低碳氮比進水條件下一體化氧化溝在高原污水處理中的應用及調試

唐 昭，樊勇吉，盧英源，陸嘉暉，陳 軒

（1.廣西衛生職業技術學院，廣西 南寧 530000；2.廣西壯族自治區環境科學保護研究院，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國居民生活水平的提高，城鄉居民生活污水排放量也相應增加，污水收集管網采用雨、污合流制的管道也越來越多，下雨時造成進水污水碳源不足的現象也時常發生，這就導致反應池體內菌群競爭激烈，同時由于鄉鎮污水中N，P 等污染物的污染程度增加，污水處理廠面臨著在低碳源情況下處理污染物的問題，確保良好的脫氮除磷效果已成為城鎮污水處理廠的首要任務[1-18]。目前，鮮有在高原環境下對污水處理廠的調查研究，尤其是在高原環境下同時伴隨低碳源的情況，如何保證在高原環境下的氧化溝脫氮除磷效果尤為重要。通過對一體化氧化溝進行了調試及啟動試驗，同時對相關可調節參數進行了可控篩選，以確定在污水處理廠現有條件下可達標運行的相關工藝參數。

1 項目背景

1.1 工程概況

以貴州國家級自然保護區某污水處理廠內的一體化氧化溝污水處理設施為研究對象，該污水處理廠的污水來源主要為城鎮居民及游客產生的生活污水，濕地處中高海拔（2 200 m）地區，進水具有碳源較低的水質特征[19]，該污水處理廠建設規模為1×104m3/d，污水綜合變化系數（K）取1.30，截流倍數為2.0，即雨季時提升泵房、格柵、沉砂池總處理能力為2.6×104m3/d。

2017 年提標改造后，出水設計標準執行GB 3838—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。設計處理后的污水經過人工濕地后，進一步處理后再排入國家級自然保護區，該污水處理廠人工濕地占地為3.35 hm2，管網收集范圍分布在縣城老城區內，服務人口為7.5 萬人，污水收集方式為截留式合流制。

1.2 工藝流程及設備

貴州某污水處理廠一體化氧化溝的工藝流程示意見圖1。

圖1 一體化氧化溝工藝流程示意

1.2.1 預處理階段

城鎮居民產生的生活廢水經收集管網輸送到污水處理設施的預處理部分，由閘門井提升經粗、細格柵（粗格柵（柵徑為5 mm）剔除大型固體污染物，細格柵（柵徑為0.5 mm）去除粗格柵后的小型固體污染物）后的污水進入旋流沉砂池，該池內建旋流裝置，利用設施內部分流速不同，分離出進水中各種粒徑的砂礫，出水經沉砂池溢流堰流入氧化溝主體設備。

1.2.2 處理階段

一體化氧化溝可分為前置預處理池及氧化溝主體結構，氧化溝主體結構分為厭氧溝渠、缺氧溝渠、好氧溝渠等處理區域，曝氣池呈封閉式溝渠形，好氧溝渠內采用帶方向控制的曝氣及攪拌裝置，進水和溝內剩余的活性污泥混合液均勻流動，剩余小部分污泥由污泥泵抽至污泥濃縮池后經脫水外排。

1.2.3 后端處理

一體化氧化溝經溢流堰的出水到達后端處理系統，系統由去除部分剩余顆粒物的砂濾池及備用加藥間、紫外消毒間、后端人工濕地組成。

污水處理設施部分設備技術參數見表1。

表1 氧化溝部分設備技術參數

一體化氧化溝工程示意見圖2。

圖2 一體化氧化溝工程示意

2 實際運行水質、水量

該污水處理廠的設計處理水量為10 000 m3/d，2017 年平均進水量為11 300 m3/d。地區具有明顯的高原季節性降水分布特征，枯水季為當年11 月～次年4 月，豐水季為5 月～10 月，枯水季實際進水量為8 600 m3/d，豐水季實際進水量為12 300 m3/d。豐水季進水的ρ（BOD）/ρ（COD）≤0.25 明顯偏低，具有典型的低碳源進水特征。系統進水存在以下問題：雨季進水指標超出原設計進水指標的17%，較少雨季滿負荷運行的進水濃度有1～1.3 倍的稀釋，甚至達到2～3 倍的稀釋程度。在暴雨時，進水中CODCr，BOD5，NH3-N，TP 等指標下降至原來正常水質的1/2～1/3；水力負荷過高，對活性污泥系統沖擊較大。

該污水處理廠進、出水水質見表2。

表2 一體化氧化溝干、濕2 季進、出水水質 mg·L-1

3 試驗及調試方法

試驗主要考察好氧區pH 值、DO 這2 個控制參數對系統脫氮除磷的影響，以進、出水中COD，NH3-N，TP，TN 作為考察指標，研究系統對考察指標的去除效果，試驗所需水樣從該污水處理廠獲取，采樣時間為2017 年8 月～2017 年11 月，進水時間段基本屬于豐水季節，監測采樣點分別為污水總進水口和出水口。采樣頻率為1 次/d，時間為上午10:00，使用采樣瓶采完樣品后立即送試驗室進行測定。DO、溫度、營養平衡、污泥濃度、堿度、pH 值、污泥齡、DO 濃度等因子均影響著一體化氧化溝的運行[20]，該廠運行過程可調整參數分別為好氧區容積比、pH 值、回流比、DO 濃度等。為了不影響污水處理廠正常運行，選擇不同pH 值及DO 濃度作為調節參數，通過修改pH值自動調節系統設備（如pH 控制器、pH 檢測電極、鹽酸電磁閥組）調整pH 值，通過曝氣量控制DO 濃度，分別使用重鉻酸鉀法、稀釋接種法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀-紫外分光光度法、紫外分光光度法、過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法檢測COD，BOD5，NH3-N，TN，NO3--N，TP。

4 結果分析

4.1 pH 值對一體化氧化溝工藝去除各污染物效果的影響

pH 值在很大程度上決定了污水的處理程度和反應器的經濟體積[21]，故以pH 值為參數，考察其對一體化氧化溝脫氮除磷效能的影響。通過向氧化溝中心島上攪拌加藥裝置投加液堿與碳酸鈉混合液調整pH 值，通過pH 計檢測pH 值確定投加終點，使氧化溝內平均pH 值分別維持在6.0～6.5，6.5～7.0，7.0～7.5，7.5～8.0，8.0～8.5，在每段pH 值下穩定運行后，考慮氧化溝系統的穩定性，每個控制條件下，每天取2 次樣檢測1 周，最后結果取所有點位的平均值，檢測點位示意見圖3。

圖3 一體化氧化溝pH 值取樣點位示意

4.1.1 COD

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除COD 的效果見圖4。

圖4 不同pH 值對氧化溝COD 去除效果影響

由圖4 可以看出，在不同pH 值條件下，氧化溝中COD 去除效率均較高（均高于85%），pH 值從6.5增至7.5 的過程中COD 去除率逐漸增加，此時系統中剩余堿度檢測超過100 mg/L，當處理環境中pH值≥7.2，可保證硝化所需環境。當環境中pH 值為7.5 時，對COD 的降解效果最佳，去除率穩定在90%左右，提高混合液堿度對COD 的去除率變化不明顯，進一步提高pH 值至8 時，COD 的去除率降至87.4%，同時COD 的去除穩定性隨著降低，此時pH值對氧化溝活性污泥系統中微生物有著明顯抑制作用，導致微生物酶促反應系統部分失活。結果表明，不同pH 值條件下對COD 的去除率影響有限，但需注意高pH 值對活性污泥的影響，試驗結果與程宗旺關于堿性工業廢水對氧化溝脫氮的影響研究成果一致。其原因在于pH 值影響著污水中有機物中和、沉淀、氧化還原的過程，同時中性環境下可提高水中微生物代謝活動強度。

4.1.2 NH3-N

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除NH3-N 的效果見圖5。

圖5 不同pH 值對氧化溝NH3-N 去除效果的影響

由圖5 可以看出，系統pH 值為7 時，NH3-N 的降解效果最佳，去除率為77.9%。進水中NH3-N 質量濃度為16 mg/L 時，pH 值越接近中性環境其對NH3-N 的降解效果越好，在偏酸性或者堿性環境中，部分硝化菌類和反硝化菌類受到抑制，影響NH3-N 的硝化反應速率及NO2--N 的反硝化作用[22]，其原因可能為較短污泥齡內的長世代硝化菌無法適應較低及較高的pH 值，硝化菌的數量降低導致NH3-N 的出水濃度上升。

4.1.3 TN

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除TN 的效果見圖6。

圖6 不同pH 值對氧化溝TN 去除效果的影響

由圖6 可以看出，pH 值從6 增至7.5 過程中，TN 的去除率呈平穩上升趨勢，其去除率由53.32%升至60.41%，當pH 值超過7.5，TN 去除效率隨pH值增加而降低，當系統中pH 值較低時，雖然進入反應器中的碳源充足，但過高的NH3-N 濃度使其去除率無法提高，當pH 值較高時，有充足的時間進行硝化作用[23]，但本底中因碳源缺乏反過來抑制反硝化作用，致使系統中積累大量的硝酸鹽氮，導致出水中TN 濃度增加。

4.1.4 TP

在不同pH 值條件下，一體化氧化溝工藝去除TP 的效果見圖7。

圖7 不同pH 值對氧化溝TP 去除效果的影響

由圖7 可以看出，pH 值為6.5 時，TP 降解效果最佳，TP 去除率為93.5%。雖然進入反應器中的碳源不足，但pH 值在中性或者弱堿性環境中均可滿足聚磷菌降解自身所需的電子受體量，聚磷菌吸磷過程受到的影響較小，不影響整體的除磷效果。

4.2 DO 濃度對一體化氧化溝工藝去除各種污染物效果的影響

DO 濃度是影響一體化氧化溝工藝脫氮除磷效果的一個重要因素[24]。若曝氣池中DO 濃度過低，一方面在氧化溝曝氣池內，硝化細菌難以完全進行硝化反應過程，好氧微生物數量會減少。另一方面影響著氧化溝工藝的脫氮效果。若DO 濃度過高，則會抑制對聚磷菌的除磷作用，使出水中TP 濃度升高。在低碳源進水條件下，在氧化溝工藝中好氧溝的DO 質量濃度維持在2 mg/L 左右，因此，選取調控DO 質量濃度分別為1.4～1.7，1.7～2，2～2.3，2.3～2.6，2.6～2.9 mg/L。

4.2.1 COD

不同DO 濃度對進、出水中COD 濃度變化見圖8。

圖8 不同DO 濃度對氧化溝中COD 去除效果的影響

由圖8 可以看出，COD 的去除率隨曝氣段DO濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3～2.6 mg/L）穩步增加，去除率由83.6%增至86.9%，當DO 質量濃度為2.6～2.9 mg/L 時，對COD 的降解作用有一定程度的抑制。當控制氧化溝曝氣段DO 質量濃度為2.3 mg/L時，系統對COD 的降解效果最佳。

4.2.2 NH3-N

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO濃度的環境下進、出水中NH3-N 變化進行研究，不同DO 濃度對氧化溝中NH3-N 去除效果的影響見圖9。由圖9 可以看出，當DO 質量濃度為2.3 mg/L時，系統對NH3-N 的降解效果最佳。當進水中NH3-N 質量濃度為16 mg/L 時，NH3-N 的去除率隨DO 質量濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L） 逐漸增加，且增長幅度較大。但當DO 質量濃度超過2.3 mg/L后，系統硝化反硝化過程受到一定程度的抑制，NH3-N 的去除率隨著降低。

圖9 不同DO 濃度對氧化溝中NH3-H 去除效果的影響

4.2.3 TN

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO的環境下進、出水TN 變化進行研究，試驗結果見圖10。

圖10 不同DO 濃度對氧化溝TN 去除效果的影響

由圖10 可以看出，當DO 質量濃度為2.6 mg/L時，氧化溝工藝對TN 的降解效果最佳。其它DO 濃度下TN 的去除率均接近50%，原因可能為曝氣池中DO 濃度較低促進了反硝化菌的繁殖，導致爭奪硝化菌的碳源使得硝化作用不完全，最后降低了對TN 的去除效率。

4.2.4 TP

參照上述方法對一體化氧化溝工藝在不同DO濃度的環境下進、出水TP 變化進行研究，試驗結果見圖11。由圖11 可以看出，DO 質量濃度為2.3 mg/L時，氧化溝工藝對TP 的降解效果最佳。DO 質量濃度為1.4 mg/L 時對TP 去除效果較差，其它DO 濃度的去除效果接近且較好，推斷原因為在較低的DO濃度下，處在低氧環境下的反硝化細菌迅速增加，使其獲取碳源困難從而降低除磷效率。

圖11 不同DO 濃度對氧化溝TP 去除效果的影響

5 結論

試驗可知，各項出水指標基本均達到城鎮污水處理廠污染物排放標準的一級標準,一體化氧化溝在高原地區低進水濃度下脫氮除磷工藝的處理效果較好。

（1）COD 的去除率隨pH 值增加（從6.5 增至7.5）逐漸增加，當pH 值為7.5 時，對COD 的降解效果最佳，去除率穩定在88%，當pH 值為8.5 時去除率反而下降，pH 值過低或過高均影響一體化氧化溝工藝對COD 的去除效果；曝氣段DO 濃度對去除進水COD 的影響：COD 的去除率隨DO 質量濃度的增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）穩步增加，當DO 質量濃度超過2.0 mg/L 則對COD 的降解作用有一定程度的抑制。

（2）試驗條件下，氧化溝系統除磷受pH 值的影響差別不大，DO 質量濃度降至1.4 mg/L 時，TP 的去除率有所下降，因此，低進水濃度下，一體化氧化溝工藝為保持較好的除磷效果，好氧區的曝氣時間不宜較短。

（3）系統的NH3-N 去除率隨pH 值增加（從6 增至7）逐步增加，NH3-N 最高去除率為77.9%，但當pH 值從7 繼續增至8 時，NH3-N 的去除率有所下降。因此，在中性條件下系統可保持較高的硝化效果，有較好且穩定的NH3-N 去除效果；當控制DO質量濃度為2.3 mg/L 時，其對NH3-N 的降解效果最佳。NH3-N 的去除率隨DO 質量濃度增加（從1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）逐漸增加，當DO 質量濃度增至2.6 mg/L 時系統出水中NH3-N 濃度反而增加，因此，控制氧化溝的曝氣量尤為重要。

（4）當pH 值靠近中性時，系統中TN 受pH 值影響不大，當pH 值分別為6 和8 時，系統TN 去除率偏低（分別為53.32%，54.64%），當pH 值為7.5時，系統可取得較好且穩定的TN 去除效果。當DO質量濃度為2.6 mg/L 時，氧化溝工藝對TN 的降解效果最佳。其它DO 濃度下TN 的去除率均接近為50%。

在本試驗條件下，最佳工藝控制參數：pH 值為7.5，DO 質量濃度為2.3 mg/L。