隨著回流比的加大，ASBR反應(yīng)器出水中NH4+-N隨回流比的增大而減少，這主要是由于回流液稀釋作用所致。

而NO3--N濃度呈逐漸升高的趨勢(shì)，這主要是由于隨著回流比的加大，反應(yīng)器中的COD濃度較低造成碳源不足而影響到反硝化作用。

出水TN隨回流比增加而呈減少的趨勢(shì)，從TN變化曲線中也可看出其在TFBF反應(yīng)器中有所減少，這主要是TFBF反應(yīng)器中的生物膜中形成局部的缺氧環(huán)境中存在反硝化作用，但由于其進(jìn)水COD較低，因此TN去除量很�。�3~4mg/L）。

ASBR反應(yīng)器出水COD隨著回流比增大逐漸降低，而TFBF反應(yīng)器出水COD基本不隨回流比變化，其值較為穩(wěn)定，基本在25mg/L左右，從而說(shuō)明其抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

不同回流比條件下的NH4+-N、TN、COD去除率如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，NH4+-N去除率在各個(gè)回流比下依次為54.37%±1.74%、73.61%±2.96%、83.72%±2.23%、84.06%±1.57%，這主要是由于進(jìn)水濃度過(guò)高時(shí)NH4+-N的氧化受到限制，不能被完全氧化〔2〕。

TN去除率在各個(gè)回流比下依次為35.76%±2.89%、50.74%±2.56%、61.55%±3.04%、59.49%±2.33%，隨著回流比從50%~200%變化時(shí)，其去除率呈上升趨勢(shì)，YongzhiChen等〔3〕在研究A2/O-BAF組合工藝時(shí)，在控制回流比為100%~400%時(shí)，TN去除率呈上升趨勢(shì)，但是筆者研究中發(fā)現(xiàn)在回流比增至300%時(shí)去除率較回流比為200%時(shí)略有下降，這主要是由于在回流比為300%時(shí)，ASBR反應(yīng)器中的COD濃度過(guò)低，從而導(dǎo)致反硝化作用較差，出水NO3--N過(guò)高，而NO3--N占了出水TN的55%左右，因此TN去除率有所下降。

從圖中還可看出NH4+-N和TN的去除率隨回流比變化趨勢(shì)基本一致。COD去除率基本穩(wěn)定于85%左右，這主要是由于TFBF反應(yīng)器出水COD較為穩(wěn)定所致。總體而言在回流比為200%時(shí)各項(xiàng)污染物的去除效果達(dá)到最優(yōu)。

ASBR反應(yīng)器的不同回流比條件下單周期內(nèi)污染物變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4可見(jiàn)，在回流比為50%、100%、200%、300%下，其t=0時(shí)刻的COD分別為112、102、88、78mg/L左右，回流比為50%時(shí)，在100min后COD和NO3--N濃度基本穩(wěn)定，在回流比為100%~300%時(shí)COD和NO3--N濃度在120min后才趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明在ASBR反應(yīng)器中反硝化作用與初始COD相關(guān)。而氨氮濃度在ASBR中的整個(gè)周期反應(yīng)過(guò)程中無(wú)明顯變化，隨著回流比加大，t=0時(shí)刻的NO3--N濃度呈上升趨勢(shì)，其出水濃度也呈上升趨勢(shì)，這主要是由于隨著回流比的增大，反應(yīng)器中碳源不足所導(dǎo)致的反硝化作用進(jìn)行不完全所致。

不同回流比條件下TFBF反應(yīng)器中周期內(nèi)污染物變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，在進(jìn)水NH4+-N濃度隨著回流比增加而降低的條件下，該反應(yīng)器中NH4+-N去除效果呈上升趨勢(shì)。在圖中可以看出NH4+-N去除量與NO3--N生成量并不平衡，很多研究發(fā)現(xiàn)人工濕地對(duì)污水中NH4+-N的去除量與NO3--N和NO2--N的生成量不能平衡，而對(duì)NH4+-N去除的主要途徑眾說(shuō)不一，如D.Austin等〔4〕提出在接觸時(shí)NH4+-N吸附在帶負(fù)電的濾料介質(zhì)中，在空置時(shí)與氧氣接觸進(jìn)行硝化作用，而在筆者研究中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，另外在TFBF反應(yīng)器中可能存在局部反硝化作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在回流比為50%時(shí)，t=0時(shí)刻N(yùn)O3--N>2mg/L，而其進(jìn)水NO3--N<1mg/L，這說(shuō)明在TFBF反應(yīng)器空置時(shí)對(duì)濾料上吸附的部分NH4+-N進(jìn)行了硝化作用，在剛進(jìn)水后便有部分硝化后的NO3--N溶進(jìn)水中，從而導(dǎo)致t=0時(shí)刻N(yùn)O3--N濃度便比其進(jìn)水中濃度有所上升，但隨著回流比的增大，這種現(xiàn)象呈減弱趨勢(shì)，如在回流比300%，t=0時(shí)刻的NO3--N為2.5mg/L左右，與其進(jìn)水中的濃度基本一致。從這一現(xiàn)象可以看出不同的進(jìn)水NH4+-N濃度也會(huì)影響濾料對(duì)其吸附量，如在回流比50%時(shí)，進(jìn)水NH4+-N處于22mg/L左右，所以NH4+-N的去除分為充水時(shí)硝化、吸附+空置時(shí)硝化兩部分，而回流比為300%時(shí)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)水NH4+-N約為12mg/L，在此條件下的吸附作用可能不強(qiáng)，從而使得空置硝化作用就相對(duì)較弱，另有學(xué)者研究表明通過(guò)硝化作用，濾料的吸附能力可以再生。

DO濃度沿時(shí)逐漸降低，同時(shí)NH4+-N濃度也逐漸降低，在充水后，反應(yīng)器中由潮汐作用吸入的氧氣以氣泡形式截留于濾料空隙中，在硝化反應(yīng)的過(guò)程中能向水中提供部分DO。Y.S.Hu等在研究潮汐流人工濕地的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)空置時(shí)間由10min增至120min時(shí)NH4+-N去除明顯增加，由此說(shuō)明潮汐流人工濕地空置時(shí)所發(fā)生的硝化作用很重要，在筆者研究中每個(gè)周期中TFBF反應(yīng)器的空置時(shí)間均為50min，在下一步的研究中可以探討在不同空置時(shí)間下的NH4+-N去除效果。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3結(jié)論
（1）通過(guò)改變回流比對(duì)新型ASBR-TFBF工藝脫氮性能進(jìn)行優(yōu)化，在完全未曝氣且回流比為200%的條件下，新型ASBR-TFBF工藝對(duì)西安某高校生活污水的處理中對(duì)NH4+-N、COD、TN的去除率分別能達(dá)到84%、86%、61%。

（2）在原水中COD、NH4+-N、TN分別為（181.32±21.15）mg/L、（30.36±2.12）mg/L、（34.87±1.91）mg/L的條件下，回流比分別為50%、100%、200%時(shí)NH4+-N和TN去除率隨回流比增大而增大，而出水NO3--N濃度略有上升，在回流比為300%時(shí)TN去除率略有下降；COD去除率基本不隨回流比變化而變化，穩(wěn)定于85%左右，其出水COD在25mg/L左右。

（3）各個(gè)回流比周期內(nèi)污染物變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TFBF對(duì)NH4+-N的去除可能由充水硝化、吸附+空置硝化兩部分構(gòu)成，且其作用受進(jìn)水NH4+-N濃度影響，在回流比增大時(shí)（即進(jìn)水NH4+-N濃度降低）其空置硝化作用有減弱趨勢(shì)。