低碳氮比进水条件下一体化氧化沟在高原污水处理中的应用及调试

唐 昭，樊勇吉，卢英源，陆嘉晖，陈 轩

（1.广西卫生职业技术学院，广西 南宁 530000；2.广西壮族自治区环境科学保护研究院，广西 南宁 530000）

0 引言

随着我国居民生活水平的提高，城乡居民生活污水排放量也相应增加，污水收集管网采用雨、污合流制的管道也越来越多，下雨时造成进水污水碳源不足的现象也时常发生，这就导致反应池体内菌群竞争激烈，同时由于乡镇污水中N，P 等污染物的污染程度增加，污水处理厂面临着在低碳源情况下处理污染物的问题，确保良好的脱氮除磷效果已成为城镇污水处理厂的首要任务[1-18]。目前，鲜有在高原环境下对污水处理厂的调查研究，尤其是在高原环境下同时伴随低碳源的情况，如何保证在高原环境下的氧化沟脱氮除磷效果尤为重要。通过对一体化氧化沟进行了调试及启动试验，同时对相关可调节参数进行了可控筛选，以确定在污水处理厂现有条件下可达标运行的相关工艺参数。

1 项目背景

1.1 工程概况

以贵州国家级自然保护区某污水处理厂内的一体化氧化沟污水处理设施为研究对象，该污水处理厂的污水来源主要为城镇居民及游客产生的生活污水，湿地处中高海拔（2 200 m）地区，进水具有碳源较低的水质特征[19]，该污水处理厂建设规模为1×104m3/d，污水综合变化系数（K）取1.30，截流倍数为2.0，即雨季时提升泵房、格栅、沉砂池总处理能力为2.6×104m3/d。

2017 年提标改造后，出水设计标准执行GB 3838—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。设计处理后的污水经过人工湿地后，进一步处理后再排入国家级自然保护区，该污水处理厂人工湿地占地为3.35 hm2，管网收集范围分布在县城老城区内，服务人口为7.5 万人，污水收集方式为截留式合流制。

1.2 工艺流程及设备

贵州某污水处理厂一体化氧化沟的工艺流程示意见图1。

图1 一体化氧化沟工艺流程示意

1.2.1 预处理阶段

城镇居民产生的生活废水经收集管网输送到污水处理设施的预处理部分，由闸门井提升经粗、细格栅（粗格栅（栅径为5 mm）剔除大型固体污染物，细格栅（栅径为0.5 mm）去除粗格栅后的小型固体污染物）后的污水进入旋流沉砂池，该池内建旋流装置，利用设施内部分流速不同，分离出进水中各种粒径的砂砾，出水经沉砂池溢流堰流入氧化沟主体设备。

1.2.2 处理阶段

一体化氧化沟可分为前置预处理池及氧化沟主体结构，氧化沟主体结构分为厌氧沟渠、缺氧沟渠、好氧沟渠等处理区域，曝气池呈封闭式沟渠形，好氧沟渠内采用带方向控制的曝气及搅拌装置，进水和沟内剩余的活性污泥混合液均匀流动，剩余小部分污泥由污泥泵抽至污泥浓缩池后经脱水外排。

1.2.3 后端处理

一体化氧化沟经溢流堰的出水到达后端处理系统，系统由去除部分剩余颗粒物的砂滤池及备用加药间、紫外消毒间、后端人工湿地组成。

污水处理设施部分设备技术参数见表1。

表1 氧化沟部分设备技术参数

一体化氧化沟工程示意见图2。

图2 一体化氧化沟工程示意

2 实际运行水质、水量

该污水处理厂的设计处理水量为10 000 m3/d，2017 年平均进水量为11 300 m3/d。地区具有明显的高原季节性降水分布特征，枯水季为当年11 月～次年4 月，丰水季为5 月～10 月，枯水季实际进水量为8 600 m3/d，丰水季实际进水量为12 300 m3/d。丰水季进水的ρ（BOD）/ρ（COD）≤0.25 明显偏低，具有典型的低碳源进水特征。系统进水存在以下问题：雨季进水指标超出原设计进水指标的17%，较少雨季满负荷运行的进水浓度有1～1.3 倍的稀释，甚至达到2～3 倍的稀释程度。在暴雨时，进水中CODCr，BOD5，NH3-N，TP 等指标下降至原来正常水质的1/2～1/3；水力负荷过高，对活性污泥系统冲击较大。

该污水处理厂进、出水水质见表2。

表2 一体化氧化沟干、湿2 季进、出水水质 mg·L-1

3 试验及调试方法

试验主要考察好氧区pH 值、DO 这2 个控制参数对系统脱氮除磷的影响，以进、出水中COD，NH3-N，TP，TN 作为考察指标，研究系统对考察指标的去除效果，试验所需水样从该污水处理厂获取，采样时间为2017 年8 月～2017 年11 月，进水时间段基本属于丰水季节，监测采样点分别为污水总进水口和出水口。采样频率为1 次/d，时间为上午10:00，使用采样瓶采完样品后立即送试验室进行测定。DO、温度、营养平衡、污泥浓度、碱度、pH 值、污泥龄、DO 浓度等因子均影响着一体化氧化沟的运行[20]，该厂运行过程可调整参数分别为好氧区容积比、pH 值、回流比、DO 浓度等。为了不影响污水处理厂正常运行，选择不同pH 值及DO 浓度作为调节参数，通过修改pH值自动调节系统设备（如pH 控制器、pH 检测电极、盐酸电磁阀组）调整pH 值，通过曝气量控制DO 浓度，分别使用重铬酸钾法、稀释接种法、纳氏试剂分光光度法、过硫酸钾-紫外分光光度法、紫外分光光度法、过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法检测COD，BOD5，NH3-N，TN，NO3--N，TP。

4 结果分析

4.1 pH 值对一体化氧化沟工艺去除各污染物效果的影响

pH 值在很大程度上决定了污水的处理程度和反应器的经济体积[21]，故以pH 值为参数，考察其对一体化氧化沟脱氮除磷效能的影响。通过向氧化沟中心岛上搅拌加药装置投加液碱与碳酸钠混合液调整pH 值，通过pH 计检测pH 值确定投加终点，使氧化沟内平均pH 值分别维持在6.0～6.5，6.5～7.0，7.0～7.5，7.5～8.0，8.0～8.5，在每段pH 值下稳定运行后，考虑氧化沟系统的稳定性，每个控制条件下，每天取2 次样检测1 周，最后结果取所有点位的平均值，检测点位示意见图3。

图3 一体化氧化沟pH 值取样点位示意

4.1.1 COD

在不同pH 值条件下，一体化氧化沟工艺去除COD 的效果见图4。

图4 不同pH 值对氧化沟COD 去除效果影响

由图4 可以看出，在不同pH 值条件下，氧化沟中COD 去除效率均较高（均高于85%），pH 值从6.5增至7.5 的过程中COD 去除率逐渐增加，此时系统中剩余碱度检测超过100 mg/L，当处理环境中pH值≥7.2，可保证硝化所需环境。当环境中pH 值为7.5 时，对COD 的降解效果最佳，去除率稳定在90%左右，提高混合液碱度对COD 的去除率变化不明显，进一步提高pH 值至8 时，COD 的去除率降至87.4%，同时COD 的去除稳定性随着降低，此时pH值对氧化沟活性污泥系统中微生物有着明显抑制作用，导致微生物酶促反应系统部分失活。结果表明，不同pH 值条件下对COD 的去除率影响有限，但需注意高pH 值对活性污泥的影响，试验结果与程宗旺关于碱性工业废水对氧化沟脱氮的影响研究成果一致。其原因在于pH 值影响着污水中有机物中和、沉淀、氧化还原的过程，同时中性环境下可提高水中微生物代谢活动强度。

4.1.2 NH3-N

在不同pH 值条件下，一体化氧化沟工艺去除NH3-N 的效果见图5。

图5 不同pH 值对氧化沟NH3-N 去除效果的影响

由图5 可以看出，系统pH 值为7 时，NH3-N 的降解效果最佳，去除率为77.9%。进水中NH3-N 质量浓度为16 mg/L 时，pH 值越接近中性环境其对NH3-N 的降解效果越好，在偏酸性或者碱性环境中，部分硝化菌类和反硝化菌类受到抑制，影响NH3-N 的硝化反应速率及NO2--N 的反硝化作用[22]，其原因可能为较短污泥龄内的长世代硝化菌无法适应较低及较高的pH 值，硝化菌的数量降低导致NH3-N 的出水浓度上升。

4.1.3 TN

在不同pH 值条件下，一体化氧化沟工艺去除TN 的效果见图6。

图6 不同pH 值对氧化沟TN 去除效果的影响

由图6 可以看出，pH 值从6 增至7.5 过程中，TN 的去除率呈平稳上升趋势，其去除率由53.32%升至60.41%，当pH 值超过7.5，TN 去除效率随pH值增加而降低，当系统中pH 值较低时，虽然进入反应器中的碳源充足，但过高的NH3-N 浓度使其去除率无法提高，当pH 值较高时，有充足的时间进行硝化作用[23]，但本底中因碳源缺乏反过来抑制反硝化作用，致使系统中积累大量的硝酸盐氮，导致出水中TN 浓度增加。

4.1.4 TP

在不同pH 值条件下，一体化氧化沟工艺去除TP 的效果见图7。

图7 不同pH 值对氧化沟TP 去除效果的影响

由图7 可以看出，pH 值为6.5 时，TP 降解效果最佳，TP 去除率为93.5%。虽然进入反应器中的碳源不足，但pH 值在中性或者弱碱性环境中均可满足聚磷菌降解自身所需的电子受体量，聚磷菌吸磷过程受到的影响较小，不影响整体的除磷效果。

4.2 DO 浓度对一体化氧化沟工艺去除各种污染物效果的影响

DO 浓度是影响一体化氧化沟工艺脱氮除磷效果的一个重要因素[24]。若曝气池中DO 浓度过低，一方面在氧化沟曝气池内，硝化细菌难以完全进行硝化反应过程，好氧微生物数量会减少。另一方面影响着氧化沟工艺的脱氮效果。若DO 浓度过高，则会抑制对聚磷菌的除磷作用，使出水中TP 浓度升高。在低碳源进水条件下，在氧化沟工艺中好氧沟的DO 质量浓度维持在2 mg/L 左右，因此，选取调控DO 质量浓度分别为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 浓度对进、出水中COD 浓度变化见图8。

图8 不同DO 浓度对氧化沟中COD 去除效果的影响

由图8 可以看出，COD 的去除率随曝气段DO浓度的增加（从1.4 mg/L 增至2.3～2.6 mg/L）稳步增加，去除率由83.6%增至86.9%，当DO 质量浓度为2.6～2.9 mg/L 时，对COD 的降解作用有一定程度的抑制。当控制氧化沟曝气段DO 质量浓度为2.3 mg/L时，系统对COD 的降解效果最佳。

4.2.2 NH3-N

参照上述方法对一体化氧化沟工艺在不同DO浓度的环境下进、出水中NH3-N 变化进行研究，不同DO 浓度对氧化沟中NH3-N 去除效果的影响见图9。由图9 可以看出，当DO 质量浓度为2.3 mg/L时，系统对NH3-N 的降解效果最佳。当进水中NH3-N 质量浓度为16 mg/L 时，NH3-N 的去除率随DO 质量浓度的增加（从1.4 mg/L 增至2.3 mg/L） 逐渐增加，且增长幅度较大。但当DO 质量浓度超过2.3 mg/L后，系统硝化反硝化过程受到一定程度的抑制，NH3-N 的去除率随着降低。

图9 不同DO 浓度对氧化沟中NH3-H 去除效果的影响

4.2.3 TN

参照上述方法对一体化氧化沟工艺在不同DO的环境下进、出水TN 变化进行研究，试验结果见图10。

图10 不同DO 浓度对氧化沟TN 去除效果的影响

由图10 可以看出，当DO 质量浓度为2.6 mg/L时，氧化沟工艺对TN 的降解效果最佳。其它DO 浓度下TN 的去除率均接近50%，原因可能为曝气池中DO 浓度较低促进了反硝化菌的繁殖，导致争夺硝化菌的碳源使得硝化作用不完全，最后降低了对TN 的去除效率。

4.2.4 TP

参照上述方法对一体化氧化沟工艺在不同DO浓度的环境下进、出水TP 变化进行研究，试验结果见图11。由图11 可以看出，DO 质量浓度为2.3 mg/L时，氧化沟工艺对TP 的降解效果最佳。DO 质量浓度为1.4 mg/L 时对TP 去除效果较差，其它DO 浓度的去除效果接近且较好，推断原因为在较低的DO浓度下，处在低氧环境下的反硝化细菌迅速增加，使其获取碳源困难从而降低除磷效率。

图11 不同DO 浓度对氧化沟TP 去除效果的影响

5 结论

试验可知，各项出水指标基本均达到城镇污水处理厂污染物排放标准的一级标准,一体化氧化沟在高原地区低进水浓度下脱氮除磷工艺的处理效果较好。

（1）COD 的去除率随pH 值增加（从6.5 增至7.5）逐渐增加，当pH 值为7.5 时，对COD 的降解效果最佳，去除率稳定在88%，当pH 值为8.5 时去除率反而下降，pH 值过低或过高均影响一体化氧化沟工艺对COD 的去除效果；曝气段DO 浓度对去除进水COD 的影响：COD 的去除率随DO 质量浓度的增加（从1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）稳步增加，当DO 质量浓度超过2.0 mg/L 则对COD 的降解作用有一定程度的抑制。

（2）试验条件下，氧化沟系统除磷受pH 值的影响差别不大，DO 质量浓度降至1.4 mg/L 时，TP 的去除率有所下降，因此，低进水浓度下，一体化氧化沟工艺为保持较好的除磷效果，好氧区的曝气时间不宜较短。

（3）系统的NH3-N 去除率随pH 值增加（从6 增至7）逐步增加，NH3-N 最高去除率为77.9%，但当pH 值从7 继续增至8 时，NH3-N 的去除率有所下降。因此，在中性条件下系统可保持较高的硝化效果，有较好且稳定的NH3-N 去除效果；当控制DO质量浓度为2.3 mg/L 时，其对NH3-N 的降解效果最佳。NH3-N 的去除率随DO 质量浓度增加（从1.4 mg/L 增至2.3 mg/L）逐渐增加，当DO 质量浓度增至2.6 mg/L 时系统出水中NH3-N 浓度反而增加，因此，控制氧化沟的曝气量尤为重要。

（4）当pH 值靠近中性时，系统中TN 受pH 值影响不大，当pH 值分别为6 和8 时，系统TN 去除率偏低（分别为53.32%，54.64%），当pH 值为7.5时，系统可取得较好且稳定的TN 去除效果。当DO质量浓度为2.6 mg/L 时，氧化沟工艺对TN 的降解效果最佳。其它DO 浓度下TN 的去除率均接近为50%。

在本试验条件下，最佳工艺控制参数：pH 值为7.5，DO 质量浓度为2.3 mg/L。