大量氮素進入受納水體是造成富營養化的主要原因之一。隨著2007年太湖藍藻事件的發生，污水處理廠擴建及提標改造在全國范圍內拉開了帷幕。據統計數據顯示，擴建及提標改造關注的指標主要包括SS、總磷、總氮。其中，可以通過增設砂濾池、濾布濾池等過濾單元達到深度去除SS的目的，可以采取化學強化除磷手段確保出水總磷穩定達標。但截至目前，研究人員尚未發現適用于大規模工業運行需求的物化脫氮技術，而傳統低成本的生物技術仍是當前污水脫氮的首選。
生物脫氮技術主要包括氨化反應、硝化反應和反硝化反應。其中，氨化反應機理為氨化菌在有氧或無氧條件下將有機氮轉化為NH4+-N；硝化反應機理是利用亞硝化菌與硝化菌在有氧和無機碳源參與下將氨氮氧化為NO3--N；反硝化反應機理為反硝化菌利用有機碳源在缺氧環境下將NO3--N逐級還原為N2，從而完成脫氮過程。但據統計，我國城市污水C/N值普遍介于3.8~8.5之間，屬于典型低C/N值污水，采用傳統生物脫氮技術往往會因為有機碳源不足而使得反硝化階段缺乏能量及電子供體，導致反硝化反應進行不徹底，造成總氮去除率較低。
此外，從上述反應機理還可以看出，NO3--N也是實現生物脫氮的重要基質，該基質濃度水平與內回流比直接相關。而反硝化反應階段的DO濃度水平對氮素的去除有顯著影響，高濃度DO會與硝酸鹽競爭電子供體，同時也會抑制硝酸鹽還原酶的合成及其活性，對總氮的去除產生抑制作用，從而嚴重影響水環境質量的改善。高效生物脫氮已成為水處理領域的難點，因此備受研究人員和工程技術人員的廣泛關注。
鑒于此，筆者在改良型A2/O工藝基礎上，針對低C/N值城市污水，在具體工程實例中探討了內回流比與DO濃度對生物脫氮效果的影響，并采取輔助外加碳源的方式進一步強化出水氮素指標的可控性，從而為低C/N值污水在實際生產運行中的優化控制提供參考。
1、材料與方法
1.1 工程概況
重慶市某污水處理廠設計規模為6×104m3/d，采用改良型A2/O+V型砂濾池工藝，工程占地7hm2（含擴建用地），總投資約3.5億元，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準，具體工藝流程如圖1所示。
該污水處理廠尾水的受納水體為長江，為切實改善長江上游水環境質量，該污水處理廠于2019年6月完成了擴建及提標改造，但由于受內回流基質不足、DO控制不合理、進水C/N值長期偏低、反硝化不徹底的影響，導致經改造后的污水處理廠出水總氮可控性仍然較差，長期維持在11.9~14.4mg/L之間，已接近一級A標準限值，存在嚴重的水質超標風險。
1.2 試驗方法
對改良型A2/O工藝進行強化生物脫氮性能研究。首先穩定每種工況下的好氧區尾端DO濃度均一致，調整內回流比，探討內回流比對生物脫氮效果的影響；其次穩定每種工況下內回流比均一致，調整好氧區尾端DO濃度，探討DO濃度對生物脫氮效果的影響。具體工藝運行條件見如表1所示，其中各工況的污泥回流比均為60%~70%，污泥濃度為4000~5000mg/L。在上述最優內回流比與DO濃度基礎上，輔以外加碳源的方式進一步強化氮素指標的可控性。
試驗期間進水BOD5為91~197mg/L，總氮為32.2~39.7mg/L，氨氮為22.1~31.4mg/L，C/N值為2.61~5.37。試驗所用有機碳源為食品級葡萄糖，葡萄糖含量（以干物質計）≥99.5%，干燥失重≤10%，比旋光度為+52.0°~+53.5°，pH值為4.0~6.5，氯化物含量≤0.01%，硫酸灰分≤0.25%。1.3分析項目及檢測方法COD采用重鉻酸鉀法測定，BOD5采用生化需氧量分析儀測定，NH3-N采用納氏試劑比色法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，DO采用熒光法測定，NO3--N采用離子選擇電極法測定。
2、結果與討論
2.1 內回流比對氮素去除效果的影響
不同內回流比下對氮素的去除效果如圖2所示。可以看出，5種工況下出水總氮平均濃度分別為14.2、13.6、12.9、12.1、13.7mg/L。工況Ⅰ~Ⅳ的出水總氮濃度隨著內回流比的增大呈現緩慢下降的趨勢。工況Ⅳ中總氮濃度最低降至11.7mg/L，總氮平均去除率為65.6%，相比工況Ⅰ提高了7.2%。但在工況Ⅴ中，隨著內回流比的進一步增加，出水總氮卻呈現急劇反彈的趨勢，濃度最高達到14.4mg/L，總氮平均去除率降至61.7%。
分析原因，隨著內回流比的增大，進入缺氧區的NO3--N逐漸增加，參與反硝化反應的基質濃度呈上升趨勢，大量NO3--N轉化為N2，達到了脫氮目的，使得出水總氮濃度下降。當內回流比為300%時，大量硝化液攜帶DO進入缺氧區，提升了缺氧區DO濃度，破壞了反硝化所需的缺氧環境，導致硝酸鹽還原酶的合成及其活性受到抑制，反硝化反應受到嚴重影響。
圖3為缺氧區DO濃度隨內回流比的變化。可以看出，工況Ⅰ～Ⅳ中缺氧區DO濃度約為0.1mg/L，滿足反硝化脫氮所需的缺氧條件，但工況Ⅴ的缺氧區DO濃度最高升至0.65mg/L，對反硝化脫氮產生了抑制作用。
5種工況條件下，出水氨氮濃度較穩定，數值均低于國標檢出限（0.05mg/L），說明內回流比對出水氨氮影響較小。究其原因，主要是因為氨氮的轉化場所主要集中在好氧區域，而內回流比僅對缺氧區DO產生影響，只要好氧區DO充足，出水氨氮將不會受到影響。試驗期間，出水氨氮平均去除率均維持在99%以上。綜上所述，當內回流比為275%時，出水總氮平均濃度能維持在12.1mg/L左右，平均去除率為65.6%，氨氮濃度低于國標檢出限。為此，從兼顧總氮與氨氮的角度出發，需要繼續對DO進行優化。
2.2 DO對氮素去除效果的影響
不同DO下對氮素的去除效果如圖4所示。可以看出，5種工況下出水總氮平均濃度分別為11.9、11.2、11.8、12.9、14.4mg/L。工況A～E中，出水總氮濃度隨著DO的增大呈現先下降后上升的趨勢，尤其是工況E，其出水總氮最高為14.6mg/L，接近一級A標準限值。從水質標準與工藝管控要求出發，立即終止工況E的試驗，并將DO濃度重新優化為1.2～1.5mg/L，經過一個周期的運行后發現，出水總氮濃度重新降至11.0mg/L左右，平均去除率維持在67%左右。5種工況下，出水氨氮的平均濃度分別為3.01、0.48、0.05、0.05、0.05mg/L。工況A～E中，隨著DO的增大，出水氨氮濃度呈現急劇下降的變化趨勢，到工況B后期，逐漸趨于穩定，濃度維持在0.05mg/L以下，去除率穩步升至99.8%以上。
分析原因，工況A條件下，由于DO過低，導致好氧區硝化反應受到抑制，氨氮轉化受到影響，使得出水氨氮濃度較高，最高升至3.23mg/L，接近一級A標準限值的2/3；工況B條件下，隨著DO濃度的升高，硝化反應進展順暢，好氧區NO3--N濃度呈現穩步上升的趨勢，出水氨氮下降趨勢明顯；從工況C開始，由于進一步提升了DO濃度，雖然出水氨氮濃度能維持在較低水平，且顯著優于一級A排放標準，但過高的DO濃度會隨內回流硝化液進入缺氧區，從而打破缺氧區低DO狀態，對反硝化反應造成嚴重影響，導致出水總氮惡化。
2.3 碳源的使用情況
碳源是微生物進行反硝化脫氮的必備要素，可為反硝化提供源源不斷的電子供體，對凈化污水具有重要影響。我國城市污水的C/N值普遍偏低，碳源不足，導致氮素去除率較低。根據污水處理廠多年的實際運行經驗，當C/N值大于8時，才能滿足反硝化所需碳源要求。但本工程中C/N值長期介于2.5~5.5之間，屬于典型低C/N值污水，僅僅依靠原水碳源無法穩定實現生物脫氮，需要輔以外加碳源的方式來強化對氮素的深度去除。
在內回流比為275%、好氧區尾端DO濃度為1.2~1.5mg/L條件下，通過輔以外加碳源的方式進一步強化氮素指標的可控性，結果如圖5所示。
從圖5可以看出，工況a（碳源投加量為400kg/d）條件下，出水總氮僅能勉強控制在一級A標準范圍內，若出現水質、水量沖擊，存在出水水質超標風險。工況b（碳源投加量為600kg/d）和工況c（碳源投加量為800kg/d）條件下，出水總氮呈現輕微下降的趨勢，但濃度仍接近一級A標準限值的2/3，指標可控性仍然不理想。工況d（碳源投加量為1000kg/d）條件下，出水總氮平均濃度降至9.20mg/L，出水氨氮的平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標顯著優于一級A排放標準。分析可知，試驗所用葡萄糖的COD當量為932mg/L，以前述工況b下經穩定運行后的出水總氮平均濃度作為背景值，將總氮降至9.20mg/L，下降濃度約為2mg/L，按照目前污水處理廠水量負荷約67%計算，每去除1mg/L總氮需投加的葡萄糖為11.6mg/L。按照葡萄糖市場價格約4400元/t計算，每處理1m3污水對成本的貢獻僅為0.11元，且對出水指標能實現更加穩健的控制。
外加碳源對COD去除效果的影響如圖6所示。可以看出，受各工況下碳源投加量的影響，試驗期間進水COD波動較大，但出水COD均能穩定維持在15mg/L以下，去除率高達94.9%～98.0%，未受明顯影響。說明外加碳源均能被微生物充分利用，不會對出水水質造成負面影響。
3、結論
①適當增大內回流比有利于提高總氮去除率，但內回流比過高會使硝化液攜帶大量DO進入缺氧區，不利于反硝化反應的進行。降低DO濃度有利于去除總氮，但會抑制好氧區的硝化反應，氨氮轉化受到影響。
②本試驗確定的適宜內回流比為275%、適宜DO為1.2~1.5mg/L。在輔以外加碳源的情況下，出水總氮的平均濃度可降至9.20mg/L，氨氮平均濃度為0.38mg/L，出水氮素指標顯著優于一級A排放標準。
③外加碳源不會對出水COD產生明顯影響，說明碳源均能被微生物充分利用。外加碳源對成本的貢獻僅為0.11元/m3，且能夠更加穩健地控制出水指標，有效促進了成本與水質的雙贏。（來源：重慶大學化學化工學院，重慶市三峽水務渝北排水有限責任公司，長江師范學院化學化工學院）
