城市污水排放是水体氮污染的重要来源。为此，众多执行《城镇在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频污染物排放标准》（GB18918—2002）一级B排放标准的污水厂需要进行提标改造，要求出水总氮达到小于15mg/L的一级A排放标准。而部分省市，根据当地的水污染防治要求，出台了更为严格的地方排放标准，如北京市的《水污染物综合排放标准》（DB11/307—2013）、天津市的《城镇在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频污染物排放标准》（DB12/599—2015）中的A标准、《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》（DB51/2311—2016）等。目前，污水厂常采用前置缺氧工艺去除总氮，如A/O工艺和A2O工艺。前置缺氧工艺需要将硝化液内回流至缺氧池完成反硝化。然而，好氧池中的硝化液理论上无法完全回流至前置缺氧池，故总氮去除率不高。在A/O或A2O工艺的末端增设后置缺氧池或反硝化滤池，通过外加碳源可以进一步提高总氮去除率，但会显著增加运行费用和碳排放量。此外，采用两级或多级A/O工艺，再配备分段进水，也可以进一步提高总氮去除率。通过间歇曝气，可在同一个反应池中创造好氧/缺氧交替的环境，也能实现对总氮的去除，如改良的CASS工艺和SBR工艺。
有研究者将前置缺氧和间歇曝气结合起来，提出了iMLE（intermittentmodifiedLudzack-Ettinger）工艺。该工艺融合了两类脱氮手段的优点，能够减少硝化液“外溢”，同时提高对污水中原有碳源的利用效率。在处理碳源充足的城市污水时，可以将出水总氮浓度降低至3mg/L；即使在处理碳源不足的城市污水时（BOD5/TN=2.4），在未投加碳源的情况下出水氨氮和总氮均值也分别达到了0.3和4.8mg/L。
深圳市深水光明水质净化厂采用两级A/O工艺，虽然进水碳源不充足，但出水TN基本能达到国家一级A排放标准。从2019年4月起，该厂要求执行出水TN小于10mg/L的新要求。为了稳定达到新的排放标准，需外加碳源提高TN去除率，但会显著增加处理成本。笔者采用iMLE工艺对该厂一组生化系统进行了试验性改造，三个月的试运行结果初步论证了该新工艺在生产性规模上应用的可行性。然后进一步测试了iMLE工艺在华南地区雨季、旱季和旱季高流量下的脱氮效率和曝气节省情况，分析了iMLE工艺中脱氮微生物的活性。
1、材料与方法
1.1 工艺改造
试验在深圳市深水光明水质净化厂进行，该厂设计规模为30×104m3/d，其中一期为15×104m3/d，共有6组平行运行的生化系统（包括AN、AS、BN、BS、CN和CS，改造前均采用两级A/O工艺），每组设计处理量为2.5×104m³/d。为了满足出水总氮浓度不超过10mg/L的新要求，2019年5月9日起，在缺氧池2前端投加乙酸钠溶液，见图1（a），但是显著增加了运行费用。2020年3月—4月，采用前期研发的iMLE工艺对一期BN组生化系统进行了改造，见图1（b），并开展了强化脱氮生产性试验。BN组原采用厌氧+两级A/O工艺，其中厌氧池、缺氧池1、好氧池1、缺氧池2和好氧池2的容积分别为544、2695、3998、3072、4144m³。改造以后的测试结果显示，iMLE工艺可在不外加碳源的情况下取得良好的脱氮效果。鉴于华南地区雨季和旱季水质差异较大，后续研究分析了改造后的BN组在雨季、旱季和旱季高流量下的脱氮效果和曝气消耗情况。
1.2 工艺运行与优化
分析新工艺在雨季（8月1日—10月8日）、旱季（10月9日—12月2日）和旱季高流量（12月3日—31日）三个阶段的脱氮效果。改造前BN组的设计量为2.5×104m³/d（试验期间实际处理量为2.5×104~3.15×104m³/d），上述三个阶段的实际平均流量分别为2.96×104、2.66×104和3.05×104m³/d。根据前期研究结果，BN组按iMLE工艺的DO控制模式运行，即通过间歇曝气池末端的DO浓度控制曝气设备的开停。曝气时，当DO≥2mg/L时，延迟曝气15~25min关闭曝气电动阀；关停曝气后，当DO降至0.5mg/L以下时，再延迟30~40min开启曝气电动阀。试验期间未外加碳源。
生产性试验期间，每日测定进水混合样的COD、BOD5、TN和氨氮，以及上午出水瞬时样的COD。鉴于出水氮浓度波动较大，出水TN、氨氮和硝酸盐在上、下午各测一次。同时，记录BN组每日的空气消耗量，以及相邻两级A/O系统的外加碳源量。
1.3 周期性试验
为了探究生化系统中氨氮、NO2--N和NO3--N在一个曝气/混合周期内的变化规律，于稳定运行的状态下分析了iMLE工艺间歇曝气池中DO、氨氮、NO2--N和NO3--N的变化规律。当iMLE工艺曝气时段转入混合时段后，每隔10min采集一次水样，分析上述指标的变化。
1.4 污泥脱氮能力的测定
当系统稳定运行后，通过批式试验测定了两级A/O工艺和iMLE工艺中活性污泥的最大硝化和反硝化速率。当测定污泥最大硝化速率时，首先向量筒中加入2L相同浓度的活性污泥，然后启动增氧泵，使DO>2mg/L，再每隔15min收集一次反应器中的样品，用于分析氨氮浓度的变化。当测定最大反硝化速率时，首先向装置中加入1.5L相同浓度的活性污泥，然后通过气袋不断向其中充入氦气，确保DO低于0.5mg/L后，再每隔15min收集一次反应器中的样品，用滤膜过滤后分析硝酸盐浓度的变化。当测定碳源充足下污泥的最大反硝化速率时，需先加入足量的醋酸钠补充碳源。
1.5 分析项目及方法
COD采用重铬酸盐法测定，BOD5采用接种稀释法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，NO3--N采用紫外分光光度法测定，TP采用连续流动-钼酸铵分光光度法测定，污泥浓度（MLSS）采用重量法测定，pH采用pH计测定，DO采用实时监测溶氧仪测定。
2、结果与讨论
2.1 iMLE工艺对COD的去除效果
雨季和旱季时段iMLE工艺进水COD和BOD5以及出水COD浓度的变化如图2所示。可以看出，试验期间进水COD和BOD5浓度范围分别为93~484和31~185mg/L。在雨季、旱季和旱季高流量阶段，进水COD均值分别为173、274和352mg/L，而进水BOD5均值分别为64、102和123mg/L，可见雨季和旱季进水COD浓度差异较大。然而，三个阶段的平均出水COD浓度均为17~20mg/L，平均去除率均稳定达到了90%以上，表明采用间歇曝气的iMLE工艺能实现稳定高效的COD去除效果。在生物脱氮污水处理系统中，为了维持良好的硝化活性，污泥龄和水力停留时间一般较长，因此采用间歇曝气也能实现良好的有机质去除效果。另一方面，由于渗漏、化粪池代谢、管网代谢等原因，南方污水厂进水中COD浓度往往较低，采用间歇曝气也能实现良好的COD去除效果。
2.2 iMLE工艺对氨氮的去除效果
生产性试验期间的进出水氨氮浓度如图3所示。可以看出，进水氨氮浓度为9.4~39.9mg/L，在雨季、旱季和旱季高流量阶段，进水氨氮浓度的均值分别为17.3、24.9和32.3mg/L，可见雨季和旱季进水氨氮浓度存在明显差异。在雨季和一般旱季（12月3日前），出水氨氮浓度比较稳定，基本低于1.5mg/L的排放标准。在旱季高流量阶段（12月3日—31日），出水氨氮浓度出现了波动，甚至出现了高于排放标准的情况，这是由高负荷下曝气量不足引起的。3个试验阶段的平均出水氨氮浓度分别为0.37、0.61和0.86mg/L，平均去除率均高于97%，表明采用间歇曝气的iMLE工艺+精准的DO控制能稳定去除氨氮。
2.3 iMLE工艺对TN的去除效果
iMLE工艺在雨季和旱季时进出水总氮的变化如图4所示。
从图4可以看出，进水TN浓度在13.3~58.5mg/L。在雨季、旱季和旱季高流量阶段，进水TN均值分别为21.9、32.3和42.2mg/L，而每日进水总氮负荷分别为638、859和1284kg/d，旱季高流量阶段的总氮负荷是雨季的2倍。在雨季和一般旱季阶段，出水TN浓度比较稳定，始终低于10mg/L的排放标准。在旱季高流量阶段，出水TN出现了波动，且很多时候超出了排放标准，这说明已达到了iMLE工艺的脱氮极限。三个试验阶段的平均出水总氮浓度分别为4.7、5.8和8.5mg/L，平均去除率分别为78.2%、81.7%和79.4%。可见，在旱季高流量时，虽然出水总氮有所升高，但TN的平均去除率与雨季和旱季差异不大。试验期间，iMLE工艺一直未投加碳源，但在雨季和一般旱季阶段出水TN的浓度和去除率与前期测定的配备了碳源投加的两级A/O工艺相当（见表1）。
进水TN容积负荷和C/N值均会影响出水TN浓度和TN去除率，为此分析了iMLE工艺出水TN浓度和去除率与TN容积负荷和进水BOD5/TN值的相关性。试验期间，进水TN容积负荷在29~133g/（m3·d）范围内变化，在雨季、旱季和旱季高流量条件下，平均值分别为45.9、61.8、92.3g/（m3·d）。进水BOD5/TN值的变化范围为1.5~5.7，均值分别为2.9、3.2、2.9。分析结果表明，出水TN浓度与TN容积负荷相关性明显（见图5），而受进水BOD5/TN值的影响不显著。此外，TN去除率与进水TN容积负荷和BOD5/TN值的相关性均不显著。
2.4 iMLE工艺的碳源节省量和曝气量消耗
试验期间，iMLE工艺一直没有投加碳源，而该厂其他组采用两级A/O工艺的系统仍保持了碳源投加。表2为处理相同水量、水质的其他组两级A/O工艺的同期碳源投加量，试验期间总共节省了碳源492.48t，节约费用约63万元。经计算，每处理10000m³污水，采用iMLE工艺可以节约碳源投加量1.14t，节省费用1460元，即水节约药剂投加费用约0.15元/m³。
此外，iMLE工艺还可降低曝气量。以两级A/O工艺为例，1m3水消耗的气量和去除单位COD消耗的气量分别为3.6m³/m³和19.8m³/kg。在雨季、旱季和旱季高流量情况下，iMLE工艺处理1m3水消耗的气量分别为1.9、2.5和4.1m³，见表3。旱季高流量时，虽然消耗的气量相对两级A/O工艺有所升高，但是去除单位COD消耗的气量仍然降低了41%。可见，iMLE工艺不仅能提高总氮去除率，还能降低曝气量，进一步节能和降低碳排放。
2.5 DO、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的周期性变化
iMLE工艺一个曝气/混合周期内氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和DO浓度的变化如图6所示。由于采用了间歇曝气，间歇曝气池中DO呈先升高后降低的趋势。当曝气开启时，DO升高，处于好氧状态，间歇曝气池中累积的氨氮被转化为硝酸盐氮。当曝气停止后，硝酸盐氮被外源反硝化或内源反硝化转化成氮气，因此硝酸盐氮浓度下降。在iMLE工艺中，内回流的硝酸盐氮也将在前置缺氧池中被去除。因此，在前置反硝化和间歇曝气反硝化的共同作用下，增加了反硝化时间和空间，因而在不外加碳源的情况下也能维持良好的总氮去除率。
在停曝阶段，由于停曝的时间不长，而且推流式的间歇曝气池具有良好的缓冲能力，因此在停曝末期累积的氨氮浓度也不高。此外，后置曝气能进一步去除间歇曝气池中溢出的氨氮，使二沉池出水氨氮浓度稳定达标。间歇曝气也作为了新型脱氮路径的实现手段，如短程硝化-反硝化、短程硝化厌氧氨氧化等，但在iMLE工艺的前段和中段，均未发现亚硝酸盐累积现象。
2.6 iMLE工艺污泥的硝化和反硝化性能
iMLE工艺采用了间歇曝气，与采用连续曝气的两级A/O相比，具有不同的硝化反硝化活性。研究结果表明，两级A/O工艺和iMLE工艺污泥的最大硝化速率分别为2.3和1.7mg/（gVSS∙h），表明A/O工艺的污泥具有更高的硝化能力。无论是初始污泥，还是碳源充足时，iMLE工艺污泥的反硝化能力均高于两级A/O工艺污泥。当无额外碳源投加时，两级A/O工艺和iMLE工艺污泥的反硝化速率分别为0.75和0.93mg/（gVSS∙h）；当额外投加碳源后，两种污泥的反硝化速率分别为3.6和4.4mg/（gVSS∙h）。采用间歇曝气的iMLE工艺压缩了硝化反应的时间与空间，但增加了反硝化的时间与空间，这可能是该工艺污泥具有更低硝化能力和更高反硝化能力的原因。
3、结论
①在雨季、旱季和旱季高流量阶段，进水总氮浓度分别为21.9、32.3和42.2mg/L，进水总氮容积负荷分别为45.9、61.8和92.3g/（m3·d），可见三个阶段的TN负荷差异显著。然而，三个试验阶段的平均出水总氮浓度分别为4.7、5.8和8.5mg/L，平均去除率分别为78.2%、81.7%和79.4%，TN去除率差异不大。
②试验期间，iMLE工艺未投加任何碳源，相比平行运行的两级A/O工艺，可节约碳源投加费用约0.15元/m3。此外，相比两级A/O工艺，iMLE工艺去除单位COD所消耗的气量下降了41%。
③相比两级A/O工艺，iMLE工艺污泥的硝化能力更弱，但反硝化能力更强，iMLE和两级A/O工艺的最大污泥反硝化速率分别为4.4和3.6mg/（gVSS·h）。
④iMLE工艺能协同提高脱氮效率、降低处理成本和减少碳排放，为污水厂改造提供了新方案。（来源：暨南大学环境学院，深圳市水务集团有限公司盐田分公司，深圳市深水光明水环境有限公司，密苏里科技大学）
