大量氮素进入受纳水体是造成富营养化的主要原因之一。随着2007年太湖蓝藻事件的发生，污水处理厂扩建及提标改造在全国范围内拉开了帷幕。据统计数据显示，扩建及提标改造关注的指标主要包括SS、总磷、总氮。其中，可以通过增设砂滤池、滤布滤池等过滤单元达到深度去除SS的目的，可以采取化学强化除磷手段确保出水总磷稳定达标。但截至目前，研究人员尚未发现适用于大规模工业运行需求的物化脱氮技术，而传统低成本的生物技术仍是当前污水脱氮的首选。
生物脱氮技术主要包括氨化反应、硝化反应和反硝化反应。其中，氨化反应机理为氨化菌在有氧或无氧条件下将有机氮转化为NH4+-N；硝化反应机理是利用亚硝化菌与硝化菌在有氧和无机碳源参与下将氨氮氧化为NO3--N；反硝化反应机理为反硝化菌利用有机碳源在缺氧环境下将NO3--N逐级还原为N2，从而完成脱氮过程。但据统计，我国城市污水C/N值普遍介于3.8~8.5之间，属于典型低C/N值污水，采用传统生物脱氮技术往往会因为有机碳源不足而使得反硝化阶段缺乏能量及电子供体，导致反硝化反应进行不彻底，造成总氮去除率较低。
此外，从上述反应机理还可以看出，NO3--N也是实现生物脱氮的重要基质，该基质浓度水平与内回流比直接相关。而反硝化反应阶段的DO浓度水平对氮素的去除有显著影响，高浓度DO会与硝酸盐竞争电子供体，同时也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性，对总氮的去除产生抑制作用，从而严重影响水环境质量的改善。高效生物脱氮已成为水处理领域的难点，因此备受研究人员和工程技术人员的广泛关注。
一、材料与方法：
① 工程概况：某污水处理厂设计规模为6×104m3/d，采用改良型A2/O+V型砂滤池工艺，工程占地7hm2（含扩建用地），总投资约3.5亿元，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准，该污水处理厂尾水的受纳水体为长江，为切实改善长江上游水环境质量，该污水处理厂于2019年6月完成了扩建及提标改造，但由于受内回流基质不足、DO控制不合理、进水C/N值长期偏低、反硝化不彻底的影响，导致经改造后的污水处理厂出水总氮可控性仍然较差，长期维持在11.9~14.4mg/L之间，已接近一级A标准限值，存在严重的水质超标风险。
② 试验方法：对改良型A2/O工艺进行强化生物脱氮性能研究。首先稳定每种工况下的好氧区尾端DO浓度均一致，调整内回流比，探讨内回流比对生物脱氮效果的影响；其次稳定每种工况下内回流比均一致，调整好氧区尾端DO浓度，探讨DO浓度对生物脱氮效果的影响。具体工艺运行条件见如表1所示，其中各工况的污泥回流比均为60%~70%，污泥浓度为4000~5000mg/L。在上述最优内回流比与DO浓度基础上，辅以外加碳源的方式进一步强化氮素指标的可控性。
试验期间进水BOD5为91~197mg/L，总氮为32.2~39.7mg/L，氨氮为22.1~31.4mg/L，C/N值为2.61~5.37。试验所用有机碳源为食品级葡萄糖，葡萄糖含量（以干物质计）≥99.5%，干燥失重≤10%，比旋光度为+52.0°~+53.5°，pH值为4.0~6.5，氯化物含量≤0.01%，硫酸灰分≤0.25%。1.3分析项目及检测方法COD采用重铬酸钾法测定，BOD5采用生化需氧量分析仪测定，NH3-N采用纳氏试剂比色法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，DO采用荧光法测定，NO3--N采用离子选择电极法测定。
二、结果与讨论：
① 内回流比对氮素去除效果的影响：不同内回流比下对氮素的去除效果。可以看出，5种工况下出水总氮平均浓度分别为14.2、13.6、12.9、12.1、13.7mg/L。工况Ⅰ~Ⅳ的出水总氮浓度随着内回流比的增大呈现缓慢下降的趋势。工况Ⅳ中总氮浓度最低降至11.7mg/L，总氮平均去除率为65.6%，相比工况Ⅰ提高了7.2%。但在工况Ⅴ中，随着内回流比的进一步增加，出水总氮却呈现急剧反弹的趋势，浓度最高达到14.4mg/L，总氮平均去除率降至61.7%。
分析原因，随着内回流比的增大，进入缺氧区的NO3--N逐渐增加，参与反硝化反应的基质浓度呈上升趋势，大量NO3--N转化为N2，达到了脱氮目的，使得出水总氮浓度下降。当内回流比为300%时，大量硝化液携带DO进入缺氧区，提升了缺氧区DO浓度，破坏了反硝化所需的缺氧环境，导致硝酸盐还原酶的合成及其活性受到抑制，反硝化反应受到严重影响。缺氧区DO浓度随内回流比的变化。可以看出，工况Ⅰ～Ⅳ中缺氧区DO浓度约为0.1mg/L，满足反硝化脱氮所需的缺氧条件，但工况Ⅴ的缺氧区DO浓度最高升至0.65mg/L，对反硝化脱氮产生了抑制作用。
5种工况条件下，出水氨氮浓度较稳定，数值均低于国标检出限（0.05mg/L），说明内回流比对出水氨氮影响较小。究其原因，主要是因为氨氮的转化场所主要集中在好氧区域，而内回流比仅对缺氧区DO产生影响，只要好氧区DO充足，出水氨氮将不会受到影响。试验期间，出水氨氮平均去除率均维持在99%以上。综上所述，当内回流比为275%时，出水总氮平均浓度能维持在12.1mg/L左右，平均去除率为65.6%，氨氮浓度低于国标检出限。为此，从兼顾总氮与氨氮的角度出发，需要继续对DO进行优化。
② DO对氮素去除效果的影响：不同DO下对氮素的去除效果如图4所示。可以看出，5种工况下出水总氮平均浓度分别为11.9、11.2、11.8、12.9、14.4mg/L。工况A～E中，出水总氮浓度随着DO的增大呈现先下降后上升的趋势，尤其是工况E，其出水总氮最高为14.6mg/L，接近一级A标准限值。从水质标准与工艺管控要求出发，立即终止工况E的试验，并将DO浓度重新优化为1.2～1.5mg/L，经过一个周期的运行后发现，出水总氮浓度重新降至11.0mg/L左右，平均去除率维持在67%左右。5种工况下，出水氨氮的平均浓度分别为3.01、0.48、0.05、0.05、0.05mg/L。工况A～E中，随着DO的增大，出水氨氮浓度呈现急剧下降的变化趋势，到工况B后期，逐渐趋于稳定，浓度维持在0.05mg/L以下，去除率稳步升至99.8%以上。
分析原因，工况A条件下，由于DO过低，导致好氧区硝化反应受到抑制，氨氮转化受到影响，使得出水氨氮浓度较高，最高升至3.23mg/L，接近一级A标准限值的2/3；工况B条件下，随着DO浓度的升高，硝化反应进展顺畅，好氧区NO3--N浓度呈现稳步上升的趋势，出水氨氮下降趋势明显；从工况C开始，由于进一步提升了DO浓度，虽然出水氨氮浓度能维持在较低水平，且显著优于一级A排放标准，但过高的DO浓度会随内回流硝化液进入缺氧区，从而打破缺氧区低DO状态，对反硝化反应造成严重影响，导致出水总氮恶化。
③ 碳源的使用情况：碳源是微生物进行反硝化脱氮的必备要素，可为反硝化提供源源不断的电子供体，对净化污水具有重要影响。我国城市污水的C/N值普遍偏低，碳源不足，导致氮素去除率较低。根据污水处理厂多年的实际运行经验，当C/N值大于8时，才能满足反硝化所需碳源要求。但本工程中C/N值长期介于2.5~5.5之间，属于典型低C/N值污水，仅仅依靠原水碳源无法稳定实现生物脱氮，需要辅以外加碳源的方式来强化对氮素的深度去除。
工况a（碳源投加量为400kg/d）条件下，出水总氮仅能勉强控制在一级A标准范围内，若出现水质、水量冲击，存在出水水质超标风险。工况b（碳源投加量为600kg/d）和工况c（碳源投加量为800kg/d）条件下，出水总氮呈现轻微下降的趋势，但浓度仍接近一级A标准限值的2/3，指标可控性仍然不理想。工况d（碳源投加量为1000kg/d）条件下，出水总氮平均浓度降至9.20mg/L，出水氨氮的平均浓度为0.38mg/L，出水氮素指标显著优于一级A排放标准。分析可知，试验所用葡萄糖的COD当量为932mg/L，以前述工况b下经稳定运行后的出水总氮平均浓度作为背景值，将总氮降至9.20mg/L，下降浓度约为2mg/L，按照目前污水处理厂水量负荷约67%计算，每去除1mg/L总氮需投加的葡萄糖为11.6mg/L。按照葡萄糖市场价格约4400元/t计算，每处理1m3污水对成本的贡献仅为0.11元，且对出水指标能实现更加稳健的控制。外加碳源对COD去除效果的影响如图6所示。可以看出，受各工况下碳源投加量的影响，试验期间进水COD波动较大，但出水COD均能稳定维持在15mg/L以下，去除率高达94.9%～98.0%，未受明显影响。说明外加碳源均能被微生物充分利用，不会对出水水质造成负面影响。
3、结论
① 适当增大内回流比有利于提高总氮去除率，但内回流比过高会使硝化液携带大量DO进入缺氧区，不利于反硝化反应的进行。降低DO浓度有利于去除总氮，但会抑制好氧区的硝化反应，氨氮转化受到影响。②本试验确定的适宜内回流比为275%、适宜DO为1.2~1.5mg/L。在辅以外加碳源的情况下，出水总氮的平均浓度可降至9.20mg/L，氨氮平均浓度为0.38mg/L，出水氮素指标显著优于一级A排放标准。③外加碳源不会对出水COD产生明显影响，说明碳源均能被微生物充分利用。外加碳源对成本的贡献仅为0.11元/m3，且能够更加稳健地控制出水指标，有效促进了成本与水质的双赢。
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