水质波动下的处理性能及快速渗滤系统的应用

采用PN-ANAMMOX耦合工艺处理实际生活污水时，由于水质和水量的波动，可能对系统的出水效果造成不利影响，本节实验将探讨由水质波动导致的NH+4-N浓度降低（第16～20 d，进水NH+4-N浓度降至27～33 mg·L-1）和由水量波动导致的水力负荷减小（第36～40 d，进水水力负荷降至0.8 m·d-1）时，PN-ANAMMOX耦合工艺的脱氮除碳性能，以及采取相应的调整措施（第21～30 d，PN反应器出水口位置调整为45 cm；第41～50 d，PN反应器出水口位置调整为60 cm）后的出水效果。

各阶段的主要运行条件如图5-4所示。

图5-4　耦合工艺处理模拟生活污水的运行条件

注：① 进水NH+4-N浓度；② 水力负荷q；③ PN取水口高度h

（一）COD去除情况

PN-ANAMMOX耦合工艺对模拟生活污水中COD的去除情况如图5-5所示。由图可知，进水COD浓度在100～150 mg·L-1内波动，在第1～15 d运行期间，COD平均去除率为88.86%。第16～20 d，由于进水NH+4-N浓度的减小，系统内可供COD去除的吸附点位和溶解氧量增多，促进了好氧微生物的新陈代谢，因而此期间COD的平均去除率相比前一阶段提高了3.06%。将PN反应器出水口高度调整为45 cm后，可降解COD的微生物量减少，同时有机物在系统内的水力停留时间减少，导致21～30 d运行期间COD去除率仅为81.42%。第31～35 d恢复进水NH+4-N浓度（45～50 mg·L-1）和PN反应器出水口高度（75 cm）后，COD去除率随之恢复到原初水平。

图5-5　PN-ANAMMOX耦合工艺对COD的去除

第36～40 d，进水水力负荷减小到0.8 m·d-1，意味着进入系统的NH+4-N和COD总量降低，同时污染物在系统内的水力停留时间增长，因而该阶段的COD去除效果进一步提升，平均去除率达到93.4%。第41～50 d时，将PN反应器出水口高度调整为60 cm后，COD平均去除率下降至87.02%。第51 d起恢复进水水力负荷（1.0m·d-1）和PN反应器出水口高度（75 cm），COD去除率回升至89.21%。无论是稳定运行期间还是水质水量波动期间，PN反应器对COD的去除贡献都明显高于ANAMMOX反应器，说明PN-ANAMMOX耦合工艺中COD的降解主要在PN反应器内完成。

（二）NH+4-N去除情况

图5-6表示了PN-ANAMMOX耦合工艺对污水中NH+4-N的去除情况。从NH+4-N的总去除效果来看，当PN反应器出水口高度为75 cm，进水NH+4-N浓度降至27～33 mg·L-1时，出水中未检测到NH+4-N，进水水力负荷降至0.8 m·d-1时，出水NH+4-N浓度低于0.5 mg·L-1，平均去除率达到99.6%，这说明进水NH+4-N浓度或水力负荷减小有利于系统对NH+4-N的去除。从PN反应器和ANAMMOX反应器分别对NH+4-N的去除情况来看，当进水NH+4-N浓度为45～50 mg·L-1时，PN与ANAMMOX反应器对NH+4-N的平均去除率比为（1.54～1.62）∶1，可见PN-ANAMMOX耦合工艺中部分亚硝化过程对NH+4-N的去除贡献更大。运行至第16～20 d、36～40 d时，由于进水NH+4-N浓度或水力负荷减小，单位时间内同等高度（75 cm）的PN滤柱所需处理的NH+4-N量减少，从而使得PN反应器对NH+4-N的平均去除率分别比前一阶段提高了18.88%、8.37%；由于NH+4-N在PN反应器内的超额去除，进入ANAMMOX反应器的NH+4-N量减少，该阶段ANAMMOX反应器对NH+4-N的去除贡献下降。

图5-6　PN-ANAMMOX耦合工艺对NH+4-N的去除

PN反应器保持60%左右的NH+4-N转化为NO-2-N是PN-ANAMMOX耦合工艺稳定运行的前提和关键，当进水NH+4-N浓度或水力负荷降低时，根据第四章的动力学分析可知，可通过减小出水口的高度来调控NH+4-N的去除效果。当进水NH+4-N浓度为27～33 mg·L-1时，根据动力学模型方程式（4-17）或滤柱高度优化公式（4-18）可以计算出去除60%的NH+4-N所需的滤柱高度为39.4～47.8 cm，故第21～30 d时将PN反应器的出水位置调整至45 cm处；而当进水水力负荷为0.8 m·d-1时，实现60%左右NH+4-N去除所需的理论滤柱高度为59 cm，故第41～50 d时将PN反应器的出水位置调整至60 cm处，调整后PN和ANAMMOX对NH+4-N的去除水平均得到恢复。(www.xing528.com)

（三）NO-x-N 变化情况

PN和ANAMMOX反应器出水中NO-2-N、NO3--N浓度的变化情况如图5-7所示，相应的出水NO-2-N/NH+4-N或ΔNO-2-N/ΔNH+4-N变化见图5-8。由图可知，第1～15 d污水流经PN反应器后，大部分NH+4-N被转化成了NO-2-N、NO3--N，其中NO-2-N占比达到90%以上，出水中的氮素污染物以NO-2-N、NH+4-N为主，这两种基质进入ANAMMOX反应器后通过厌氧氨氧化作用被同步消耗，最终出水中仅含有少量的NH+4-N、NO-2-N和NO-3-N，PN反应器的出水NO-2-N/NH+4-N和ANAMMOX反应器的ΔNO-2-N/ΔNH+4-N均保持在1.3左右，系统的运行性能良好。

图5-7　PN和ANAMMOX的出水NO-x　-N 浓度变化

第16～20 d进水NH+4-N浓度降低，而PN反应器的出水口位置不变，导致NH+4-N在未抵达出水口前即已被氧化为NO-2-N，NO-2-N在继续下渗的过程中被进一步氧化为NO3--N，因此该阶段PN反应器出水中的NO-2-N浓度降低而NO-3-N浓度升高，NO-2-N积累率明显下降。结合图5-8可知，该阶段PN反应器出水的NH+4-N浓度也有所降低且降幅大于NO-2-N，因而出水NO-2-N/NH+4-N升高至2.22～3.07。进入ANAMMOX反应器后，由于进水NO-2-N/NH+4-N远高于厌氧氨氧化的理论值1.32，NH+4-N被全部去除而NO-2-N部分剩余，最终出水中含有较多的NO-2-N和NO-3-N。由于出水口位置的调整，21～30 d运行期间PN反应器的出水NO-3-N浓度降低，出水NO-2-N/NH+4-N恢复至1.3左右，进入ANAMMOX反应器后能充分进行厌氧氨氧化，因而最终出水中氮素污染物的浓度均较低。

图5-8　出水NO-2-N/NH+4-N变化

运行至第36～40 d，水力负荷的降低导致PN反应器对NH+4-N的去除率超过60%，同时产生了更多的NO-3-N，出水NO-2-N/NH+4-N增至1.71～1.92，进入ANAMMOX反应器后NO-2-N不能被厌氧氨氧化完全去除而随水排出。第41～50 d调整出水口位置到60 cm后，最终出水的NO-2-N和NO3--N浓度均有所下降，部分亚硝化和厌氧氨氧化恢复高效运行，出水NO-2-N/NH+4-N降回至1.3左右。

（四）TN去除情况

PN-ANAMMOX耦合工艺进出水的TN浓度及去除率如图5-9所示。由图可知，TN的去除主要发生在ANAMMOX反应器内，但PN反应器的出水水质将直接影响ANAMMOX的TN去除效率，进而影响PN-ANAMMOX耦合工艺的脱氮性能。第16～20 d运行期间，出水TN浓度升高至10 mg·L-1以上，平均TN去除率由前一阶段的95.61%下降至62.11%。这是由于该阶段进入ANAMMOX反应器的NO-2-N/NH+4-N严重失调，NO-2-N不能随NH+4-N同比例去除而导致出水中含有较多的NO-2-N和NO3--N，ANAMMOX反应器对TN的平均去除率相比前一阶段下降了33.35%。调整PN反应器出水口位置至45 cm处后，TN去除率恢复至90%以上。

图5-9　PN-ANAMMOX耦合工艺对TN的去除

第36～40 d时TN去除率再次出现下降，由前一阶段的95.52%下降至81.94%，相比第16～20 d时的跌幅减小，这是由于水力负荷为0.8 m·d-1时，PN反应器出水的NO-2-N/NH+4-N相对更接近理论值1.3，因而通过厌氧氨氧化作用随NH+4-N同比例去除的NO-2-N量也增多。调整PN反应器出水口位置至60 cm处后，TN去除效果恢复至原初水平，耦合系统再次进入高效、稳定的运行状态。