隨著新疆農(nóng)村人口數(shù)量增加及農(nóng)牧行業(yè)的發(fā)展，該地區(qū)生活用水的需求越來越大，生活污水排放量也急劇增加。生活污水產(chǎn)生高含量的氮、磷等營養(yǎng)元素，直接排放將導(dǎo)致農(nóng)村環(huán)境水體的惡化。直接排放的污水已經(jīng)成為新疆地區(qū)水環(huán)境污染的重要來源。農(nóng)村污水水質(zhì)具有成分簡單、可生化性好的特點，因此開發(fā)適用于農(nóng)村生活污水水質(zhì)的處理技術(shù)，成為當前需要重點解決的問題。

　　目前生活污水處理的工藝包括序批式活性污泥法(SBR)、厭氧 - 缺氧 - 好氧(A/A/O)和生物濾池等，但都由于農(nóng)村污水的污染源分散、水量變化較大和收集困難等原因，難以在農(nóng)村地區(qū)推廣。氧化溝(OD)工藝因其具有成本低、靈活性強和抗沖擊性能等優(yōu)勢，在污水處理工藝中應(yīng)用廣泛。氧化溝工藝主要利用裝置內(nèi)溶解氧(DO)在水流沿程的衰減程度來實現(xiàn)反應(yīng)器在空間上厭氧、好氧及缺氧的分布情況，最終完成同步脫氮除磷。國內(nèi)外對于氧化溝工藝運行的影響因素，如 DO、碳氮比、pH、曝氣、水力停留時間(HRT)等進行了基礎(chǔ)的研究。但是這些研究中針對 HRT 在深度脫氮除磷和工藝控制方面的研究均不夠深入和廣泛。

　　HRT 是影響活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷性能及微生物種群分布的重要因素，主要是對 COD 的降解和硝酸鹽的釋放以及好氧硝化和磷的去除產(chǎn)生影響。因此，探討 HRT 對氧化溝工藝的影響對于提升運行效果、確定工藝的最優(yōu)運行參數(shù)具有重要意義。

　　本研究基于氧化溝裝置進行改進，借助于氧化溝底部曝氣管的合理設(shè)置，在反應(yīng)器內(nèi)形成缺氧 -厭氧 - 好氧分布，從而改善微生物群落的分布，進而提高氧化溝裝置的污染物降解能力。以模擬污水為研究對象，考察不同 HRT 對反應(yīng)器中 COD、NH +-N和 TP 去除的影響，分析不同 HRT 對出水水質(zhì)的影響，從而確定氧化溝工藝的優(yōu)化運行參數(shù)，提高氧化溝工藝對污水中氮和磷等污染物的去除效率，為氧化溝工藝應(yīng)用于處理實際生活污水提供科學(xué)依據(jù)。

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗裝置

　　實驗裝置采用自行設(shè)計的氧化溝，見圖 1。

圖 1  氧化溝工藝流程

　　反應(yīng)器以有機玻璃為材料，有效體積為 40 L，具體尺寸為 0.8 m×0.2 m×0.35 m，有效水深為 250mm。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有潛水泵進行泥水混合。混合液從曝氣池溢流至沉淀池固液分離。系統(tǒng)采用蠕動泵完成連續(xù)進水和污泥回流，并利用流量計實現(xiàn)曝氣量流速控制。通過底部曝氣管的合理設(shè)置，在反應(yīng)器沿程呈現(xiàn)厭氧 - 缺氧 - 好氧的空間分布。同時利用工藝有效的內(nèi)循環(huán)，使反應(yīng)器作為好氧厭氧一體化工藝運行。

　　1.1 實驗條件

采用人工配水，設(shè)定進水 COD 平均為 300 mg/L， NH +-N、TP 的質(zhì)量濃度分別為 40、3 mg/L。COD 和 NH +-N 分別通過葡萄糖和 NH4Cl 的投加量來控制， TP 含量通過磷酸二氫鉀調(diào)節(jié)，添加 NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度，并投加一定比例的微量元素維持微生物生長的良好環(huán)境(表 1)。

　　設(shè)定反應(yīng)器啟動時期的運行參數(shù) HRT 為 24 h，污泥回流體積比為 200%，反應(yīng)器內(nèi) MLSS 的質(zhì)量濃度為 2.0～2.5 g/L，溫度為 29～30 ℃，污泥停留時間(SRT)為 20 d，曝氣區(qū)、缺氧區(qū) DO 的質(zhì)量濃度分別為(3.8±0.4)、<0.8 mg/L。污泥采自石河子市某污水處理廠的曝氣池。

　　當系統(tǒng)啟動完成后，每天定期采集進出口水樣。研究不同的 HRT(8、10、12、14 h)對系統(tǒng)污染物脫除影響，考慮到反應(yīng)體系的穩(wěn)定性，每個 HRT 條件運行 1 周。通過檢測進出水中的 COD 和 NH +-N、 TP、NO --N、NO --N 含量等，從而確定污水處理工藝運行的優(yōu)化 HRT。

　　1.1 分析方法

　　COD 和NH +-N、NO --N、NO --N、TP 等指標的測定參照國家標準檢測，DO 含量采用溶氧儀測定。

　　1 結(jié)果與討論

　　1.1 啟動期 COD 的變化情況

　　反應(yīng)器啟動過程可分為啟動初期、中期和末期。啟動期間 COD 的去除情況見圖 2。

　　由圖 2 可知，啟動初期，進水 COD 為(300±28)mg/L，系統(tǒng) COD 的去除率始終低于 70%。種泥中含

　　有部分活性微生物，具有一定的 COD 降解活性。污泥從污水處理廠接種至實驗室后，活性污泥對反應(yīng)器有一個適應(yīng)的過程，造成種泥中部分活性污泥死亡，導(dǎo)致去除率較低。隨著污泥的馴化，微生物通過自我調(diào)節(jié)能力適應(yīng)環(huán)境，需要消耗更多的有機物，COD 的去除率逐漸升高。

　　啟動至中期第 4-10 天，系統(tǒng)對 COD 的去除率最高可達到 90%，表明系統(tǒng)中活性微生物總量開始快速增加，馴化后的活性污泥具有良好的 COD 降解性能。但是，該時期的污泥馴化不徹底，有一部分未能適應(yīng)周圍環(huán)境的微生物以及生物絮體會隨著出水流出反應(yīng)器，使得 COD 的去除率在 80%～90%變化。于鳳慶等采用活性污泥在馴化階段 COD 的去除率為 80%，較本研究偏低且馴化時間偏長。啟動末期，系統(tǒng)對 COD 去除率穩(wěn)定維持在 90%左右，表明氧化溝工藝已經(jīng)初步具備處理污水的能力。

　　2.2 HRT 對 COD 去除的影響

　　圖 3 是 HRT 依次設(shè)置為 14、12、10、8 h 條件下的 COD 去除情況。

　　由圖 3 可知，反應(yīng)器始終維持良好的除 COD 效率，出水平均 COD 穩(wěn)定在 50 mg/L 以下。HRT 分別為 8 h 和 10 h 時，COD 去除率高達 90%以上，此時活性污泥和污水混合接觸的時間比較充分，從而有效提高反應(yīng)器處理污水的能力。此外，系統(tǒng)中的活性微生物需要利用有機物來合成自身儲能物質(zhì)(PHB)，促進有機質(zhì)充分氧化分解。HRT 由 10 h延長至為 12 h 時，COD 去除率基本沒有變化，始終維持在 90%。進一步延長處理時間至 14 h，COD 去除率有下降的趨勢(86%)，并且無法維持穩(wěn)定狀態(tài)。此時 HRT 過長，部分活性污泥發(fā)生老化，污泥穩(wěn)定性降低，不利于活性污泥對有機物質(zhì)的吸附過程，導(dǎo)致COD 的去除率降低。結(jié)果表明，COD 的去除率受 HRT 的影響較小，這與于鳳慶和尹航在利用改進型工藝處理污水的研究結(jié)果一致。可能與有機物進入反應(yīng)器內(nèi)被稀釋，降低了有機負荷的沖擊有關(guān)。具體聯(lián)系污水寶或參見http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.3 HRT 對氮素去除的影響

　　HRT 對 NH +-N 和 NO --N 和 NO --N 的去除效果的影響如圖 4 和圖 5 所示。

　　由圖 4 可知，進水 NH +-N 的質(zhì)量濃度為 33～ 40 mg/L 時，出水 NH +-N 的質(zhì)量濃度為 2～5 mg/L。HRT 在 12、10、8 h 的條件下的 NH +-N 平均去除率分別為 97%、96%、96%，并且高于 14 h 時的 90%。隨著 HRT 的減少，污水處理工藝對 NH +-N 去除率呈現(xiàn)上升的趨勢并維持穩(wěn)定的去除效果。原因是，HRT 為 14 h 的時候，污水混合物在反應(yīng)器中停留時間較長，對反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥微生態(tài)環(huán)境造成沖擊，破壞反應(yīng)體系中反硝化環(huán)境的平衡;HRT 過長時，系統(tǒng)中有機碳含量相對較低，處于厭氧環(huán)境中的反硝化細菌的活性受到抑制，導(dǎo)致 NH +-N 去除率較低。隨著 HRT 的降低，促進異養(yǎng)菌的增殖，有利于反硝化反應(yīng)的進行，同時相對充足的有機碳源提供電子供體，保證了 NH +-N 的高效去除，NH +-N 去除率提高。HRT 繼續(xù)減小(8 h)，NH +-N 去除率沒有進一步的增長，表明此時系統(tǒng)的脫氮反應(yīng)已經(jīng)充分進行，再繼續(xù)增加 HRT 只會增加運行能耗。這與王曉蓮等得出優(yōu)化 HRT 為 8.5 h 實驗結(jié)果相似;PAI 等也在 HRT 為 9 h 的條件下 NH +-N 去除效果為佳。考慮到系統(tǒng)工藝對生活污水的處理能力和運行成本，宜取 HRT 為 10 h。

　　由圖 5 可知，HRT 從 8 h 增加至 10 h 和 12 h 時，NO3 -N 含量逐漸降低并維持穩(wěn)定。當 HRT 進一步延長至 14 h，NO --N 產(chǎn)生了積累，并高于 8 h 的 0.011mg/L 的平均質(zhì)量濃度。這是由于合成的生活污水中氯化銨是唯一的氮源，所以進水 NO --N 和 NO --N含量很小。HRT 為 14 h 時，出水 NO --N 含量比 12 h和 10 h 高，可能原因是 HRT 過長，在好氧區(qū)，硝化細菌發(fā)生比較徹底的硝化反應(yīng)，一部分 NO --N 隨出水溢流排出，使得出水中 NO --N 含量較高。這與 HRT 為 14 h 時 NH +-N 去除率呈現(xiàn)降低的趨勢相一致[26]。此時，有機碳含量成為 NH +-N 去除的限制因子。當 HRT 降低，系統(tǒng)污泥回流量增加，在好氧區(qū)，硝化細菌將 NH +-N 轉(zhuǎn)化為 NO --N 或 NO --N;在缺氧區(qū)時，反硝化細菌以硝酸鹽為電子受體，葡萄糖為電子供體，將 NO --N 或 NO --N 還原為 N ，并逸出反應(yīng)器，保證了同步硝化反硝化的脫氮效率。HRT 為 8 h 時，微生物與污水接觸時間短，部分活性污泥隨水流溢流出反應(yīng)器，導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化反應(yīng)不完全，造成出水硝態(tài)氮濃度升高。

由圖 5 還可知，NO --N 的積累量隨著 HRT 的減少呈現(xiàn)整體下降的趨勢。HRT 降低，活性污泥與污水中的營養(yǎng)物質(zhì)反應(yīng)不充分，導(dǎo)致硝化反應(yīng)中間產(chǎn)物 NO --N 含量的降低。

2.4 HRT 對 TP 去除的影響

　　HRT 對 TP 的去除效果的影響如圖 6 所示。由圖 6 可知，隨著 HRT 降低，TP 去除率整體上呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢，HRT 為 10 h 時，出水TP 平均含量最低，平均去除率為 66%，表明適當增加 HRT 可以促進 TP 的去除。當 HRT 為 14 h 時，硝化細菌與聚磷菌(PAOs)存在競爭，且硝化細菌的生存能力高于 PAOs，造成 PAOs 的活性降低，不利于系統(tǒng)的除磷過程[28]。反硝化細菌優(yōu)先利用污水中

　　有機物成長為優(yōu)勢細菌，PAOs 在厭氧狀態(tài)下活性受到抑制，釋磷過程不充分，PHB 的產(chǎn)生量減少，PAOs 釋磷過程中產(chǎn)生的可用于好氧吸磷的能量就相對減少，導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效率的下降。經(jīng)過一段時間后(當 HRT=12 h 和 10 h 時)，系統(tǒng)負荷開始升高，在氧化溝厭氧區(qū)域環(huán)境中，硝化程度降低，這與出水中硝酸鹽含量呈現(xiàn)減小的趨勢相一致。較多的COD 被用于合成PAOs 需要的PHB 等物質(zhì)，為 PAOs創(chuàng)造了較好的除磷環(huán)境;在好氧環(huán)境中，活性污泥中的 PAOs 則將較多的磷酸鹽以聚合物的形式儲存在體內(nèi)，形成富磷污泥，最終以剩余污泥的形式被排出反應(yīng)器。YIN 等同樣在 HRT 為 10.5 h 除磷效率達到最高，此時系統(tǒng)的硝化效果得到加強，為缺氧區(qū)脫磷過程提供較多的電子受體，強化反硝化聚磷菌的除磷能力。為保證氧化溝具有良好的除磷效率，選取HRT 為10 h 為優(yōu)化的運行條件。

　　3 結(jié) 論

以模擬農(nóng)村生活污水為研究對象，采用改進型氧化溝反應(yīng)器對污水處理影響因素 HRT 進行研究，通過探究 COD、NH +-N、TP 在不同 HRT 條件下的去除情況，以及氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律。得出如下結(jié)論：

　　1)HRT 對污水中污染物的去除效率存在影響，對 COD 的去除影響較小，對 TP 的去除影響較大，TP 的去除率隨 HRT 的延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;HRT 過長也會造成 NH +-N 去除率的下降，即 HRT 過長會降低氧化溝的脫氮除磷效果。

2)進水中 NH +-N 在氧化溝反應(yīng)器內(nèi)被硝化細菌氧化成 NO --N 和 NO --N，然后在缺氧區(qū)內(nèi)反硝化細菌協(xié)同作用下，實現(xiàn)了同步硝化反硝化脫氮過程。

3)HRT 對氧化溝中活性污泥的脫氮除磷效率有很大影響。綜合考慮氧化溝系統(tǒng)對污水的處理能力和脫氮除磷效率，在進水 COD 為 300 mg/L，NH +-N、TP 的質(zhì)量濃度分別為 40、3 mg/L 時，采用 HRT 為 10 h 為優(yōu)化運行條件。此時，反應(yīng)體系對 COD、 NH +-N 和 TP 的去除率分別為 91%、96%和 66%，其中出水 COD 和 NH +-N 含量滿足 GB 18918-2002的一級 A 標準。(來源：石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)