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书书书 第６１卷 第４期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．６１ Ｎｏ．４ ２０１０年４月 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｒｉｌ ２０１０檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文改良犝犆犜分段进水脱氮除磷工艺性能及物料平衡葛士建１，彭永臻１，张 亮２，王希明１，王淑莹１（１北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复重点实验室，北京１００１２４；２哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００９０）摘要：采用改良ＵＣＴ分段进水试验装置研究了该工艺处理实际生活废水的脱氮除磷性能，建立了该系统碳（ＣＯＤ）、氮、磷的物料衡算公式，并以稳态条件下试验数据为基础分析评价了各指标的物料分布情况。结果表明，工艺出水水质稳定，抗冲击负荷能力较强，平均出水ＣＯＤ、总氮、总磷含量分别为４３．５、８．５１、０．２９ｍｇ·Ｌ－１，满足国家城镇生活污水一级Ａ排放标准。此外，根据建立的物料衡算公式及工艺各反应区污染物指标的转化途径分析发现，高达６７．１％的反硝化脱氮作用（包括缺氧反硝化和好氧同步硝化反硝化）是该工艺深度脱氮的根本原因；系统反硝化和释磷过程利用的ＣＯＤ占总去除量的６２．１％，体现了该工艺充分利用原水碳源的优势；氮素和ＣＯＤ的平衡率均高达９９．８％，证明了所建立的公式的有效性。系统对磷的去除主要依赖于排放的剩余污泥，占总量的７１．７％。关键词：分段进水；脱氮除磷；ＵＣＴ；物料平衡中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１０）０４－１００９－０９犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犪狀犱犿犪狋犲狉犻犪犾犫犪犾犪狀犮犲狅犳犿狅犱犻犳犻犲犱犝犆犜狊狋犲狆犳犲犲犱犲狀犺犪狀犮犲犱犫犻狅犾狅犵犻犮犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱狆犺狅狊狆犺犪狋犲狉犲犿狅狏犪犾狆狉狅犮犲狊狊犌犈犛犺犻犼犻犪狀１，犘犈犖犌犢狅狀犵狕犺犲狀１，犣犎犃犖犌犔犻犪狀犵２，犠犃犖犌犡犻犿犻狀犵１，犠犃犖犌犛犺狌狔犻狀犵１（１犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犅犲犻犼犻狀犵犳狅狉犠犪狋犲狉犙狌犪犾犻狋狔犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犠犪狋犲狉犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犚犲犮狅狏犲狉狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１００１２４，犆犺犻狀犪；２犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犝狉犫犪狀犠犪狋犲狉犚犲狊狅狌狉犮犲犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋，犎犪狉犫犻狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犎犪狉犫犻狀１５００９０，犎犲犻犾狅狀犵犼犻犪狀犵，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒｎｕｔｒｉｅｎｔｓｉｎｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄＵＣＴｓｔｅｐｆｅｅｄｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｈｅｎｔｒｅａｔｉｎｇｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｕｎｄｅｒｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｂａｌａｎｃｅｓｏｆＣＯＤ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈａｔｅｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｍａｔｅｒｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｌｓｏｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｓｔａｂｌｅｅｆｆｌｕｅｎｔｑｕａｌｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｓｈｏｃｋｌｏａｄ，ｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＣＯＤ，ＴＮａｎｄＴＰｗｅｒｅ４３．５，８．５１，０．２９ｍｇ·Ｌ－１ｏｎａｖｅｒａｇｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｔｈｅｆｉｒｓｔｌｅｖｅｌＡｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｆｏｒｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｗａｓｍｅｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｐａｔｈｗａｙｓｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ６７．１％ｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ ２００９－１０－１６收到初稿，２００９－１１－１９收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：葛士建（１９８７—），男，博士研究生。基金项目：国家“十一五”重大科技专项课题（２００８ＺＸ０７３１４００８０１，２００８ＺＸ０７３１７００７１０５）；北京市教委科技创新平台项目（ＰＸＭ２００８０１４２０４０５０８４３）；２００８年中韩环境共同技术研究项目。 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－１０－１６．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＰＥＮＧＹｏｎｇｚｈｅｎ，ｐｙｚ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｐｅｃｉａｌＰｒｏｊｅｃｔｓ（２００８ＺＸ０７３１４００８０１，２００８ＺＸ０７３１７００７１０５），ｔｈｅＰｒｏｊｅｃｔｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅａｎｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍｏｆＢｅｉｊｉｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ（ＰＸＭ２００８０１４２０４０５０８４３）ａｎｄｔｈｅＫｏｒｅａＣｈｉｎａＪｏｉｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． ｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｒｅｍｏｖｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｎｏｘｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＳＮＤ）ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｈｉｇｈｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＣＯＤｃｏｎｓｕｍｅｄｉｎｔｈｅｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｌｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒ６２．１％，ｗｈｉｃｈｅｍｂｏｄｉｅｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓ．ＢｏｔｈｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄＣＯＤｂａｌａｎｃｅｒａｔｉｏｓｗｅｒｅａｓｈｉｇｈａｓ９９．８％，ｗｈｉｃｈｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｅｑｕａｔｉｏｎｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖａｌｗａｓｍａｉｎｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅ，ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒ７１．７％ｏｆｔｈｅｔｏｔａｌ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｔｅｐｆｅｅｄ；ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖａｌ；ＵＣＴ；ｍａｔｅｒｉａｌｂａｌａｎｃｅ引 言通过调整Ａ２／Ｏ工艺（ａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｎｏｘｉｃ／ｏｘｉｃ）厌氧池、缺氧池和好氧池的体积分配比以及各功能区的布置结构，以提高Ａ２／Ｏ污水生物处理工艺的脱氮除磷性能，这在一定程度上改善了该工艺的脱氮除磷能力，但这些改进措施及变种工艺都需要高能耗的硝化液内回流设施，或者通过投加甲醇等外碳源提高反硝化脱氮作用以满足日益严格的排放标准，因此药剂费用等限制了传统Ａ２／Ｏ及其相应变种工艺的实际应用［１３］。连续流分段进水工艺一般由多个Ａ２／Ｏ或Ａ／Ｏ（ａｎｏｘｉｃ／ｏｘｉｃ）段串联组合而成，工艺采用各段缺氧区或厌氧区多点进水的方式，不设置硝化液内回流设施，只需将二沉池污泥回流至反应器首段［４］。Ｃｈａｎｇ等［５］以人工合成废水为对象，采用厌氧／好氧／缺氧／好氧的二段式分段进水运行模式，探讨了３种进水流量分配比条件下的工艺的去碳脱氮除磷效果。Ｇｒｇüｎ等［６］采用数学模型模拟分段进水工艺，结果表明当工艺采用三段式时系统出水水质最佳，而且所需反应器容积最小。Ｖａｉｏｐｏｕｌｏｕ等［７９］采用三段分段进水工艺处理希腊某城市生活废水，水力停留时间９ｈ，进水流量４Ｌ·ｈ－１，研究发现当各段进水比例为６０％、２５％、１５％时，系统对各污染物去除效率最高，达到欧盟污水排放标准。Ｚｈｕ等［１０１２］研究了优化四段分段进水工艺性能的运行参数，分析并解释了系统发生同步硝化反硝化现象的原因，而且建立了工艺的模糊控制策略。本研究提出的改良ＵＣＴ分段进水深度脱氮除磷工艺是ＵＣＴ工艺（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｐｅｔｏｗｎ）和分段进水策略的联合应用，连续一年的运行试验发现系统存在显著的同步硝化反硝化和反硝化除磷现象，并且采用各段厌氧区和缺氧区按比例进水的策略，更能充分利用原水碳源的优势，为该工艺实现深度脱氮除磷提供了强有力的保障。Ｎｏｗａｋ等［１３］认为，研究活性污泥法系统的碳（ＣＯＤ）、氮、磷的物料衡算，有助于更好地理解和分析工艺系统有机物和营养元素的分布变化情况。Ｂａｒｋｅｒ等［１４］研究了好氧系统、缺氧系统、缺氧／好氧系统和厌氧／缺氧／好氧系统４种系统的碳（ＣＯＤ）和氮的物料平衡情况。为充分理解和把握改良ＵＣＴ分段进水工艺系统特性，本文首次建立了分段进水工艺的碳（ＣＯＤ）、氮、磷的物料衡算公式，并且以稳态运行条件下的试验数据为基础，分析了改良ＵＣＴ分段进水工艺碳（ＣＯＤ）、氮和磷的物料走向及平衡情况，以期为评价试验数据的可靠性以及建立工艺的数学模型参数提供依据和指导。１ 材料和方法１１ 试验装置中试试验装置由初沉池、水箱、主体反应器和二沉池组成（图１）。主反应器有效容积３４０Ｌ，有机玻璃材质，尺寸５０ｃｍ×６０ｃｍ×１２５ｃｍ，由１个厌氧区和３个连续交替缺氧区、好氧区组成。系统采用电磁式空气压缩机曝气，以黏砂块为微孔曝气器，转子流量计调节曝气量，进水及污泥回流通过蠕动泵控制。竖流式二沉池由有机玻璃制成，上部沉淀区呈圆柱形，直径为５０ｃｍ，污泥斗为截头倒锥体，倾角为６０°，总高度为９０ｃｍ，容积为８８Ｌ，采用中心进水、周边三角堰出水方式。夏季在室温下运行，冬季由热交换器保持恒温２２℃左右。工艺运行条件：日处理量１．０２ｍ３·ｄ－１，三段进水流量分配比为４∶３∶３，水力停留时间为８～１０ｈ，污泥龄为１０ｄ左右，第一段混合液回流比为１００％，污泥回流比为５０％～１００％。１２ 试验材料及分析方法硝态氮采用麝香草酚光度法测定；亚硝态氮采·０１０１·化 工 学 报 第６１卷 图１ 改良ＵＣＴ分段进水生物脱氮除磷工艺中试试验装置Ｆｉｇ．１ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｉｌｏｔｓｃａｌｅｍｏｄｉｆｉｅｄＵＣＴｓｔｅｐｆｅｅｄＢＮＲｐｒｏｃｅｓｓ１—ｉｎｆｌｕｅｎｔｔａｎｋ；２—ｉｎｆｌｕｅｎｔｐｕｍｐ；３—ｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｃｙｃｌｅ；４—ｓｔｉｒｒｅｒ；５—ｓｌｕｄｇｅｒｅｔｕｒｎｐｕｍｐ；６—ｓｅｃｏｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔａｎｋ；７—ｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｄｉｓｃｈａｒｇｅ；８—ｅｆｆｌｕｅｎｔ；ＡＮ—ａｎａｅｒｏｂｉｃｂａｓｉｎ；ＤＮ—ａｎｏｘｉｃｂａｓｉｎ；ｏｔｈｅｒｂａｓｉｎｓａｒｅｏｘｉｃｂａｓｉｎｓ 图２ 改良ＵＣＴ分段进水深度脱氮除磷工艺的氮平衡Ｆｉｇ．２ ＮｉｔｒｏｇｅｎｍａｓｓｂａｌａｎｃｅｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄＵＣＴｓｔｅｐｆｅｅｄｐｒｏｃｅｓｓ 用犖（１萘基）乙二胺光度法测定；ＣＯＤ采用５Ｂ２型ＣＯＤ快速测定仪测定；污泥浓度ＭＬＳＳ采用滤纸称重法测定；挥发性污泥浓度ＭＬＶＳＳ采用马弗炉灼烧重量法测定；凯氏氮采用凯氏氮测定仪测定；ｐＨ、ＯＲＰ、ＤＯ和温度均采用ＷＴＷｐＨ／Ｏｘｉ３４０ｉ测定仪在线监测。２ 改良ＵＣＴ分段进水工艺物料衡算理论分析２１ 氮平衡计算分析方法改良ＵＣＴ分段进水深度脱氮除磷工艺的氮平衡分析如图２所示，根据工艺特点，首先以第α段为对象进行氮元素的物料衡算，那么该段缺氧区ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－狓Ｎ