硝化、反硝化的计算

分段进水A/O脱氮工艺反硝化速率的测定
王卿卿1，王社平1、2，惠灵灵1，金尚勇1
（1 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安，710055；
2. 西安市市政设计研究院，陕西西安，710068）
摘要: 采用间歇式反应器对分段进水A/O脱氮工艺中试装置中活性污泥的反硝化速率进行了测定，结果表明：反硝化过程存在三个速率明显不同的阶段，且随着反应时间的延长，反硝化速率逐渐降低。

根据实验结果提出了城市污水厂缺氧选择池和生化反应池缺氧区设计计算时反硝化速率、水力停留时间的参考值。

关键词：城市污水；反硝化速率；分段进水A/O脱氮工艺
The Determination of Denitrification Rate of Step-feed A/O
Nitrogen Removal Process
Wang Qingqing1, Wang Sheping1,2, Hui Lingling1,Jin Shangyong1
(1.School of Environmental and municipal Engineering,Xi,an University of Architecture & Technology , Shanxi Xi,an ,710055
2. Xi,an Municipal Engineering Design and Research Institution , Shanxi
Xi,an ,710068)
Abstract: The denitrification rate is determined in batch reactor, the results indicated that there are three obvious different denitrification rates stages in the denitrification process, and with the reaction time prolonging, the denitrification rate declined gradually. According to the experimental results, the reference value of the denitrification rate and hydraulic retention time (HRT) are suggested, which is used in designing and calculating the anoxic selecting tank and the bio-reactor anoxic zone of the municipal wastewater treatment plant (MWTP) .
Key Words: municipal wastewater, the specific denitrification rate, Step-feed Nitrogen Removal Process.
反硝化速率的测定对于城市污水处理厂生化反应池缺氧区及缺氧选择池的设计具有十分重要的意义。

利用测定的反硝化速率，可更加合理的确定生物反应池的水力停留时间，使其既
能满足反硝化反应的充分进行，又不至于停留时间过长，池容过大，增加构筑物的投资。

由于反硝化反应是由异养型厌氧微生物完成的生物化学过程，在缺氧（不存在分子态溶解氧）条件下，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电子供体，由反硝化菌将NO2-N和NO3-N还原成气态氮（N2）或N2O、NO。

生物反硝化过程可以用式（1）和式（2）表示[1]：
NO2- + 3H(电子供体有机物) →1/2N2 + H2O + OH-（1）
NO3- + 5H(电子供体有机物) →1/2N2 + H2O + OH-（2）
因此，通过测定混合液中起始的NO3‾-N浓度，并间隔一定时间段测定混合液中NO3‾-N 的浓度，根据测定结果即可得到NO3‾-N浓度随时间的变化曲线，利用曲线的斜率r和测定的混合液MLVSS值，由式即可求得反硝化速率（mgNO3‾-N/gMLVSS·h）[2]。

试验结合分段进水A/O脱氮工艺中试研究，以实际城市污水处理厂进水为试验用水，测定了分段进水A/O脱氮工艺中试装置中活性污泥的反硝化速率。

其结果可作为城市污水厂生化反应池缺氧区和缺氧选择池设计时参考。

1试验装置与方法
1.1试验装置
测定活性污泥反硝化速率的试验装置采用间歇式反应器，如图1所示。

试验装置为有机玻璃制成，直径D=15 cm，高H= 25 cm，有效容积V= 4200 cm3。

①磁力搅拌器②排气管③氮气通气管④取样口⑤pH/T测量仪
⑥玻璃电极⑦温度计探头⑧磁子⑨反应器
图1 活性污泥反硝化速率测定装置
1.2测定方法
在分段进水A/O脱氮工艺中试装置第一级缺氧区中取1L活性污泥混合液，静沉30min后，排出上清液。

向间歇式反应器（如图1所示）内通入氮气，将反应器内的空气排出，然后用漏斗将静沉后的活性污泥和经过滤后的原污水先后加入间歇式反应器中，使反应器内的混合液容积达到4000 cm3，同时，加入一定量的硝酸钾（KNO3）和0.5mlATU丙烯基硫脲（Allylthiourea，简称ATU，可以抑制亚硝化细菌的活性，从而抑制活性污泥的硝化反应）[3]，使混合液中硝酸盐的起始浓度控制在25～45mg/L之间。

再次向反应器中通入氮气，以隔绝空气中的氧气，消除耗氧反应对反硝化作用的影响，并采用磁力搅拌器搅拌，使活性污泥混合液和原水充分混合。

然后开始计时并取第一个水样，随后间隔4、8、12、16、
20、25、30、35、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260min……取样，将取出的混合液过滤后测定其NO3‾-N的浓度值。

试验结束时，测定混合液中MLVSS值。

根据不同时刻测定的NO3‾-N浓度值，绘制NO3‾-N浓度随时间的变化曲线图，通过计算曲线的斜率r，即可求得反硝化速率（mgNO3‾-N/gMLVSS·h）。

1.3分析方法
硝氮浓度（NO3‾-N）：采用紫外分光光度法测定；pH：采用玻璃电极法测定；MLVSS：采用重量法测定；化学需氧量（COD）：采用重铬酸钾标准法测定。

2实验结果与分析
2.1活性污泥反硝化速率的测定结果
试验期间，测定了分段进水A/O脱氮中试装置第一级缺氧区活性污泥的反硝化速率，其结果如图2所示，反硝化速率值如表1所示。

图2 活性污泥反硝化速率曲线图
表1 活性污泥反硝化速率测定结果
2.2结果分析
由图2可以看出，反硝化过程中存在三个明显不同速率变化阶段，且随着反应时间的延长，反硝化速率逐渐降低。

第一阶段反硝化速率最大，混合液中NO3‾-N浓度下降最快，试验期间得到的最大反硝化速率值为13.09~20.20mgNO3‾-N/gMLVSS·h，测定第一阶段反硝化过程反应时间变化较大，在12~30 min之间，这主要是受实际污水厂进水水质变化的影响。

在此阶段反硝化菌优先利用污水中易生物降解的可溶性有机物作为碳源进行反硝化
反应，此时的反硝化速率与NO3‾-N浓度高低无关，而只与反硝化菌的数量有关。

实测的最大反硝化速率值可作为城市污水厂缺氧选择池工艺设计计算时参考，缺氧选择池水力停留时间可采用15~30 min。

第二阶段反硝化速率降低，试验得到该阶段反硝化速率值为
4.24~
5.55mgNO3‾-N/gMLVSS·h，反应时间在60~130 min之间。

这是由于反硝化菌在易降解有机基质耗尽后所利用的碳源是颗粒态及复杂的可缓慢降解的有机基质。

实测第二阶段反硝化速率值可作为城市污水厂生化反应池缺氧区工艺计算时参考。

第三阶段反硝化速率更低，试验期间得到的反硝化速率值为1.91~3.44mgNO3‾-N/gMLVSS·h，此阶段反应时间大约为40~80 min，分析原因主要是可生物降解的碳源已基本耗尽，反硝化菌只能通过细胞物质的自身氧化，即内源呼吸代谢产物作碳源进行反硝化反应，所以反应速率低。

在测定反硝化速率过程中，还进行了污水中有机物（COD）降解的分析测定，考察反应过程中COD降解量与NO3‾-N降解量之间的关系。

以实验（d）为例，反应开始时，实测NO3‾-N 的初始浓度为31.84mg/L，溶解态COD的初始浓度为174.00mg/L，反应结束时NO3‾-N 的剩余浓度为5.71mg/L，溶解态COD的剩余浓度为94.00mg/L。

理论上，电子受体NO3‾-N的化学需氧量（COD）的当量为2.86gCOD/gN，即转化1g/L NO3‾-N为N2时，需消耗有机物（COD）2.86g/L[4]。

而实际测得COD降解量与NO3‾-N降解量的比值。

结果表明反应过程中NO3‾-N降解量与对应的COD降解量的比值大于理论值。

分析产生偏差的主要原因是：①在试验过程中，由于是实际城市污水，混合液中多少会有点分子态溶解氧作为电子受体消耗了溶解态的COD；②原水中一部分可生物降解的有机物转化成了细胞物质；③原水中还有一些有机物属于难生物降解性的，在测定反硝化速率试验过程中未被代谢利用。

3结论
以实际城市污水处理厂进水为试验用水，利用间歇式反应器，测定了分段进水A/O脱氮工艺中试装置中活性污泥的反硝化速率，结果表明：
（1）反硝化过程中存在三个速率明显不同的反硝化速率阶段，且随着反应时间的延长，反硝化速率逐渐降低。

第一阶段反硝化速率最大，其反硝化速率值为
13.09~20.20mgNO3‾-N/gMLVSS·h，所需反应时间为12~30 min；第二阶段反硝化速率次之，试验期间得到的反硝化速率值为4.24~5.55mgNO3‾-N/gMLVSS·h，反应时间在60~130 min之间；第三阶段反硝化速率最小，试验期间得到的反硝化速率值为
1.91~3.44mgNO3‾-N/gMLVSS·h，反应时间大约为40~80 min。

（2）城市污水厂进水水质变化对反硝化过程影响较大。

研究得到的反硝化速率值和反应时间可作为城市污水厂缺氧选择池、生化反应池缺氧区工艺设计计算时参考。

（3）由于试验过程存在偏差，实际测得的反硝化过程中NO3‾-N降解量与对应的COD降解量的比值大于理论值。

参考文献：
[1] 郑兴灿等.污水除磷脱氮技术[M].北京,中国建筑工业出版社,1998.
[2] 王社平,彭党聪等.城市污水分段进水A/O脱氮工艺实验研究[J].环境科学研究，2006,19(3):78～83.
[3]王建龙，吴立波，齐星等.用氧吸收速率( OUR) 表征活性污泥硝化活性的研究[J].环境科学学报,1999,9(3):225～229.
[4] Leslie Grady C.P. and Jr.Glen T.Daigger等著,张锡辉,刘勇弟译.废水生物处理第二版,改编和扩充[M].化学工业出版社环境科学与工程出版中心出版发行,2003.。