Orbal 氧化沟除氮新工艺

摘要： 通过17个月 orbal氧化沟的实际运行效果来看，生活污水中除氮含量占到了平均COD值的2.7%， DO、MLSS和RAS去除率也有所提高。硝化和反硝化作用的同时运行，使得总氮的去除率上升并稳定在到72.1%，DO在0、1、2三段水渠的浓度分别是0.1、0.4、0.7mg/l。MLSS在各个渠段均为5.5g/l， RAS为150%，虽然在主要除氮指标中，出口处水质最为关键，但中间水渠的作用也不能忽视。在较低的DO 浓度下也可以发生反硝化作用，在高MLSS下和足够的RAS回收率下，下沉污泥被出乎意料的改良在低DO操作模式下，一些解释正在尝试，另外，一系列简单的测试也在验证是否新的微生物对氮的转移起到实质性的贡献，这个结果象征着对Orbal氧化沟的检查更像是一个自然现象

关键字：脱氮、同时硝化作用和脱氮作用、低DO、MLSS、新式微生物

导言：最近的在除氮工艺上的一系列研究主要朝着对传统方法效率和能源的改进，或者朝着对新方法的探索（有一些案例是对新微生物的）能够转化离子氮为无害的形式，所有创新努力的作用都是想得到以下的需求：高去除率、对现有设施最小的干扰（低投资）、和简单的工艺（低运行成本），同时发生的脱氮和反硝化作用，意味着两种过程发生在同一时间和地点，获得了不仅仅是容器体积同时也是简单工艺的好处。

标准活性污泥法作为脱氮的主要工艺总是包含几种不同的反应在不同的溶解氧浓度下，或者是仅仅一种反应在交互交互式的耗氧/缺氧阶段作用下，在非常规情况下，氧含量通常被控制在硝化和反硝化细菌共存的浓度上(Bertanza，1997)，这被证明了反硝化作用能发生在有氧的条件下和硝化作用也是有可能的在低溶解氧的情况下（fRittmann and Langeland．1 985；Lee et.200 l），然而，在非常规作用下氮的丢失总是引起关注，这种同时发生硝化和反硝化作用的现象被观察到在许多领域从实验室到田地里水生植物（fMunch et ．1 995；Collivignarelli andBertanza．1 999；Slikers et ．20031．）

氧化沟是需要较长时间的污泥生物处理法的积极改进，同时也实现部分的脱氮作用，氧化沟法最大的优势就是实现了脱氮作用在较简单的操作和较低的运行成本上，在过去的两个十年，超过一百个它们被建造在市政污水处理上。

迄今为止，对这种SND机制仍有两种解释，首先，物理方面的解释，SND发生在溶解氧倾斜在絮状活性污泥的结果或者存在在一个巨大的缺氧区域引起被构造和搅拌模式(Furukawa et ．l 998；Daigger and Littleton，2000)，第二，生物学方面的解释，被证实有一种耗氧脱氧剂的存在和异养硝化细菌，fRobertson et a1．．1 995；Muller et ． 1 995)，厌氧性的氨氧化（fMulder et ．．1 995．Sliekers et ．．2003）或者反硝化作用被自养硝化细菌（fBock et ．， 1 995：Schmidt and Boek，l 997），能够部分的，如果不是全部的，解释这种不明确的氮的丢失在一定的系统中，最近，一系列新的微生物处理来得到氮的降低被描述和被研究在实验室，然而，仍然有许多问题在田野水生物处理上在这些新的过程中，最近我们知道尤其是这种微生物严格的环境要求是造成这种生物化学方法的主要原因。

这个研究指导我们发展实际和更经济的方法来得到高的除氮率在一个pilot orbal 氧化沟中，明确的目标是：（1）在氮的去除中决定DO、MLSS、RAS的效果，和（2）在简单的测试中评价除氮微生物的角色的价值，更远的讨论SND结构

1． 材料和方法

1.1 Pilot—scale 0rbal氧化沟

一个典型的orbal氧化沟有三个闭合的回路，图（1）展示了这种示意性的反应来表现这个实验。回流活性污泥首先被螺旋泵打到外水渠，然后依次流到中间和里面被重力通过水下设施靠近这个底部在它们进入二沉池之前，每三个水渠都是一个完整的混合反应有着无止境的混合液体反应被浸没式循环泵推动在每个水渠，通过孔板我们把水平流速控制在平均0.0.m/s上，我们以前在纯净水中做过追踪测量，混合物被用来阻止混合液体停下来，好的空气散布器也被安装在每个反应的底部作为作为通风措施，加上潜水泵刺激点式曝气模式执行被圆盘曝气装置在整个设施上，这个设施的容积是300L，和外、中

内水渠分别占155L、83L、62L，水力停留时间被控制在16.5h，没有内部循环流动从内水渠流到外水渠，一条线上DO的检查被做通过德国的WTW340i酸度仪，和溶解氧探针的隔膜被每日的清洗的校正两周一次，溶解氧的校正是通过气流定率仪的手动操作来执行，分开的空气管道被设置在不同的水渠，气流输出到每个水渠的速率也是通过数据输出系统用给定值自动控制，反应操作在室温20-26℃，没有特殊的活动来控制这个温度除了温度低于18℃。

1.2  喂养和播种

从居民区化粪池流过来的生活污水含有大量的胺，平均浓度在81mg/l，同时伴随着低的COD，平均220mg/l，每个早上的8点到9点钟，废水从化粪池流入保持一个恒定的性质，这种废水的特性见下表1

这个反应来自北京近郊的jiuxianqiao污水处理厂，展示了同时进行氮的去除和磷酸盐的去除，实验之前已证明这个反应是可行的在3周的生活污水处理过程中。

1.3 自养反硝化和异养硝化的同时进行实验

共存实验被做了，通过已知的生物化学细菌能够展示出这种生物体的活性是否足够大，它代表了一种真实的除氮机制在pilot-scale系统中，自养反硝化微生物被2×2的检查，异氧硝化作用也被检查不过是在需氧的条件下（conditions fLittleton et .2002)．

1.4 分析方法

污泥样本被离心在3000r/min下10分钟从液体媒介中去除微生物，测试，每日分析of COD．

NH4+一N，NO3--N，NO2--N，MLSS和污泥体积数，操作通过标准方法 (APHA．1 995)．

2 结果和讨论、

2.1 总性能

这个实验被做从2004年5月到2005年9月，按操作条件分为十个不同的时期，报告见表2

因为这个微生物高的氧气利用率大量的消耗氧气和较高的有机污染物负荷在外沟渠，虽然补充空气但溶解氧的含量仍相当的低，空气泵入使得硝化作用是可能的，当这个低的氧浓度使得反硝化作用同时发生，耗氧条件使得更加有效的氧气利用和能量利用，当然结果也减少能量消耗

进水出水中氮的去除效率也与操作条件密切相关，具体统计见图2。通过这个实验没有亚硝酸盐堆积在出水水渠，其浓度总是小于0.2mg/l，在系统稳定后这个数据被收集，在Ⅰ—Ⅲ时期，中心水渠DO是在逐渐的降低从过去典型的0.3、1.5、3mg/l到0.1、0.4、0.7mg/l，而这对硝化作用并没有什么害处，硝酸盐浓度也在降低，表明了反硝化作用的加强，氮的去除率也从第一阶段的36%爬升到了第三阶段的53.4%，内部水渠溶解氧浓度也降低到了0.5mg/l，出水处胺浓度8.5%，氮的去除率也回到了44.6%。

同第三阶段相比，Ⅴ、Ⅵ阶段我们可以从表2看到，低于溶解氧的平均值，提高MLSS明显的加强了氮的去除率，排出水的硝酸盐逐渐的从第三阶段的36mg/l降低到第六阶段的25mg/l，胺的浓度仍然维持在1mg/l较低的水平，虽然DO的浓度很低，但硝化作用仍然较强，换句话说，在较低的DO下硝化反应仍然发生，利用自身的碳源加强反硝化作用似乎是解释在高的MLSS下较高的氮去除率的更好的理由。

RAS回收率也被认为是氮去除率的一个重要指标，在不同的渠道中，当DO分别为0.2、0. 4、0.7mg/l时，氮的去除率从3.9%上升到64.8%、68.7%，RAS回收率从100%增长到了120%、150%，甚至再可以增加3.4%，200%的RAS回收率将不再对氮去除率有影响，氮去除率回落到了65.3%，然而，这也意味着有更多的硝酸盐回流到了反应，反硝化作用将会在一定程度上得到加强，但是一旦反硝化作用饱和的话，太多的RAS将会使整个反应看起来像一个混合反应器，并且会毁坏出水带的缺氧区。在X时期，内部渠道的DO将会进一步降低到0.5mg/l，出水胺浓度戏剧性的升高到超过15mg/l，伴随着除氮率降低到小于50%。

这也证明了有技巧的操作，低DO，高MLSS，和增长的RAS回流率能够是有用的，尤其是进水处在一个较低的DO/TN水平上。为了实现高的除氮率，COD和硝化作用不能受到重大影响，但出水处的TN得到显著的降低，低DO操作能够显著的降低鼓气方面的成本，利用自身碳源的反硝化作用被相信能更好的解决TN去除率的问题。当MLSS在5.5g/l时，没有活性污泥浪费，仅在沉淀池有少许沉淀。

图3揭示出在Ⅷ条件下COD、含氮量的一些指标，为了在orbal进程中了解N的去除机制，一个小的反应容器，被临时的放在出水口5min，在混合入活性污泥之后TN戏剧性的从81.1mg/l降低到了44.6mg/l，这主要是因为稀释作用。除此之外，污泥的吸附作用也可能是COD从进水的200mg/l降低到混入回流活性污泥后的51mg/l的原因。

图3展示了在混合液体进入出水渠之后，COD浓度降低到了40mg/l。由于异养微生物的氧化作用和反应的稀释作用，利用自身碳源进行的反硝化作用得到了限制。COD从中间水渠开始得到了一些改变，8小时的停留时间，使得有机污染物消耗怠尽。

在出水，中间和进水区域，除氮率分别为11.2、7.5、2.8mg/l，这表明出水渠对氮的去除率贡献最大。低的氧气浓度和有机物能够解释这一现象。因此加强中间水渠的反硝化作用就显得尤为重要，在这一区域，DO浓度仅为0.4mg/l，停留时间为5h。当MLSS为5.5g/l，DO为1mg/l时，利用自身碳源的反硝化作用可以发生。MLSS为3g/l，水力停留时间为2-3小时时，不能观察到氮的去除现象，换句话说，若要使氮的去除工艺最优化，中间水渠的反硝化作用不能被忽视。尽管内部水渠仅仅分担了2.8mg/l的除氮量，但胺的去除主要是在这里进行，而且内部水渠的存在可以使得进水在DO较低的情况下不必过多的考虑会出现硝化作用。

2.2  活性污泥体积变化

在这个实验当中，低的F/M和DO容易导致活性污泥的分散，污泥体积变化率和氮的去除率见表4，伴随着DO的下降和氮去除率的升高，SVI呈现出逐步下降的趋势，从最初的170mg/l下降到氮去除效率最高时的115mg/l，条件Ⅷ。

令人吃惊的是低DO浓度会改善活性污泥的性质，这与当前的很多报导相矛盾。一些可能的解释是这样的：首先，一般人们认为纤维细菌有着较低的运动常数，在较低的DO条件下由于生存竞争而导致了污泥膨胀。然而，在orbal系统中，虽然氧气被鼓入外水渠，微生物的高的耗氧反应仍然导致了氧气的缺少，曝气点的位置也导致了缺氧带的存在（在硝酸盐存在的地方DO为0），由于氧气的缺乏，大多数需氧细菌和厌氧细菌（许多是絮凝状微生物）能够利用硝酸盐（来自出水渠硝化作用和回流污泥）作用和无氧呼吸作用来获得能量并作为电子受体。然而，在许多文献中，这种异养丝状微生物被描述成是严格耗氧微生物，仅仅氧气作为它们最终的电子受体，结果，由于人工筛选作用，使得我们选用的丝状微生物都不具备在低DO的出水水渠生存的能力。第二，虽然水平设计使得每个水渠都能得到充分混合，连续的orbal过程使得湍流反应比丝状微生物更具有优势。第三，这只是假设，不过也有一些数据可以证明，絮状微生物比丝状微生物有更高的絮凝性和储量。在这个实验中高的HRT和SRT，有足够长的时间来使它们通过自身的呼吸作用来达到絮凝作用，也使絮状微生物比丝状微生物更具有优势。

2.3  新式细菌对氮去除率的一系列测试

一系列测试被开展来验证这种能同时进行硝化作用和反硝化作用的细菌是否在真实的SND构筑物中有足够的效果，这不能被忽视。所有实验都是在室温23-25℃完成的，新鲜的混合液体被从pilot-orbal系统的内水渠取出来开展一系列的测试，硝酸盐含量仅在20mg/l（胺和亚硝酸盐低于1mg/l），COD40mg/l。

2.3.1 自养性反硝化作用的缺氧实验

被观察到当氨和氮出现时，溶解氧和有机物在同一时间消失，一些细菌能够使用氨作为电子供体和亚硝酸盐作为电子受体，(Equation (1))．Bock et a1． （l 995)首先观察到了这种反应，即使效率很低。在orbal系统中，出水渠首次接受进水并总是保持在低DO的环境中，并与长的SRT相结合，使得下面的反应可以发生：NH4 +NO2一一N2+2H2O

从内部水渠取来的新鲜污泥样本被分别放到四个封闭的玻璃器皿（标签1-4），每个容器体积为2L，带有一个简单的进出口，氯化铵和亚硝酸钠，前者加到反应3和4当中，后者加到反应2、3和4当中，得到浓度为20mg/l的亚硝酸铵和亚硝酸盐，反应一没有实现缺氧控制。

反应过程中磁力搅拌能提供足够的混合，厌氧测试时PH值围绕在7.00-7.20之间，随着反应的进行PH逐渐上升到7.25-7.5。在反应中并没有对PH进行干预，样本在最初的一小时采集两次，在随后的6个小时里每小时采集一次，每次采集40ml，在规定时间内，氮的去除率达到了50%。

2.3.2 异养硝化作用和需氧反硝化作用的好氧性实验

一些异养生物，如Thisphaera，能够在有氧条件下把氨转化为亚硝酸盐，伴随着消耗能量，甚至，衙门能同时进行好氧的和厌氧的反硝化作用。Thisphtwr的异氧硝化作用和好氧反硝化作用可以用电子转移到氧的瓶颈效应来解释。电子转移到氧的速率是一定的，多余的电子流向氮，反硝化作用（脱氮作用）就随即发生了。不过，如果硝酸盐和亚硝酸盐同时存在，能量就会被用在氧化氨上（异氧硝化作用），在有氧气的条件下，在氨和易于生物分解的物质都存在的时候发生的这个反应。

作为缺氧性实验的一个反应被用在好氧性实验上，但是容器没有密封。压缩空气被鼓入这个反应来使DO维持在6mg/l以上。在好氧测试期间PH值不予人工调节，从开始的7.00-7.18变化到后来的6.85-7.05。氯化铵被加到反应7、8来使铵的浓度达到20mg/l，乙酸醋酸盐也被加到反应6、8来使COD达到100mg/l（标签3），反应5作为空白对照实验。反应持续3小时。

2.3.3 实验数据分析和讨论

厌氧实验的结果列于表5，在反应1中，硝酸盐是总氮含量的主要成分，随着时间的流逝呈现出减少的趋势，这些都归结于传统异养细菌的反硝化作用。在另外3个反应当中，硝酸盐含量几乎一直没变，即使是轻微的减少。在反应2亚硝酸盐浓度从30.31mg/l下降到了9.6mg/l，也直接导致了总含氮量的曲线下降，反应4也展现了同反应2类似的现象，从20.49mg/l下降到了9.42mg/l，这表明传统的异养型微生物更喜欢通过亚硝酸盐而不是硝酸盐来进行反硝化作用，这导致了亚硝酸盐的去除。除此之外，一些亚硝酸盐也被转化成了硝酸盐，这是由于不完全厌氧的结果。由于没有惰性气体的泵入，这也给氧气的侵入带来了机会。硝酸盐的明显的增长可以支持上述结论，在反应4只有大约2.59mg/l的铵被消耗。甚至小于反应3的3.17mg/l，异养反应的增长应该是对这种铵消耗的最合理的解释。

与反应3-4的亚硝酸盐的消耗和反应2-4的铵的消耗相比，没有迹象能够证明这种能够利用亚硝酸铵和亚硝酸盐来自动进行反硝化作用的微生物的存在。

好氧测试的结果见表6，在反应5氮的种类总是没有得到改变，但在反应6，因为醋酸盐的加入，硝酸盐有个小幅度的下降，换算成N的含量为1.96mg/l，从24.73到22.77。在反应7中，由于铵硝化作用的发生，无机氮从46.78下降到了44.28mg/l，下降2.50mg/l。在反应8，由于铵和醋酸盐的共同作用，总无机氮从48.05下降到了44.24mg/l，降幅3.81mg/l。反应7和8相比，硝化作用同时发生，但后者由于加入了醋酸盐而展示了更慢的硝化速率。从反应6-7来看，没有足够的数据能够证明异养硝化作用和好氧反硝化作用在反应8中发生。

一般说来，同时在厌氧和好氧条件下进行实验并不能给出存在新型细菌的足够的证据，这些细菌在orbal系统中扮演的除氮角色也会被忽视。

3 结论

SND系统是一个低投资、低运行成本的系统，不需进行硬件设施的改造，具有良好的流动性，尤其是含氮污染物能够得到很好的去除。SVI控制也得到加强，实验数据可以证明，通过对DO、MLSS、RAS的控制，除氮率可以得到很好的改善，尤其是在低DO/TN的情况下。通过简单的化验，我们可以得知：与生物化学作用相比，SND主要由构筑物的构造和曝气情况决定，更是一种物理现象。