响应面法用于优化污水厂脱氮工艺的研究

响应面法用于优化污水厂脱氮工艺的研究

于文杰

身份证号码： 45030419851107****

摘要：经济的发展，社会的进步推动了我国综合国力的提升，也带动了化工行业发展的步伐，当前，随着“水十条”的出台与实施，我国污水处理厂大多面临更加严格的运行过程监管和出水达标要求，如何使出水稳定达标排放，尤其保证出水TN稳定达标是污水厂需要解决的首要问题。生物脱氮是污水厂最常用的脱氮方法，碳源不足则是影响污水生物脱氮效能的主要制约因素。同时，污水在污水厂经过处理后，有大量剩余污泥需要处理和处置。剩余污泥的主要成分为有机物，约有18%～30%的挥发性固体（VSS）可以转化为溶解性COD（SCOD），这部分SCOD中85%的成分可以转化为挥发性脂肪酸（VFA）。基于此，本文主要对响应面法用于优化污水厂脱氮工艺的进行研究下，详情如下。

关键词：响应面法；污水厂；脱氮工艺

引言

近年来，随着工业生产的快速发展和城市化进程的加快，城市污水厂的用水类型变得越来越复杂，如取水不稳定、进水水质波动大、含有多种氮污染物、造成污水厂排水水质不达标。这不仅对环境和生态造成危害，甚至影响到人类的健康。生物脱氮技术在处理含氮废水中具有高效、方便、处理彻底、无二次污染等优点。因此，城市污水处理工艺主要是以微生物反硝化为基础的，其原理是利用微生物自身的性能，将水源中的氮化合物通过同化或异化成稳定的气态产物，从废水中完全去除。然而，生物脱氮过程往往受到水质、数量波动等因素的影响，难以控制，难以达到预期效果，这使得氮超标排放引起的水环境问题更加突出。

1污水厂脱氮工艺类型

随着国家和地方对工业废水治理的日益重视，污水厂的配套污水处理设施开始大量建设并投入运营。污水厂污水处理厂主要接纳和处理企业排放的工业废水，一般是在污水厂初建时进行设计和建设，那时大量企业还未入驻或未投产，各企业的废水排放情况还不明确，工艺设计缺少实际水质依据。工业废水在企业内经过生化及高级氧化处理，然后排放到园区管网内，混合后的废水成分复杂、可生化性差，且随着新企业入驻水质会发生变化。基于自养脱氮的两个反应阶段，目前，厌氧氨氧化工艺可以分为两段式和一体式，分别是指在两个单独的反应器和在同一个反应器中进行PN和厌氧氨氧化反应。在一体式系统中，两个反应阶段都在一个反应器中进行，两种功能细菌(AOB和AnAOB)并存，因此，需要严格控制曝气，且由于多种微生物种群共存，其反应器启动时间较长，易受负荷冲击影响，导致系统不稳定。但一体式系统具有建设成本低、占地面积小、体积负荷大、可有效避免亚硝酸盐积聚引起的抑制作用等优点，因此，工程应用更广泛。与一体式系统相比，两段式系统的反应器可以独立调节和控制，更加灵活稳定。将自养脱氮的两个反应阶段分离，不仅可以优化富集AOB和AnAOB，而且可以通过PN段消除一些有毒的有机污染物，避免有毒物质和有机物直接进入后续的厌氧氨氧化反应器中。但两段式系统投资成本更高，系统需匹配PN和厌氧氨氧化两个反应阶段的反应速率，系统设计更为复杂。目前，在组合PN和厌氧氨氧化反应的基础上，已开发出多种工艺，包括两段式的SHAＲON-Anammox工艺、一体式的亚硝酸盐完全自养脱氮工艺(CANON)、脱氨工艺(DEMON)、限氧自养硝化反硝化工艺(OLAND)，以及同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺(SNAD)等。在厌氧氨氧化发展的早期阶段，研究和应用主要以SHAＲON-Anammox工艺为主，该工艺对高氨氮、低亚硝酸盐污水有较好的处理效果。到2001年，可自发形成厌氧氨氧化颗粒污泥的CANON工艺问世，并迅速受到广泛欢迎，该工艺中氨氮在AOB和AnAOB的共同作用下完成转化，可用于处理有机质含量低的污水，是目前全世界研究应用最多的厌氧氨氧化工艺。与CANON工艺相似的OLAND工艺也逐渐受到关注，该工艺采用生物转盘系统且运行过程要求严格控制曝气，因此，在实际工程中比较少见，但在未来有望得到更广泛的应用。此外，以控制pH、使用水力旋流器分离AnAOB为特点的DEMON工艺也受到普遍欢迎，已有超过30个污水处理厂采用该工艺。

2响应面法用于优化污水厂脱氮工艺

2.1主要仪器与试剂

BOD－2030型在线BOD监测仪，WD－HBA－200型COD监测仪，KL－2200A型NH₃－N和KL－2030A型TP监测仪;TN－8000型在线TN监测仪。重铬酸钾、钼酸铵、过硫酸钾、盐酸和抗坏血酸(分析纯)。

2.2工艺介绍

污水厂实际工程采用联合Ⅰ期工艺(水解酸化)+同步脱氮除磷工艺(A²/O)，即联合工艺为改良水解酸化+A²/O工艺。

2.3分析方法

首先是水质指标分析。将反应器出水用0.45μm的滤膜过滤后测其氨氮，出水静置一段时间后，取其上清液检测其他水质指标.COD采用哈希法测定（COD消解仪：DR1010，COD分析仪：DRB200），氨氮、总氮采用戴安（DIONEX）中国有限公司生产的ICS-3000离子色谱测定，DO和pH分别采用便携式溶解氧测试仪和便携式pH计测定.其次是微生物分析。生物量：填料在80℃下、20mL浓度为1mol·L

^-1的NaOH溶液中水浴30min，再在100W的条件下超声1min，漩涡振荡30min，测其生物量.微生物群落分析：采用高通量技术对接种污泥（SS）、反应器启动期运行第25d的生物膜（BSPb）和在优化运行参数下稳定运行第30d的生物膜（BM）进行分析，.高通量测序实验流程包括提取基因组DNA、设计合成引物接头、PCR扩增与产物纯化、PCR产物定量与均一化、构建PE文库和Illumina测序.采用CTAB提取样本基因组DNA，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA，稀释后的基因组DNA为模板进行PCR扩增，PCR产物采用2%的琼脂糖电泳检测，构建好的文库检验合格后，进行测序.

2.4 NH³－N响应面法结果分析

NH₃－N模型P值＜0．001，适应性极其显著;失拟项值为0．06，失拟项不显著;多元相关系数R2为86．01%，相关性良好，拟合效果较好;调整相关系数R2为81．43%，表明有81．43%的响应值的变化可通过该试验方法建立的模型进行阐释。由F分布值可知，F(x1)＞F(x3)＞F(x2)，表明C/N对NH₃－N去除率影响较显著，不显著的是R。当C/N为7．50～8．10时，NH₃－N去除率变化较快，同时发现C/N和R均处于低水平时，NH₃－N去除率最低，该阶段厌氧池有少许异味溢出，这可能是由亚硝化菌氧化NH₃－N不彻底所致。进一步分析可知，在进水初期，BOD/COD＜0．30占比较大，比值为68．42%，说明水质可生化性较差，不利于微生物进行氨化作用。随着进水水质的改善，氨化作用增强，消耗基质碳源，亚硝化作用减弱，NH₃－N滞留过多。当F/M为0．09d－1～0．10d－1时，NH₃－N去除率达到最高，该范围内去除率变化较快;当C/N为7．30～7．80时，NH₃－N去除率达到最高，且C/N变化的弯曲程度较F/M变化的弯曲程度大，说明C/N对脱氮性能的影响更为显著。同时，当C/N为6．30，F/M为0．08d－1时，系统对NH³－N的去除效果不明显，这可能是由于该工况下C/N和F/M负荷过低导致反应基质不足，微生物无法正常增殖。随着提高C/N和F/M，NH3－N去除率明显提升，这是由于氨化菌在增殖过程中加速了氮化物的分解，增强了自养微生物对NH₃－N的摄取能力，使NH₃－N的氧化速率提高。当F/M为0．09d－1～0．11d－1时，NH₃－N去除率达最大值;NH₃－N去除率随R增加变化较小，表明R对NH₃－N去除率的影响不显著。试验结果表明，当F/M为0．08d－1～0．11d－1时，去除率最大值为86．00%，去除效果较好，最小值为75．21%

2.4水解酸化和氧化沟工艺优化

水解酸化池改为污泥水解池，利用污泥中的潜在碳源。活性污泥水解发酵后，能产生易生物降解有机物及挥发性脂肪酸，可为生化反应提供碳源，以降低外加碳源量。将20％～30％的回流污泥回流至原水解酸化池，池内新增潜水搅拌器，搅拌器交替间歇运行，降低这两池的进水量，控制水力停留时间＞18ｈ，使污泥在厌氧环境下水解发酵。

3讨论

虽然高硝化液回氧池部分携带氧气，但其反硝化作用不大，主要原因是:1)废水中加入适量的铁试剂，即使氧气可以抑制微生物的活性，铁盐也可以弥补不足，因为铁不仅可以促进反硝化，还可以与磷酸根相络合，提高C/P比，系统中充足的碳源可以为顺利硝化反硝化提供充足的条件，达到“一碳两用”的目的。同时，在生物脱氮能力不足的条件下，铁盐对脱氮的影响最弱，反之亦然。2)氧的溶解度随温度的升高而降低。在高温季节，废水中氧的溶解度相对较低，反硝化菌和异养好氧菌对溶解氧的竞争减弱，降低了反硝化菌的好氧呼吸，有助于提高TN的去除效果。在低温季节，建议加强保温措施，部分或完全覆盖除氮除磷工艺池，以缓解气候条件对微生物的影响。

结语

总之，采用单因素试验对污水厂脱氮性能进行考察，发现C/N和F/M对NH³－N去除率影响较大，C/N和R对TN去除率影响较大。对脱氮性能的影响由强到弱依次为C/N、F/M和R。经过响应面法优化的最佳工况条件C/N为7．45，R为52．61%，F/M为0．10d^－1，NH³－N和TN去除率分别为86．90%和90．70%。污水厂在响应面最佳工况条件下验证试验，得到的NH3－N和TN的平均去除率分别为87．23%和91．20%，与模拟值高度接近，说明采用的模型可靠。实践证明，当C/N=7．42，R=52．00%，F/M=0．11d^－1时，系统脱氮最佳。另外，FBBR最佳运行参数为：有机负荷为4.18g·m^-3·d^-1，HRT为8h，曝气量为0.66L·min^-1，在条件下，当进水COD、氨氮、总氮浓度分别为（300.6±0.23）、（44.25±0.11）、（54.35±0.15）mg·L^-1时，COD去除率为91.45%±0.38%，氨氮去除率为85.77%±0.04%，总氮去除率为65.58%±0.21%.连续运行33d后，出水总氮、COD、氨氮浓度为11.0、19和3.0mg·L

^-1，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中规定的一级A标准.预测模型具有良好的准确性，可为该工艺的实际应用提供参考.

参考文献

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