高负荷活性污泥法对生活污水的处理效果

宫 晨， 沈翼军，2， 杨殿海*

(1.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；2.安徽工业大学建筑工程学院，生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心,安徽马鞍山 243002)

高负荷活性污泥法对生活污水的处理效果

宫 晨1， 沈翼军1，2， 杨殿海1*

(1.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；2.安徽工业大学建筑工程学院，生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心,安徽马鞍山 243002)

[目的]探究高负荷活性污泥法与短程硝化和TN去除率之间的关系。[方法]采用A/O小试装置处理低C/N实际生活污水，将水力停留时间(HRT)降低至7.00 和3.50 h，考察该方法对生活污水中氮的去除效果。[结果]在低HRT高负荷工况下，DO需要高达3.00 mg/L才能将NH4+-N完全去除。低HRT对于亚硝化率有一定影响，但进水NH4+-N浓度仍是影响亚硝化率的主要因素。在一定范围内，较低的NH4+-N去除率对TN去除没有影响。COD的去除不受低HRT影响。在高COD负荷下，提高DO浓度可以预防污泥膨胀，但会降低TN的去除率。[结论]低HRT对亚硝化率有一定影响，但影响亚硝化率最主要的因素是NH4+-N浓度。

低HRT；亚硝化率；氨氮；COD

高负荷活性污泥法是一种化学需氧量(COD)负荷高、曝气池停留时间短的处理方法，它可以节省曝气池体积，降低建设成本。在当前城市用地紧张、地价昂贵的情况下，运用高负荷活性污泥法处理生活污水具有重要意义。此外，在一定条件下较低的水力停留时间(HRT)也能使硝化反应从全程硝化向短程硝化转换，短程硝化能够节约碳源和缺氧池体积，提高总氮(TN)去除率，对于低C/N污水脱氮具有重要意义。陈韬等[1]在短程硝化试验中发现，将HRT延长至12.00 h，出水中NO2--N积累率显著下降，说明HRT与NO2--N积累率存在一定关系。笔者采用A/O反应器处理低C/N实际生活污水，在HRT为3.50 h及COD负荷达到5.2 kg/(kgMLSS·d)的条件下，研究NO2--N积累率变化情况及对反应器脱氮的影响，以期为低NH4+-N 主流生活污水短程硝化研究中HRT选取提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 工艺流程和反应器控制 试验装置由有机玻璃制成的CSTR反应器组成，包括缺氧池、好氧池和竖流二沉池，活性污泥取自合肥某污水厂，反应器内污泥浓度为2 000～3 000 mg/L。装置示意见图1。缺氧池有效容积为2.1 L，好氧池有效容积为4.8 L，二沉池有效容积为11.0 L，SRT为20～50 d，内回流比为200%，污泥回流比为100%。罐体内均设置有搅拌器，好氧池内使用曝气砂头进行曝气，通过气泵上的旋钮控制曝气量。进水、内回流和污泥回流由蠕动泵控制。

注：1. 进水泵;2.搅拌器;3.出水口;4.曝气砂头;5.内回流泵;6.污泥回流泵;7.竖流二沉池;8.溢流口;9.排泥口。Note: 1. Intake pump; 2. Plunger; 3. Water outlet; 4. Aeration sand head; 5. Internal reflux pump; 6. Sludge reflux pump; 7. Vertical flow two sedimentation tank; 8. Overflow gate; 9. Mud outlet. 图1 反应器装置Fig.1 The reactor device

1.2 各阶段参数 各阶段运行参数见表1。试验不控制温度，在室温条件下进行。

1.3 试验水质 进水取自合肥某污水厂沉砂池出水，C/N仅为3.7，属于低C/N污水，水质情况：NH4+-N浓度为14.5～39.8 mg/L,TN 17.8～64.1 mg/L,COD 84.5～222.5 mg/L,pH 7.7～8.0。

1.4 测定项目与方法 采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N浓度；采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法测定NO2--N浓度；采用紫外分光光度法测定NO3--N浓度；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN浓度；采用重铬酸钾分光光度法测定COD浓度；采用国标法测定混合液悬浮固体浓度(MLSS)和污泥体积指数(SVI)。

表1 各阶段运行参数

2 结果与分析

2.1 NH4+-N的去除 各阶段NH4+-N的去除情况见图2。阶段 Ⅰ 为接种驯化期，好氧池HRT为5.00 h，共8 d。该阶段NH4+-N去除率从28.4%上升到90.0%以上，且好氧池平均温度仅为16.6 ℃，说明接种污泥具有良好的硝化性能。

阶段 Ⅱ 将HRT缩减50%，好氧池HRT为2.50 h，共13 d。该阶段初期(10～17 d)进水NH4+-N浓度较低，但平均去除率为62.0%。这是由于好氧池HRT降低了1倍，搅拌器转速不够，使其水力分布不均匀，有些进水未接触到氧气就从反应器流出。在加快搅拌器转速后，NH4+-N去除率立即升高至80.0%以上。

阶段Ⅲ将DO浓度降至0.50 mg/L以下，尝试用低浓度DO抑制硝化细菌(NOB)以达到短程硝化。Hanaki等[2]研究表明，低浓度DO可以抑制NOB的生长，而亚硝化细菌(AOB)增殖的速率加快，补偿了低浓度DO造成的代谢下降，使NH4+-N氧化不受影响[2]。在该研究中，DO浓度的降低使平均NH4+-N去除率下降至42.0%。原因可能是该研究所采用的是连续流装置，好氧池HRT仅为2.50 h，内回流使得实际停留时间更短，微生物、基质未与氧气充分接触就流出好氧池。另外，活性污泥浓度较低，AOB基数较小，活性又被抑制，即使增殖速率变快也难以达到充分氧化铵根离子的水平。

阶段Ⅳ再将HRT缩减50%，平均DO浓度为0.80 mg/L。该阶段NH4+-N平均去除率为48.7%，且去除率较上一阶段更加稳定。但由于该阶段好氧池HRT仅为1.25 h，因此NH4+-N去除率仍较低。

阶段Ⅴ将平均DO浓度提升至2.30 mg/L，则NH4+-N平均去除率提升至70.0%左右。从图2可以看出，该阶段NH4+-N去除率与进水NH4+-N浓度呈负相关。说明当好氧池HRT低至1.25 h时，即使DO浓度高达2.30 mg/L，NH4+-N去除率仍不稳定。

阶段Ⅵ将平均DO浓度提升至3.00 mg/L，NH4+-N去除率稳定在98.0%以上。

图2 各阶段进出水NH4+-N浓度和去除率变化Fig.2 Variation of NH4+-N concentration in influent and effluent and removal rate in each stage

2.2 亚硝化率的变化 短程硝化反硝化有节省碳源、反硝化速率较高等优点[3]。目前国内关于连续流反硝化的研究较少，其中马勇等[4]把DO浓度控制在0.30～0.70 mg/L，利用AO中试实现短程硝化反硝化脱氮；曾薇等[5]通过低浓度DO和改变内回流比在A2/O反应器中实现短程硝化反硝化；李冬等[6]采用2级CSTR反应器，通过外加NH4+-N抑制NOB活性达到短程硝化的目的。在该研究中，亚硝化率计算方法为η=ρNO2--N/(ρNO2--N+ρNO3--N)×100%。

从图3可见，阶段 Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 的平均亚硝化率均在6.0%以下，其中阶段Ⅲ的平均DO浓度为0.40 mg/L，在该阶段平均出水NO3--N浓度下降至3.26 mg/L，但平均出水NO2--N浓度仅为0.14 mg/L，说明出水NO3--N浓度降低可能是由于基质不足而非NOB受到抑制。阶段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ平均NH4+-N负荷率达到0.4 gN/(L·d)，属于高NH4+-N负荷，其中阶段Ⅳ的DO浓度较低，NOB生长受到抑制，但其平均亚硝化率为13.6%，低于阶段Ⅴ的17.5%。高亚硝化率主要有两方面原因，一方面是AOB在NOB的抑制因素下仍保持高活性，其氨氧化能力不受抑制，另一方面是NOB受到抑制，对于NO2--N的氧化能力下降，造成NO2--N的积累。阶段Ⅴ的亚硝化率比阶段Ⅳ略高，而其平均DO浓度也较阶段Ⅳ高1.50 mg/L，说明在低HRT下，DO浓度不是主要抑制因素。由于NH4+-N氧化和NO2--N氧化有先后顺序，较短的HRT使得部分NO2--N来不及被氧化就从好氧池中流出，造成NO2--N的积累，较高浓度的DO反而使AOB氨氧化能力加强，同时在低HRT的抑制下，NOB氧化能力提高较小，这使得亚硝化率有所提高。阶段Ⅵ的DO浓度提升至3.00 mg/L，NOB的氧化能力恢复，平均亚硝化率下降至7.0%。但此时过高的DO浓度使NOB的活性高于阶段Ⅴ，因此亚硝化率下降。

图3 各阶段进水NH4+-N和出水亚硝化率变化Fig.3 Variation of NH4+-N in influent and nitrite rate in effluent in each stage

由此可见，与SBR反应器不同，连续流反应器的短程硝化是由HRT和DO浓度共同影响的结果。一方面，由于硝化反应有先后顺序，较低的HRT能使一部分亚硝酸盐未被氧化就流出好氧池，但HRT过低也使氨氧化变得困难，需要提高DO浓度才能使NH4+-N完全氧化。另一方面，NOB的抑制因素主要是DO浓度，但在该研究中，在好氧池HRT较短的工况下，较低的DO浓度同时抑制了AOB和NOB的活性，难以达到短程硝化反硝化的目的。因此，在连续流反应器中，若想达到短程硝化反硝化的目的，好氧池HRT不能过长或过短，当好氧池HRT确定后，它就不再是短程硝化的决定性因素。

从图3可以看出，在整个试验阶段，亚硝化率与进水NH4+-N浓度有较强的正相关性，其波动与进水NH4+-N浓度波动基本一致。由此可以看出，进水NH4+-N浓度是形成短程硝化的重要因素之一，以上在连续流中采用实际污水形成短程硝化的研究，平均进水NH4+-N浓度均在60.00 mg/L以上。而在该研究中，平均进水NH4+-N浓度不足50%，因此亚硝化率始终较低。虽然从亚硝化率来看，低HRT对NOB的抑制效应大于对AOB的抑制效应，但过短的HRT对AOB的抑制也极强，这难以达到短程硝化的目的。如果提高污泥浓度，亚硝化率可能会有一定提高，但是仍难以达到较高的亚硝化率。

2.3 TN的去除 阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的TN的去除情况见图4。各阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)平均TN去除率分别为30.9%、35.3%、51.3%、49.0%、51.8%、39.4%，阶段 Ⅰ 和 Ⅱ 的TN去除率较低，一方面是由较低的温度和较短的HRT共同导致，另一方面反硝化细菌尚未适应反应器工况也是原因之一。阶段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的TN去除率相差不多，说明在高负荷条件下低HRT并不是TN去除的限制性因素。阶段Ⅵ的平均DO浓度达到3.00 mg/L，此时过高的DO浓度导致内回流进入缺氧区的DO增加，异养菌在DO浓度过高的环境下与反硝化细菌争夺进水中的COD基质，导致反硝化率下降，这与郑翔等[7]的研究结果一致。

另外，在该研究中，阶段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的平均亚硝化率分别为4.6%、13.6%、17.5%。亚硝化率的提高并未伴随TN去除率的提高，但这是两方面因素引起的。阶段Ⅲ的亚硝化率虽然较低，但因好氧池DO浓度较低，减小了回流到缺氧区的DO浓度，降低了对缺氧池中反硝化细菌的抑制，因而有利于反硝化。阶段Ⅳ、Ⅴ的DO浓度虽然较高，但亚硝化率也较高，一部分亚硝酸盐进入缺氧区使反硝化作用的时间缩短，同时节省了碳源。虽然进水COD在缺氧池中被异养菌消耗了一部分，但短程硝化作用抵消了这部分消耗，使TN去除率与阶段Ⅲ相似。但阶段Ⅵ过高的DO浓度使亚硝化率下降，同时使流入缺氧区的DO浓度进一步升高，因此TN去除率下降。

从NH4+-N和TN的去除情况来看，高负荷活性污泥法并不适合处理生活污水。NH4+-N只有在较高的DO浓度下才能被完全去除，但高浓度DO又影响TN的去除，使二者成为相互矛盾的因素。低HRT导致的一定程度的亚硝化也难以提高TN的去除率。而生活污水较低的进水NH4+-N使完全短程硝化反硝化难以实现，这也使得TN的去除率难以提高。

图4 各阶段进出水TN和去除率变化Fig.4 Variation of TN in influent and effluent and removal rate in each stage

2.4 COD的去除 各阶段COD的去除情况见图5。在A/O反应器中，缺氧池的反硝化细菌利用COD作为碳源，以硝酸盐为电子受体进行反硝化作用，好氧池中异养菌也能利用COD。因此，在该研究中，阶段Ⅲ和阶段Ⅳ的DO浓度虽然较低，且好氧池HRT也较短，但出水COD浓度仍能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。整个试验阶段的平均COD去除率为73.4%，说明该研究所用生活污水的可生化COD占总COD的比例约为70.0%。但进水总COD较低，限制了TN的去除。

图5 各阶段进出水COD和去除率变化Fig.5 Variation of COD in influent and effluent and removal rate in each stage

2.5 MLSS和SVI的变化 在每个阶段结束时测定MLSS和SVI，各阶段MLSS和SVI的变化见图6。从图6可以看出，反应器的MLSS在前4个阶段稳步上升，而在阶段Ⅴ某一天反应器因故障而漏泥，导致MLSS有所下降，阶段Ⅵ虽然DO浓度达到3.00 mg/L，但由于COD负荷高，基质丰富，因此MLSS仍略有上升，并未发生内源呼吸作用。导致SVI升高的主要原因是有机负荷过高和DO不足等，笔者引入有机负荷与阶段平均DO之比(COD负荷/DO)可以更直观地理解有机负荷和DO之间的关系。有机负荷代表1 kg污泥1 d的COD负荷，DO为阶段平均DO。6个阶段COD负荷/DO分别为1.2、2.3、5.5、5.6、2.5、1.3。因此，阶段Ⅰ的污泥沉降性能良好，SVI较低。当COD负荷/DO升高至2.0以上时，污泥发生膨胀，SVI持续升高。阶段ⅤCOD负荷/DO从5.5下降到2.5，因此SVI也下降到190.00 mL/g，正好与阶段Ⅱ相似。阶段Ⅵ COD负荷/DO下降至1.3，但由于时间较短，SVI下降到156 mL/g，如果反应器能够在该工况下运行更长时间，SVI可能会下降到阶段 Ⅰ 的水平，恢复良好的沉降性能。

图6 各阶段MLSS和SVI变化Fig.6 Variation of MLSS and SVI in each stage

3 结论

(1)在HRT为1.75 h的条件下，好氧池DO浓度达到3.00 mg/L才能将NH4+-N完全去除，说明高水力负荷对NH4+-N去除影响较大。

(2)在连续流反应器中，低HRT是抑制NOB的因素之一，但对AOB也有很强的抑制作用。因此，仅靠缩短HRT难以达到短程硝化的效果。

(3)HRT和NH4+-N去除率对TN去除影响不大，但高DO浓度对TN去除影响较大。低C/N是限制TN去除的主要因素。

(4)引入COD负荷/DO作为SVI的影响因子，两者有较强相关性，在COD负荷的工况下，将COD负荷/DO降至1.3，SVI也能下降到156.00 mL/g。参考文献

[1] 陈韬，王淑莹，彭永臻,等.常温下A/O工艺的短程硝化反硝化[J].中国给水排水，2002，18(12):5-8.

[2] HANAKI K,WANTAWIN C,OHGAKI S.Nitrification at low levels of dissolved oxygen with and without organic loading in a suspended-growth reactor[J].Water research，1990，24(3): 297-302.

[3] TURK O，MAVINIC D S.Selective inhibition: A novel concept for removing nitrogen from highly nitrogenous wastes[J].Environ Technol Lett，1987，8：419-426.

[4] 马勇，王淑莹，曾薇，等.A/O 生物脱氮工艺处理生活污水中试 (一) 短程硝化反硝化的研究[J].环境科学学报，2006，26(5)：703-709.

[5] 曾薇,李磊,杨莹莹,等.A2O工艺处理生活污水短程硝化反硝化的研究[J].中国环境科学,2010，30(5):625-632.

[6] 李冬,王朗,陈冠宇,等.两级CSTR亚硝化启动及稳定运行试验研究[J].中国环境科学,2016，36(2):437-442.

[7] 郑翔,王荣昌,司书鹏,等.城市污水的低氧短程脱氮中试研究[J].中国给水排水,2011，27(11):9-13.

Treatment of Domestic Sewage with High Load Activated Sludge Process

GONG Chen1, SHEN Yi-jun1,2, YANG Dian-hai1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092; 2.Biological MembraneWater Purification and Utilization Technology Research Center of the Ministry of Education, College of Architectural Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002)

[Objective] The aim was to explore the relationship between high load activated sludge process and shortcut nitrification, TN removal rate. [Method] Using laboratory scale A/O plant to treat low C/N actual domestic sewage to study the nitrogen removal ratio by reducing HRT to 7.00 and 3.50 h. [Result] Experimental results show that under the low HRT conditions, NH4+-N can be removed completely when dissolved oxygen(DO) reaches up to 3 mg/L. For nitrite rate, low HRT has a certain influence, but the influent NH4+-N concentration is still the main factor affecting nitriterate. Within a certain range, low NH4+-N removal ratio has no effect on TN removal ratio. Low HRT conditions has no effect on the removal of COD. At high COD loading, increasing DO will prevent sludge bulking, contrarily, high DO will affect the removal of TN. [Conclusion] Low HRT has a certain influence to nitrite rate, but NH4+-N concentration is the main factor affecting nitrite rate.

Low HRT; Nitrite rate; Ammonia nitrogen; COD

国家“水体污染与控制治理”科技重大专项(2011ZX07303-002-02)。

宫晨(1991- )，男，河南郑州人，硕士研究生，研究方向：水污染控制技术。*通讯作者，教授，博士，博士生导师，从事水污染控制技术研究。

2016-09-21

S 181；X 52

A

0517-6611(2016)35-0096-04