水力停留时间对污水中污染物去除研究

随着新疆农村人口数量增加及农牧行业的发展，该地区生活用水的需求越来越大，生活污水排放量也急剧增加。生活污水产生高含量的氮、磷等营养元素，直接排放将导致农村环境水体的恶化。直接排放的污水已经成为新疆地区水环境污染的重要来源。农村污水水质具有成分简单、可生化性好的特点，因此开发适用于农村生活污水水质的处理技术，成为当前需要重点解决的问题。

　　目前生活污水处理的工艺包括序批式活性污泥法(SBR)、厌氧 - 缺氧 - 好氧(A/A/O)和生物滤池等，但都由于农村污水的污染源分散、水量变化较大和收集困难等原因，难以在农村地区推广。氧化沟(OD)工艺因其具有成本低、灵活性强和抗冲击性能等优势，在污水处理工艺中应用广泛。氧化沟工艺主要利用装置内溶解氧(DO)在水流沿程的衰减程度来实现反应器在空间上厌氧、好氧及缺氧的分布情况，最终完成同步脱氮除磷。国内外对于氧化沟工艺运行的影响因素，如 DO、碳氮比、pH、曝气、水力停留时间(HRT)等进行了基础的研究。但是这些研究中针对 HRT 在深度脱氮除磷和工艺控制方面的研究均不够深入和广泛。

　　HRT 是影响活性污泥系统脱氮除磷性能及微生物种群分布的重要因素，主要是对 COD 的降解和硝酸盐的释放以及好氧硝化和磷的去除产生影响。因此，探讨 HRT 对氧化沟工艺的影响对于提升运行效果、确定工艺的最优运行参数具有重要意义。

　　本研究基于氧化沟装置进行改进，借助于氧化沟底部曝气管的合理设置，在反应器内形成缺氧 -厌氧 - 好氧分布，从而改善微生物群落的分布，进而提高氧化沟装置的污染物降解能力。以模拟污水为研究对象，考察不同 HRT 对反应器中 COD、NH +-N和 TP 去除的影响，分析不同 HRT 对出水水质的影响，从而确定氧化沟工艺的优化运行参数，提高氧化沟工艺对污水中氮和磷等污染物的去除效率，为氧化沟工艺应用于处理实际生活污水提供科学依据。

　　1 实验部分

　　1.1 实验装置

　　实验装置采用自行设计的氧化沟，见图 1。

图 1   氧化沟工艺流程

　　反应器以有机玻璃为材料，有效体积为 40 L，具体尺寸为 0.8 m×0.2 m×0.35 m，有效水深为 250mm。反应器内设有潜水泵进行泥水混合。混合液从曝气池溢流至沉淀池固液分离。系统采用蠕动泵完成连续进水和污泥回流，并利用流量计实现曝气量流速控制。通过底部曝气管的合理设置，在反应器沿程呈现厌氧 - 缺氧 - 好氧的空间分布。同时利用工艺有效的内循环，使反应器作为好氧厌氧一体化工艺运行。

　　1.1 实验条件

采用人工配水，设定进水 COD 平均为 300 mg/L， NH +-N、TP 的质量浓度分别为 40、3 mg/L。COD 和 NH +-N 分别通过葡萄糖和 NH4Cl 的投加量来控制， TP 含量通过磷酸二氢钾调节，添加 NaHCO3 调节碱度，并投加一定比例的微量元素维持微生物生长的良好环境(表 1)。

　　设定反应器启动时期的运行参数 HRT 为 24 h，污泥回流体积比为 200%，反应器内 MLSS 的质量浓度为 2.0～2.5 g/L，温度为 29～30 ℃，污泥停留时间(SRT)为 20 d，曝气区、缺氧区 DO 的质量浓度分别为(3.8±0.4)、<0.8 mg/L。污泥采自石河子市某污水处理厂的曝气池。

　　当系统启动完成后，每天定期采集进出口水样。研究不同的 HRT(8、10、12、14 h)对系统污染物脱除影响，考虑到反应体系的稳定性，每个 HRT 条件运行 1 周。通过检测进出水中的 COD 和 NH +-N、 TP、NO --N、NO --N 含量等，从而确定污水处理工艺运行的优化 HRT。

　　1.1 分析方法

　　COD 和NH +-N、NO --N、NO --N、TP 等指标的测定参照国家标准检测，DO 含量采用溶氧仪测定。

　　1 结果与讨论

　　1.1 启动期 COD 的变化情况

　　反应器启动过程可分为启动初期、中期和末期。启动期间 COD 的去除情况见图 2。

　　由图 2 可知，启动初期，进水 COD 为(300±28)mg/L，系统 COD 的去除率始终低于 70%。种泥中含

　　有部分活性微生物，具有一定的 COD 降解活性。污泥从污水处理厂接种至实验室后，活性污泥对反应器有一个适应的过程，造成种泥中部分活性污泥死亡，导致去除率较低。随着污泥的驯化，微生物通过自我调节能力适应环境，需要消耗更多的有机物，COD 的去除率逐渐升高。

　　启动至中期第 4-10 天，系统对 COD 的去除率最高可达到 90%，表明系统中活性微生物总量开始快速增加，驯化后的活性污泥具有良好的 COD 降解性能。但是，该时期的污泥驯化不彻底，有一部分未能适应周围环境的微生物以及生物絮体会随着出水流出反应器，使得 COD 的去除率在 80%～90%变化。于凤庆等采用活性污泥在驯化阶段 COD 的去除率为 80%，较本研究偏低且驯化时间偏长。启动末期，系统对 COD 去除率稳定维持在 90%左右，表明氧化沟工艺已经初步具备处理污水的能力。

　　2.2 HRT 对 COD 去除的影响

　　图 3 是 HRT 依次设置为 14、12、10、8 h 条件下的 COD 去除情况。

　　由图 3 可知，反应器始终维持良好的除 COD 效率，出水平均 COD 稳定在 50 mg/L 以下。HRT 分别为 8 h 和 10 h 时，COD 去除率高达 90%以上，此时活性污泥和污水混合接触的时间比较充分，从而有效提高反应器处理污水的能力。此外，系统中的活性微生物需要利用有机物来合成自身储能物质(PHB)，促进有机质充分氧化分解。HRT 由 10 h延长至为 12 h 时，COD 去除率基本没有变化，始终维持在 90%。进一步延长处理时间至 14 h，COD 去除率有下降的趋势(86%)，并且无法维持稳定状态。此时 HRT 过长，部分活性污泥发生老化，污泥稳定性降低，不利于活性污泥对有机物质的吸附过程，导致COD 的去除率降低。结果表明，COD 的去除率受 HRT 的影响较小，这与于凤庆和尹航在利用改进型工艺处理污水的研究结果一致。可能与有机物进入反应器内被稀释，降低了有机负荷的冲击有关。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　2.3 HRT 对氮素去除的影响

　　HRT 对 NH +-N 和 NO --N 和 NO --N 的去除效果的影响如图 4 和图 5 所示。

　　由图 4 可知，进水 NH +-N 的质量浓度为 33～ 40 mg/L 时，出水 NH +-N 的质量浓度为 2～5 mg/L。HRT 在 12、10、8 h 的条件下的 NH +-N 平均去除率分别为 97%、96%、96%，并且高于 14 h 时的 90%。随着 HRT 的减少，污水处理工艺对 NH +-N 去除率呈现上升的趋势并维持稳定的去除效果。原因是，HRT 为 14 h 的时候，污水混合物在反应器中停留时间较长，对反应器内的活性污泥微生态环境造成冲击，破坏反应体系中反硝化环境的平衡;HRT 过长时，系统中有机碳含量相对较低，处于厌氧环境中的反硝化细菌的活性受到抑制，导致 NH +-N 去除率较低。随着 HRT 的降低，促进异养菌的增殖，有利于反硝化反应的进行，同时相对充足的有机碳源提供电子供体，保证了 NH +-N 的高效去除，NH +-N 去除率提高。HRT 继续减小(8 h)，NH +-N 去除率没有进一步的增长，表明此时系统的脱氮反应已经充分进行，再继续增加 HRT 只会增加运行能耗。这与王晓莲等得出优化 HRT 为 8.5 h 实验结果相似;PAI 等也在 HRT 为 9 h 的条件下 NH +-N 去除效果为佳。考虑到系统工艺对生活污水的处理能力和运行成本，宜取 HRT 为 10 h。

　　由图 5 可知，HRT 从 8 h 增加至 10 h 和 12 h 时，NO3 -N 含量逐渐降低并维持稳定。当 HRT 进一步延长至 14 h，NO --N 产生了积累，并高于 8 h 的 0.011mg/L 的平均质量浓度。这是由于合成的生活污水中氯化铵是唯一的氮源，所以进水 NO --N 和 NO --N含量很小。HRT 为 14 h 时，出水 NO --N 含量比 12 h和 10 h 高，可能原因是 HRT 过长，在好氧区，硝化细菌发生比较彻底的硝化反应，一部分 NO --N 随出水溢流排出，使得出水中 NO --N 含量较高。这与 HRT 为 14 h 时 NH +-N 去除率呈现降低的趋势相一致[26]。此时，有机碳含量成为 NH +-N 去除的限制因子。当 HRT 降低，系统污泥回流量增加，在好氧区，硝化细菌将 NH +-N 转化为 NO --N 或 NO --N;在缺氧区时，反硝化细菌以硝酸盐为电子受体，葡萄糖为电子供体，将 NO --N 或 NO --N 还原为 N ，并逸出反应器，保证了同步硝化反硝化的脱氮效率。HRT 为 8 h 时，微生物与污水接触时间短，部分活性污泥随水流溢流出反应器，导致系统反硝化反应不完全，造成出水硝态氮浓度升高。

由图 5 还可知，NO --N 的积累量随着 HRT 的减少呈现整体下降的趋势。HRT 降低，活性污泥与污水中的营养物质反应不充分，导致硝化反应中间产物 NO --N 含量的降低。

2.4 HRT 对 TP 去除的影响

　　HRT 对 TP 的去除效果的影响如图 6 所示。由图 6 可知，随着 HRT 降低，TP 去除率整体上呈现出先升高再降低的趋势，HRT 为 10 h 时，出水TP 平均含量最低，平均去除率为 66%，表明适当增加 HRT 可以促进 TP 的去除。当 HRT 为 14 h 时，硝化细菌与聚磷菌(PAOs)存在竞争，且硝化细菌的生存能力高于 PAOs，造成 PAOs 的活性降低，不利于系统的除磷过程[28]。反硝化细菌优先利用污水中

　　有机物成长为优势细菌，PAOs 在厌氧状态下活性受到抑制，释磷过程不充分，PHB 的产生量减少，PAOs 释磷过程中产生的可用于好氧吸磷的能量就相对减少，导致系统除磷效率的下降。经过一段时间后(当 HRT=12 h 和 10 h 时)，系统负荷开始升高，在氧化沟厌氧区域环境中，硝化程度降低，这与出水中硝酸盐含量呈现减小的趋势相一致。较多的COD 被用于合成PAOs 需要的PHB 等物质，为 PAOs创造了较好的除磷环境;在好氧环境中，活性污泥中的 PAOs 则将较多的磷酸盐以聚合物的形式储存在体内，形成富磷污泥，最终以剩余污泥的形式被排出反应器。YIN 等同样在 HRT 为 10.5 h 除磷效率达到最高，此时系统的硝化效果得到加强，为缺氧区脱磷过程提供较多的电子受体，强化反硝化聚磷菌的除磷能力。为保证氧化沟具有良好的除磷效率，选取HRT 为10 h 为优化的运行条件。

　　3 结 论

以模拟农村生活污水为研究对象，采用改进型氧化沟反应器对污水处理影响因素 HRT 进行研究，通过探究 COD、NH +-N、TP 在不同 HRT 条件下的去除情况，以及氮素的转化规律。得出如下结论：

　　1)HRT 对污水中污染物的去除效率存在影响，对 COD 的去除影响较小，对 TP 的去除影响较大，TP 的去除率随 HRT 的延长呈现先升高后降低的趋势;HRT 过长也会造成 NH +-N 去除率的下降，即 HRT 过长会降低氧化沟的脱氮除磷效果。

2)进水中 NH +-N 在氧化沟反应器内被硝化细菌氧化成 NO --N 和 NO --N，然后在缺氧区内反硝化细菌协同作用下，实现了同步硝化反硝化脱氮过程。

3)HRT 对氧化沟中活性污泥的脱氮除磷效率有很大影响。综合考虑氧化沟系统对污水的处理能力和脱氮除磷效率，在进水 COD 为 300 mg/L，NH +-N、TP 的质量浓度分别为 40、3 mg/L 时，采用 HRT 为 10 h 为优化运行条件。此时，反应体系对 COD、 NH +-N 和 TP 的去除率分别为 91%、96%和 66%，其中出水 COD 和 NH +-N 含量满足 GB 18918-2002的一级 A 标准。(来源：石河子大学化学化工学院)