摘要

对Graceville市污水处理设施进水和出水采样数据的检查进行了调查，以描述在2008年9月同时发生的硝化和反硝化的程度。结果表明，在连续间歇反应器过程中，同步硝化/反硝化发生在整个月。研究了两个时间段，以确定脱氮的程度和性质，尽管在批次体积上存在显著差异。与Orbal工艺相比，脱氮完全可以通过同时硝化/反硝化来完成，同时达到目前认为的高级废水处理水平。然而，低溶解氧浓度却有影响;影响活性污泥的沉降特性。为了适应沉降时间的增加而改变序批式反应器的相时间结构对同步硝化/反硝化脱氮的性质没有影响。2008年9月1-9日和9月10-30日两个流域的同时硝化反硝化效率分别为97.5%和94.5%。尽管在处理期间缺乏缺氧期，伴有0.50 mg/L或更低的溶解氧浓度90%或以上的曝气期。该设施总氮出水复合月平均为2.4 mg/L。

关键字

废水处理;硝化作用;脱氮;活性污泥

介绍

工程系统(如废水处理厂)中的脱氮利用如图1[1]所示的氮循环所描述的微生物驱动过程。氨化，即厌氧微生物将有机氮转化为氨的过程，发生在从服务区域输送废水的工程收集系统中。氨化过程可使70-90%的氮进入工程污水处理系统，氨氮[2]。在污水处理厂内，氨氮通过硝化作用转化为硝酸盐，硝化作用是微生物的好氧过程，自养细菌将氨氮转化为硝酸盐氮。硝酸盐氮是通过异养细菌将硝化细菌转化为氮气的微生物缺氧过程转化为氮气的。

目前大多数设计用于脱氮的工程系统都是通过同时促进硝化作用和碳质生化需氧量(CBOD)的去除来满足所需的参数。这是反硝化过程的反直觉，因为异养细菌需要CBOD来将硝化过程产生的硝酸盐转化为氮气。因此，可能需要添加CBOD以促进反硝化，或者设计必须包括使用进水CBOD作为异养细菌将硝酸盐转化为氮气的食物来源。相反，当溶解氧浓度很低，导致氧没有渗透到整个污泥絮体时，硝化和反硝化可以同时发生。结果是硝化作用发生在絮凝体的外表面，而反硝化作用发生在絮凝体[2]缺氧的内部部分。这种现象被称为同步硝化反硝化(SND)，已在全面的市政曝气-缺氧奥巴尔过程和氧化沟[3]中被记录。同时硝化反硝化(SND)具有以下优点:

图1:脱氮废水工程系统中氮的命运

• 不需要单独的好氧和缺氧池，这是许多设计的情况;
• 同时硝化反硝化(SND)在不循环通氧和关闭曝气的情况下进行，以促进好氧和缺氧条件;
• 同时硝化反硝化(SND)消除了添加碳来促进反硝化的需要;和
• 同时硝化反硝化(SND)发生在低溶解氧(DO)条件下，即0.5 mg/L或更低的条件下，而硝化需要DO水平为1.5才能达到有效[4]。其结果是同时硝化反硝化(SND)需要更少的能量。

最后，同步硝化反硝化(SND)不同于目前的脱氮模式，脱氮过程较为复杂。目前的脱氮模式可以使用监控和数据采集(SCADA)和其他仪器来简化，但增加这些仪器的成本对税收收入有限的小型农村社区来说往往令人望而却步。因此，缺乏上述条件的系统经常会发生操作错误。

背景

佛罗里达州的Graceville市拥有先进的污水处理设施，容量为4164米^3./日于一九九八年一月启用。佛罗里达州环境保护局确定的允许排放限值如下:总氮:3 mg/L;总磷:1mg /L，碳质需氧量(CBOD): 5mg /L，总悬浮固体(TSS): 3mg /L。请注意，全氮包括有机氮、氨氮和硝酸盐/亚硝酸盐氮。有机氮与氨氮之和等于总凯氏定氮(TKN)。

该工艺的设计使两个顺序间歇反应器(sbr)共享正置换鼓风机曝气。粗扩散用于曝气，并与Aqua DDM混合(Aqua-有氧系统公司。专利混合)。设计主要实施了六个阶段的运行，其中包括:

• 混合填充:默认时间为60分钟。进水与活性污泥混合的阶段;空气阀关闭时，没有提供曝气。在这段时间内，厌氧条件促进了聚磷细菌释放磷。
• 反应填充:默认时间120分钟。在此阶段，进水与活性污泥混合，包括开启和关闭曝气循环，以促进好氧和缺氧条件，并在此条件下进行硝化和反硝化。此外，碳质生化除氧和除磷(奢侈吸收)发生。注意，反应器的进水阀和空气阀是打开的。
• 反应:默认时间60分钟。考虑到抛光阶段，剩余的氨、碳质生化需氧量、磷和硝酸盐在React填充阶段被降低到允许水平。气阀打开，进水阀关闭。
• 固定:默认时间74分钟。停止混合，让活性污泥沉淀，然后去除悬浮和可沉淀的固体(澄清)。进水阀和空气阀关闭。
• 滗出:默认时间46分钟。去除上清液，将反应器移入预定的低水位。
• 浪费:默认时间是13分钟。去除活性污泥以保持稳定的平均细胞停留时间(MCRT或污泥龄)。

上述默认时间表示该设施每天总共有8批。批数可以根据流程增加或减少。表1总结了预计的性能，因为它与基于4,164米的进水浓度和质量平衡有关^3./天

图2提供了sbr和鼓风机房间的平面视图，说明用于曝气的航空公司被埋在地下。设计中使用的航线由直径10英寸的球墨铸铁管组成，包括带有橡胶垫圈的钟形端。对运行记录的审查揭示了与曝气有关的下列问题:

• 2008年1月之前，高效硝化所需曝气时间为React Fill和React Phase总程序时间的25-41%(平均30%)。因此，如果反应填充和反应阶段的总程序时间等于180分钟，则有效硝化所需时间约为60分钟。
• 有效反硝化所需的非曝气或缺氧时间为程序反应填充和反应相时间的75-59%。
• 在第一个曝气期结束时，溶解氧(DO)浓度持续上升至可检测的好氧水平，即1.0 mg/L或更高。2007年12月，该设施的年平均总氮出水为2.45 mg/Lin，而其允许浓度为3.0 mg/L;TKN为1.38 mg/L, NO为1.08_3./不₂氮气mg / L。
• 2008年1月，有效硝化所需曝气时间大幅增加至69%。有效反硝化所需的缺氧时间为31%。
• 最后，在2008年初秋，有效硝化所需曝气时间增加到90%以上，而反硝化不需要缺氧时间。DO浓度直到React Phase的最后几分钟才达到或大于1.0 mg/L;在曝气时间不小于80%的情况下，DO浓度为0.50 mg/L。

后来发现，每个反应堆的航空公司连接处的橡胶垫圈已经变质，导致空气密封失效。这种空气损失导致了进入反应器的空气流量减少和曝气期间的低溶解氧(DO)浓度。

Aqua- Aerobics Systems Inc.提供的操作和维护手册建议，为了促进高效硝化作用，有氧阶段的DO值应达到2.0 mg/L。因此，操作上的改变导致了在没有指定的缺氧期的情况下持续曝气。在2008年9月的整个月里，为了达到建议的DO浓度，在React和React Fill阶段保持恒定曝气。尽管持续曝气和缺乏用于反硝化的缺氧期，处理设施满足了所允许的所需总氮限制。这些结果促使本研究围绕以下目标展开:

表1:过滤前的预期出水

图2:Graceville高级污水处理厂的平面视图

1. 对处理厂进水和出水数据进行检查，以确定2008年9月发生的同时硝化反硝化(SND)的程度。
2. 确定对生物除磷过程的影响，如果有的话。
3. 提供对同步硝化反硝化(SND)现象及其性能的进一步了解，因为它涉及到在城市污水处理设施内满足州监管机构的许可要求。

材料和方法

采样和分析

根据许可证的要求，在2008年9月采集了四个16小时流量比例的进水和出水复合样品。根据标准的水和废水检测方法(SM)或环境保护局(EPA)的水和废水化学分析方法，对进水和出水复合样品进行分析。对进水复合样品进行CBOD (SM5120B)、总磷(P) (SM4500P E)和TSS (SM2540D)分析。出水复合样品也进行了NO分析_3./不₂作为N (SM4500 NO ._3.E)、总磷作为P (SM4500P E)和TKN (EPA 351.2)。

每个班次进行一次进水取样，每天两次。采用Fisher科学模型15 Accumet pH计，活性磷为P (SM4500P E)， NO . 4, NO . 4, NO . 4, NO . 5, pH和温度，每日测定样品的pH和温度_3./不₂N镉还原(HACH)，氨为N水杨酸(HACH)。

每个反应器平均每天抽取两批样品如下。在第一班开始，即上午7点，从每个反应堆中取了一个晨醒液样本。此外，在每天完成一批(沉淀阶段前10分钟)时，从每个反应器中提取样本。样本分析pH值、氨氮Ortho-Phosphorus磷,不_3./不₂为N，温度为进水抓取样品的描述。使用YSI 550A溶解氧计在反应阶段(沉淀阶段前10分钟)结束时进行的溶解氧残留量。混合液体悬浮固体(MLSS)样品在混合填充(低水位)开始时采集，并根据标准方法(SM2540D)进行分析。

全尺寸序批式反应器(sbr)

Graceville市的高级废水处理设施使用两个顺序批处理反应器处理生活废水，设计流量为4164米^3./天。这两个反应堆每天使用8批，批容量为514米^3.在设计流程。序批式反应器共用三个积极置换鼓风机。在曝气期间，一次只能使用两台鼓风机。表2总结了从9月1日开始根据空气损失调整的相位时间^圣在9月9日^th， ２００８．

相位时间的调整导致了30分钟的厌氧期，然后是150分钟(2.5小时)的恒定曝气期，每天9.6批或4.8批/盆。相位时间调整后，平均水力停留时间(HRT)为32.74小时，平均日流量为2274米^3./天。由于在每个SBR内的缓慢沉降时间，在2008年9月10-30日期间调整了相时间以增加沉降时间。表3总结了2008年9月10-30日期间的阶段时间调整。

相位时间的调整导致了180分钟的厌氧期，接着是360分钟的持续曝气，以及184分钟的沉淀时间。这一阶段时间调整也导致了4批/天(2批/池)，平均水力停留时间(HRT)为41.6小时，处理平均每日流量1652米^3./天。混合液悬浮固体(MLSS)的平均浓度为1790 mg/L，这在当时是正常的。污泥滞留时间(SRT)较长，2008年9月为17-21天，每批的最后10分钟或更短时间内没有检测到溶解氧(DO)残留。

废水的特点

2008年，Graceville市的人口普查报告为2000人;它的服务区还包括一个有1500个床位的国家惩教设施和一个有500个床位的劳动营。所有接收的废水都是市政废水。工厂的工作人员每周工作7天，每天工作16个小时(上午07:00 -晚上11:00)。如前所述，每天两次或每班一次采集进水样品，分析pH、氨氮、活性磷(P、NO)_3./不₂N和温度。表4总结了2008年9月1日至9日和2008年9月10日至30日两个时段的平均进水抓取结果。

2008年9月还采集了四个每周16小时流量的比例复合样品，并按照设施废水许可证的要求，按照碳氧需求(CBOD)、总磷和总悬浮固体(TSS)的标准方法进行了分析。月平均进水CBOD为155.50 mg/L, TSS总悬浮固体为53.3 mg/L，总磷为3.4 mg/L。同时硝化反硝化效率的计算公式为[5]。

$ $ {\ rm {SND效率}}\,{\ rm {=}} {{NH_4 ^ + - {N_{\离开({氧化}\右)}}- N {O_x} {N_{\离开({生产}\右)}}}{NH_4 \ ^ + \, - { N_{\左({氧化}\右)}}}}\乘以100 \% \,..................左(1 \ \右)$ $

在哪里

NH +₄- N_(氧化)为硝化过程后被氧化的氨氮量，

没有_x- N_(生产)NO的浓度是多少₂- - n和NO_3.——N。

表2:2008年9月1-9日SBR 1和2的阶段时间总结

结果与讨论

2008年9月1 - 9日

在2008年9月1-9日期间使用的相位时间调整包括在React填充(120分钟)和React(30分钟)阶段的连续曝气。这一时期的平均进水流量为2274 m^3./天。在这些批次中，溶解氧残留量为0.47-0.56 mg/L(缺氧)，占曝气时间的90%。2008年9月2日，在两个盆地的一个批次的最后10分钟内发现溶解氧急剧上升(>3.0 mg/L)。图3和图4是SBR1和SBR2 2008年9月1-9日氨氮和硝态氮/亚硝酸盐氮的日平均出水批处理结果。

sbr(1和2)的最大氨氮日出水平均分别为0.75 mg/L和1.38 mg/L。顺序批式反应器的硝酸盐/亚硝酸盐氮浓度最大值分别为1.05 mg/L和1.35 mg/L。此外，SBR1中总氮(无机)日批次平均最大值为1.48 mg/L发生在2008年9月08日，而SBR2中总氮(无机)日批次平均最大值为2.24 mg/L发生在2008年9月18日。总氮(无机)日批平均值均低于允许的总氮水平3.0 mg/L。通过对进水数据和出水批量数据的检验，该时间段内平均进水氨氮浓度为25 mg/L，两个流域平均出水氨氮浓度为0.56 mg/L，去除率为98%。98%的氨氧化发生在缺氧条件下，相比之下，[3]评价的曝气-缺氧Orbal法的缺氧区氨氧化发生的比例为30- 50%。尽管持续曝气和98%的氨氮去除率显著反硝化发生在两个流域。平均批号_3./不₂mg/L- n浓度均为0.62 mg/L。最大日平均批号_3./不₂SBR1和SBR2的mg/L - n分别为1.05 mg/L和1.38 mg/L。同时硝化反硝化总体效率为97.5%。与同步硝化相比，在[6]中描述的实验室规模的序批式反应器中，反硝化率分别为7.7%和44.9%。

在这段时间内，观察到平均进水pH为6.90，两个流域的平均出水pH为7.00。在这段时间内，出水pH为7.00，表明在这段时间内没有发生显著的碱度损耗及其相关的pH下降。根据许可证要求，于1日和9日进行了16小时流量-按比例进水和出水复合取样，分析了总凯氏定氮(有机氮和氨氮之和)、NO_3./不₂-氮，总磷，碳氧需要量(CBOD)和总悬浮固体(TSS)按标准方法。表5总结了出水综合结果。1的流动^圣和9^th是3157米^3./日和1726米^3./天。

表3:2008年9月10-30日SBR 1和2的阶段时间总结

表4:2008年9月平均每日水浸取样结果

图3:SBR 1出水nhh⁴- n,没有^3./不²2008年9月1 - 9日

图4:SBR 1出水nhh₄- n,没有_3./不₂2008年9月1 - 9日

表5:污水复合结果9月1日^圣& 9^th,2008年

综合数据进一步表明，在恒定曝气条件下，脱氮效果显著。此外，尽管溶解氧浓度远低于(缺氧)有效硝化作用所需的浓度，但有效硝化作用仍能发生。总氮为2.24 mg/L的1^圣9 .和2.78 mg/L^th均低于允许水平(3.0 mg/L)。

进一步的研究表明，两者的复合结果均低于5 mg/L的允许浓度，对CBOD的去除无不良影响。综合进水CBOD浓度为1^圣和9^th为48 mg/L和123 mg/L时，对CBOD的去除率为98%^圣97%的人选择了9^th．复合进水总悬浮固体(TSS)浓度为1和9^th分别为27.5和26 mg/L。综上所述，当缺氧条件维持在曝气时间的90%或以上时，对脱氮和或CBOD没有不利影响。

2008年9月10 - 30,

2008年9月10-30日使用的相位时间调整包括在React填料(180分钟)和React(180分钟)阶段的连续曝气。这段时间的平均日流量为1621米^3./天。溶解氧残留量为0.50 mg/L(缺氧)，占曝气时间的90%。在最后十分钟内，有几个批次的溶解氧急剧上升，两个盆地的范围为1.00 mg/L - 3.71 mg/L。图5和图6是SBR1和SBR2 2008年9月10-30日氨氮和硝态氮/硝态氮批处理数据的日平均出水批处理结果。

sbr(1和2)的最大氨氮日出水平均分别为0.75 mg/L和1.22 mg/L。SBR1和SBR2的硝酸盐/亚硝酸盐氮最高浓度分别为2.15 mg/L和2.50 mg/L。SBR1中总氮(无机)日批平均最大值2.43 mg/L发生在2008年9月15日，而SBR2中总氮(无机)日批平均最大值2.59 mg/L发生在2008年9月18日，两者均低于总氮的允许水平3 mg/L。通过对进水数据和出水批量数据的检验，该时段平均进水氨氮浓度为29.1 mg/L，两个流域平均出水氨氮浓度为0.17 mg/L，去除率为99%。99%的氨氧化发生在该工艺中，相比之下，在[3]评价的曝气-缺氧Orbal工艺中，30% -50%的氨氧化发生在缺氧区。sbr(1和2)的最大日平均出水氨氮量分别为0.18 mg/L和1.04 mg/L。

图5:SBR 1出水nhh₄- n,没有_3./不₂2008年9月10 - 30,

图6:SBR 1出水nhh₄- n,没有_3./不₂2008年9月10 - 30,

与2007年9月1日至9日期间的情况一样，尽管曝气持续，氨氧化去除效率达到99%，但两个流域都发生了显著的反硝化作用。平均批号_3./不₂mg/L- n浓度均为1.60 mg/L。最大日平均批号_3./不₂SBR1和SBR2的mg/L- n浓度分别为2.35 mg/L和2.5 mg/L。两个流域的同时硝化/反硝化效率为94.5%。相对于[6]中描述的实验室规模的序批式反应器中同时硝化/反硝化率分别为7.7%和44.9%。

在这段时间内，观察到平均进水pH为6.94，两个流域的平均出水pH为7.07。在这段时间内，出水pH值为7.07，表明在这段时间内没有显著的碱度损耗及其相关的pH值下降。采用16小时流量-进水与出水按比例复合采样^th和24^th凯氏定氮(有机氮和氨氮之和)，NO_3./不₂-氮，总磷，碳氧需要量(CBOD)和总悬浮固体(TSS)按标准方法。表6总结了出水综合结果。流为17^th和24^th是1722米^3./日，1529米^3./天。

与2008年9月1日至9日的情况一样，复合数据进一步表明，尽管持续曝气，仍发生了显著的反硝化作用。此外，尽管溶解氧浓度远低于(缺氧)有效硝化作用所需的浓度，但有效硝化作用仍能发生。总氮为2.28 mg/L对17^th24组为2.23 mg/L^th均低于允许水平(3 mg/L)。进一步的研究表明，两者的复合结果均低于5 mg/L的允许浓度，对CBOD的去除无不良影响。17号和24号的复合进水CBOD浓度^th分别为295和156 mg/L。在17^th而24号则是97%^th．复合进水总悬浮物(TSS)浓度在17^th和24^th分别为27.5和26 mg/L。综上所述，当缺氧条件维持在曝气时间的90%或以上时，在此期间对氮和或CBOD的去除没有不利影响。

生物除磷

Graceville市的高级污水处理设施主要使用生物除磷，以满足其允许的出水浓度1.0 mg/L。磷的吸收发生在反应和反应填充阶段，在好氧阶段增强。各批次曝气期间普遍存在的低溶解氧浓度对出水磷浓度没有影响。两个时间段的日平均批次活性磷mg/L-P浓度均远低于允许的1 mg/L。在2008年9月1日至9日期间，两个反应器(SBR 1和2)的日平均批次活性磷磷浓度分别为0.14 mg/L和0.20 mg/L，而进水活性磷磷浓度为1.9 mg/L。两周进水总磷综合平均为3.25 mg/L，出水综合平均为0.64 mg/L，去除率达80%。在2008年9月10日至30日这段时间内，活性磷作为磷和总磷的浓度也远远低于允许的水平。2008年9月10日至30日期间，SBR 1和2的日平均批次活性磷作为磷的浓度分别为0.05 mg/L和0.04 mg/L，而进水浓度为2.65 mg/L。两周进水总磷综合平均值为3.70 mg/L，出水浓度为0.19 mg/L。实际上，月平均总磷为0.42 mg/L，比允许浓度1mg /L低58%。

总结

表7总结了2008年9月每月16小时的综合出水平均值。

月出水综合平均值表明，尽管持续曝气，但对处理厂的脱氮性能没有不良影响。月总氮平均值为2.4 mg/L，低于允许值3.0 mg/L。在批次结束时溶解氧峰值可能是由于F/M比率(食品与微生物的比率)[8]的下降。随着每批生产的进行，碳质生化需氧量随着时间的推移而降低，从而降低F/M比，从而降低氧气吸收率。结果是一个“溶解氧断点”，允许溶解氧峰值。

结论

对Graceville市污水处理设施进水和出水采样数据的检查进行了调查，以描述2008年9月发生的同时硝化反硝化的程度。结果表明，同步硝化反硝化发生在2008年9月整个月的顺序间歇反应器过程中。与Orbal工艺相比，脱氮完全可以通过同时硝化反硝化来完成，同时达到目前认为的高级废水处理水平。低溶解氧浓度提高了活性污泥的污泥体积指数，从而延长了活性污泥的沉降时间。为了补偿增加的沉降时间而改变设施的相时间结构，对同时硝化/反硝化总氮去除的性质没有影响。曝气为硝化和CBOD去除提供了所需的溶解氧，这是一个耗能的过程。

根据该设施设计者推荐的DO要求，即2.0 mg/l的曝气消耗了该设施所需能源的50%(每年60,000美元)。结果表明，在不降低设施满足其许可要求的能力的情况下，可以大幅降低设计空气需求。因此，采用变速驱动的曝气系统改造，可以减少曝气和能源消耗，从而可以减少25%(每年30,000美元)以上的能源成本。

确认

作者希望感谢佛罗里达农工大学，包括为这项研究提供资金的第三项目。此外，感谢Graceville市和FAMU/FSU工程学院土木与环境工程系的支持。作者希望首先感谢他们的主和救主耶稣基督在这一努力过程中给予指导。

参考文献

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条信息

文章类型:研究文章

引用:Martin Jr CL, Clark II CJ (2016) SBR城市污水处理厂同步硝化反硝化效果评价。国际污水处理2(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.119

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出版的历史:

收到日期:2015年12月10

接受日期:2016年2月11日

发表日期:2016年2月16日