成都工业学院，四川 成都

收稿日期：2022年12月4日；录用日期：2023年1月4日；发布日期：2023年1月13日

摘要

为了降低能耗，提高生活污水脱氮除磷效率，精准曝气是最关键因素之一。本文采用活性污泥法，通过微孔曝气，考察了连续式曝气和间歇式曝气循环3次或4次的条件下对生活污水处理300 min后的化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)和总磷(TP)的浓度变化和去除效率。结果表明，采用连续曝气、3次循环曝气、4次循环曝气三种曝气模式对COD的去除率分别为89.60%、79.20%、85.44%，对NH₃-N的去除率分别为81.37%、87.83%、88.73%，对总磷的去除率分别为59.60%、61.87%、62.24%。结果表明，循环曝气可以提高脱氮除磷效率，而且循环次数越多，脱氮除磷效率越高。

关键词

生活污水，曝气，脱氮除磷，活性污泥法，COD，氨氮，总磷

Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus Using Cyclic Alternating Aeration for Domestic Sewage

Hualian Yang^*, Yutong Xie, Xiaoyue Xu, Lei He, Qianglin Li^#, Cheng Qiu

Chengdu Technological University, Chengdu Sichuan

Received: Dec. 4^th, 2022; accepted: Jan. 4^th, 2023; published: Jan. 13^th, 2023

ABSTRACT

In order to reduce energy consumption and improve removal efficiency of nitrogen and phosphorus for domestic sewage treatment, precise aeration is one of the most critical factors. In this paper, the concentration changes and removal efficiency of chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH₃-N) and total phosphorus (TP) after domestic sewage treatment for 300 min under the conditions that continuous aeration or cyclic alternating aeration for 3 or 4 times were investigated by activated sludge method through microporous aeration. The experiments showed that the removal rates of COD, NH₃-N and TP were 89.60%, 79.20%, 85.44%; 81.37%, 87.83%, 88.73%; and 59.60%, 61.87%, 62.24%, respectively by continuous aeration, three cycle aeration, and four cycle aeration. The results show that the cycle aeration can improve the efficiency of nitrogen and phosphorus removal, and the more cycles aeration, the higher the efficiency of nitrogen and phosphorus removal.

Keywords:Domestic Sewage, Aeration, Nitrogen and Phosphorus Removal, Activated Sludge Method, COD, Ammonia Nitrogen, Total Phosphorus

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

随着城镇化进程加快，我国城镇生活用水和污染物排放总量也逐年增加，为避免江河湖以及地下水等受到严重的污染 [1] [2]，污水处理需求不断提升。同时由于双碳目标的提出，对污水处理节能降耗势在必行。根据《2020年中国生态环境统计年报》，2020年我国污水总量达322.3万吨，其中151.6万吨为生活污水，但目前我国的污水处理厂中普遍采用的很多技术都存在能耗高等问题 [3]。

曝气工艺是废水生物处理技术的关键环节 [4]。曝气设备主要有机械曝气、微孔曝气、射流曝气三种方式，现在常用的微纳米曝气，既适用于静止液体，也适用于低速流动液体(w < 0.1 m/s) [5]。采用间歇式循环曝气法，可使污水处理厂节约能源18.3% [6]。目前国内外关于好氧活性污泥法处理污水方面研究大多基于人工湿地、循环式活性污泥法(CAST)、膜生物反应器(MBR)、植物浮岛等污水处理工艺，不能完全体现单独的曝气方式的处理效果 [7]。本文研究了三种不同曝气方式处理生活污水，旨在提高生活污水脱氮除磷效率，同时降低能耗。

2. 实验部分

2.1. 实验试剂

重铬酸钾标准溶液(c(1/6K₂Cr₂O₇) = 0.2500 mol/L)、试亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵标准溶液(c[(NH₄)₂Fe(SO₄)₂∙6H₂O] ≈ 0.1 mol/L)、硫酸–硫酸银溶液、硫酸汞溶液(ρ = 100 g/L)、纳氏试剂、酒石酸钾钠溶液、氮标准贮备液 (c = 1000 mg/L)、钼酸盐溶液、磷标准贮备液、磷标准使用液、浓硫酸(ρ = 1.84 g/L) (成都市科龙化工)，邻苯二甲酸氢钾溶液(c(KC₆H₅O₄) = 2.0824 mol/L)、氮标准使用液(c = 10 mg/L)、过硫酸钾溶液(ρ = 50 g/L)、抗坏血酸溶液(ρ = 100 g/L) (国药集团)。其余试剂均为成都科龙化工，分析纯。

2.2. 实验仪器

充氧泵SB-988 (中山市松宝电器)，恒温干燥箱DHG-9140A (上海–恒科科技)，分析天平AE224C (舜宇恒平)，高压灭菌锅GI54DS (致微(厦门)仪器有限公司)，紫外–可见分光光度计UV-5100B (上海元析仪器)。

2.3. 实验步骤

培养驯化活性污泥7天，分析活性污泥的活性污泥沉降比(SV₃₀)、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、污泥体积指数(SVI)，是活性污泥性能能良好地满足污水处理条件，再采用活性污泥法微孔鼓风曝气，在3种不同曝气模式下处理生活污水，监测污水处理前后的COD、NH₃-N、TP。

1) 活性污泥培养驯化：由生活污水处理厂取5 L浓缩污泥，用30 L的塑料桶，加入乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钠，使COD约1000 mg/L，N-NH₃浓度约60 mg/L，TP约8 mg/L培养7天，污泥成褐色、污泥浓度3000~3500 mg/L。

2) 取样：取3个15 L透明塑料桶，分别加入6 L模拟生活污水，和6 L活性污泥，充分混合均匀，做好标记。模拟污水配制：称取1.2755 g邻苯二甲酸氢钾、0.3212 g尿素、0.0659 g磷酸二氢钾于水桶中，加水稀释至5 L，混匀。则所得的污水COD为300 mg/L，NH₃-N为30 mg/L，总磷为3 mg/L。

3) 好氧(曝气)与厌/缺氧(搅拌)：用充氧泵同时开始曝气处理。1号桶曝气60 min，然后机械搅拌40 min，循环3次；2号桶曝气45 min，机械搅拌30 min，循环4次；3号桶连续曝气3 h，机械搅拌2 h，搅拌转速均为300 r/min，处理完毕后，将3个样品静置60 min，分别取上清液50 mL于3个标号的棕色玻璃试剂瓶中，存于5℃的冰箱中。

4) 指标测定：《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ 828-2017)测定COD、《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)测定氨氮，《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893-89)测定TP。

3. 实验数据及结果

3.1. SV₃₀

取一百毫升的量筒，量取液体V₁ (本实验为100 mL)，污泥完全沉淀后，量筒中污泥的体积V₂ (38 mL)，则

${\text{SV}}_{30}=\frac{{\text{V}}_2}{{\text{V}}_1}=\frac{38}{100}=38\%$

3.2. MLSS

1) 取一张滤纸烘干后测量并记录滤纸质量为m₁ (0.2904 g)。

2) 将100 mL曝气池泥水混合液进行抽滤，取出抽滤完毕的滤纸烘干后。记录称量m₂ (0.7088 g)。于是MLSS为：

$\text{MLSS}\left(\text{mg/L}\right)=\frac{\left({\text{m}}_2-{\text{m}}_1\right)\cdot 1000}{{\text{V}}_1}=\frac{\left(0.7088-0.2904\right)\cdot 1000}{100}=4184(\; mg/L\; )$

3.3. SVI

SVI计算：

$\text{SVI}=\frac{\text{SV}\left(\text{ml/L}\right)}{\text{MLSS}\left(\text{g/L}\right)}=\frac{38\cdot 10}{4.184}=90.82\%\left(\text{ml/g}\right)=91(\; ml/g\; )$

3.4. COD

COD浓度ρ计算公式：

${\rho }_{\text{COD}}=\frac{c\cdot \left(V_0-V_1\right)\cdot 8000}{V}$

去除率φ计算公式：

$\phi =\frac{{\rho }_{\text{0-COD}}-{\rho }_{\text{COD}}}{{\rho }_{\text{0-COD}}}\cdot 100\%$

实验数据如表1所示。

表1. COD实验数据

注：水样10 mL，重铬酸钾体溶液5 mL，硫酸–硫酸银溶液15 mL，硫酸汞溶液1滴，硫酸亚铁铵溶液0.078 mL。本实验中ρ_0-COD为300 mg/L。

3.5. 氨氮浓度

NH₃-N标准曲线如图1所示，R = 0.99948。

图1. NH₃-N测定的吸光度标准曲线

NH₃-N浓度计算过程：

$x=\frac{y+0.0052}{0.1808}$

由于水样测量时稀释了50倍，故NH₃-N浓度c为：

$c=50x$

去除率φ为：

$\phi =\frac{c_0-c}{c_0}\cdot 100\%$

吸光度及氨氮浓度如表2所示。

表2. NH₃-N实验数据

注：本实验中c₀为30 mg/L。

3.6 总磷

磷标准曲线如图2所示。

图2. TP测定的标准液吸光度标准曲线

总磷浓度计算，水样总磷质量m：

$m=\frac{y-0.005}{0.0107}$

总磷浓度c为：

$c=\frac{m}{V}$

去除率φ为：

$\phi =\frac{c_0-c}{c_0}\cdot 100\%$

TP测定的吸光度值及TP数据如表3所示。

表3. 总磷实验数据

本实验中c₀为3 mg/L。

4. 结果讨论

4.1. 活性污泥相关指标

若生活污水的SV₃₀为15%到40%，则污泥沉降性能良好 [8]，该实验测得的污泥沉降比为38%，则该活性污泥沉降性良好。

污泥体积指数(SVI)常用来判断活性污泥的沉降性能，准确度通常高于SV_30。良好的活性污泥SVI常在50~120之间。该实验测得SVI为95 mL/L，故实验所培养的活性污泥沉降性能良好。

4.2. COD

该实验测得1号、2号和3号三种待测水样的COD浓度分别为62.40 mg/L、43.68 mg/L、31.20 mg/L，各自的去除率分别为79.20%、85.44%、89.60%。

由此可知，3号水样的COD去除率达到89.6%，1号水样的最低。因为有机物COD的降解是在好氧条件下进行的，故曝气时间越长、曝气量越多，COD降解率越高。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)规定，1号曝气处理后的污水COD达到了二级标准，2号和3号曝气处理达到一级A标。

4.3. 氨氮浓度

实验测得1号、2号和3号的三种水样的氨氮浓度分别为3.65 mg/L、3.38 mg/L、5.59 mg/L，去除率分别为87.83%、88.73%、81.37%。

由此可知，间歇式曝气(1号和2号)对污水中NH₃-N的去除率接近90%，高于连续曝气(3号)的处理率。间歇式曝气，经过多次好氧和厌氧循环，污泥中反硝化菌和聚磷微生物能够保持较好的活性，而3号曝气由于经过了较长时间的好氧阶段，微生物活性不如1号与2号。氨氮去除率2号略高于1号，表明循环次数越多，氨氮去除率越高 [9]。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)，2号和1号种曝气方式处理的生活污水中的NH₃-N均达到了一级A标。

4.4. 总磷

实验测得1号、2号和3号的三种污水水样的TP分别为1.144 mg/L、1.1328 mg/L、1.23 mg/L，其去除率分别为61.87%、62.24%、59.60%。由此可知，间歇式循环曝气(1号和2号)方式的去除率相差不大，约为62%，略高于3号试样，但3种方式对总磷的去除率均不太高。

因此采用间歇循环曝气，可更好地去除污水中的污染物，且运行更加平稳 [10]。

5. 结论

该实验培养的活性污泥SV₃₀为38%，MLSS为4184 mg/L，SVI为91 mL/g，活性污泥浓度较高，沉降性能良好，适合于研究不同曝气方式处理生活污水对COD、氨氮和总磷的降解情况。

1) 对COD的去除，连续曝气(3号样)去除率最高，达89.6%，而间歇式循环曝气去除率相对偏低。在处理总时间相同的情况下，好氧与厌/缺氧交替循环次数越多，对COD的去除率越高。本实验交替循环4次的去除率高于循环3次。

2) 对NH₃-N和TP的去除，脱氮除磷是在缺氧或厌氧条件下进行的，本实验中采用间歇式交替曝气，循环4次对NH₃-N和TP的去除率最高，分别达88.73%和62.24%，而连续曝气去除率最低，分别为81.37%和59.60%。

因此，用活性污泥法处理生活污水，间歇式交替曝气对污水的脱氮除磷效果优于连续曝气。

基金项目

成都工业学院2021年青苗计划(No. QM2021051)。

文章引用

杨华莲,谢雨桐,徐萧月,何 磊,李强林,邱 诚. 循环交替曝气对生活污水脱氮除磷效率的影响
Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus Using Cyclic Alternating Aeration for Domestic Sewage[J]. 水污染及处理, 2023, 11(01): 15-21. https://doi.org/10.12677/WPT.2023.111003

参考文献