随着经济的飞速发展，水体污染已成为制约城市发展的重要因素。目前，我国对污水中氮的排放要求越来越严格。如何经济高效地去除污水中的氮已成为亟待解决的问题之一〔1, 2〕。由于我国部分小城市生活污水处理厂污水具有氨氮浓度高，碳源相对较低，脱氮处理难以达标的特点〔3〕，因此，如何实现高氨氮、低碳氮比情况下污水的稳定达标已成为重要的研究课题。该项研究对实现其他区域污水处理厂处理出水的稳定达标和污染物的有效削减具有重要指导和推广意义〔4〕。
为了实现脱氮除磷的高效低耗，有学者(1994年)相继提出了好氧与缺氧交替活性污泥法工艺，在此基础上，又有学者(1997年)提出将进水负荷分成若干等份后分别进入各级缺氧段，从而形成了分段进水A/O脱氮工艺〔5, 6〕。该工艺具有脱氮效率高、碳源利用充分、污泥产量少、基建费用低、运行费用省等优点。但在采用该工艺处理高氨氮污水时发现，其存在TN超标的问题，而提高反应器段数虽然可以提高脱氮率，与此同时也会增加系统的复杂性〔7, 8, 9〕。对此，本研究针对许多小城市污水 处理厂污水存在的高氨氮、低碳氮比的特点，在分段进水A/O工艺和A2/O工艺的基础上提出了分段进水循环A/O工艺，即在分段进水A/O工艺的基础上通过增设1套混合液内回流系统实现同级缺氧区和好氧区的循环交替，达到了增加反应器段数的目的，提高了脱氮率。该项研究为污水高效脱氮提供了新的思路〔10〕。
1 材料与方法
1.1 实验装置
实验装置如图 1所示，主要实验设备及仪器如表 1所示。
1-进水箱；2-蠕动泵；3-液体流量计；4-电动搅拌器； 5-空压机；6-气体流量计；7-曝气头；8-二沉池。
图 1 分段进水循环A/O工艺装置示意 
1.2 实验用水与接种污泥
采用人工配制的高氨氮、低碳氮比模拟生活污水为实验用水，其主要水质参数见表 2.碳源使用可溶性淀粉，氨氮采用NH4Cl,磷采用KH2PO4和K2HPO4,并在配水中投加NaHCO3作为碱度的缓冲剂，此外还在配水中投加多种无机营养盐用以提供微生物生长所需的微量元素。实验中可以根据不同的要求适当地改变进水水质参数。接种污泥取自郑州五龙口污水厂氧化沟曝气段。
1.3 分析方法
水质分析方法参照国家环保总局《水和废水监测分析方法》(第4版)。
1.4 系统运行参数设置
本实验系统运行参数：水力停留时间为12 h;进水总流量为3 L/h;各段流量分配相同，即各段缺氧区的进水流量比都是25%;各段容积相同，而每段的V缺∶V好=2∶3;污泥回流比为50%;利用恒温加热器保持反应温度恒定，反应器中的平均温度为(20±1)℃;好氧区DO控制在2.0 mg/L左右，缺氧区DO控制在0.5 mg/L以下，使各段缺氧池和好氧池中的活性污泥在较适宜的条件下发生硝化和反硝化反应。
为充分探求混合液内回流对分段进水循环A/O工艺系统性能的影响，本研究选择了3种混合液内回流比0、100%和200%,分别考察了不同回流比下污水中COD、NH4+-N、TN的去除情况和系统沿程水质变化，进而确定出工艺的最佳混合液内回流比。
2 结果与讨论
2.1 混合液内回流比对COD去除效果的影响分析
在混合液内回流比分别为0、100%和200%的情况下，分段进水循环A/O工艺对COD的去除效果如图 2所示。
由图 2可知，当混合液内回流比分别为0、100%、200%,进水COD平均分别为346、337、354 mg/L时，出水COD平均分别为37、35、30 mg/L,对应的平均COD去除率分别为89.30%、89.60%和91.53%,COD平均去除率大致相等。这表明，不同的混合液内回流比对于分段进水循环A/O工艺的COD的去除影响并不明显，且3种工况下出水COD均小于50 mg/L,满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级 A 标准〔11, 12〕。因此，通过提高混合液内回流比来提高COD去除率的做法并不可取。此外，在混合液内回流比为100%和200%情况下的COD去除率要比内回流比为0时略高，这是因为通过混合液的内回流，系统对于有机物的降解有所加强，所以对于COD的去除略有改善，然则并不能显着提高对COD的处理效果〔13〕。
2.2 混合液内回流比对氨氮去除效果的影响分析
在混合液内回流比分别为0、100%和200%的工况条件下，分段进水循环A/O工艺对NH4+-N的去除效果如图 3所示。
图 3 不同混合液内回流比下NH4+-N的去除情况
由图 3可知，当混合液内回流比分别为0、100%、200%,进水NH4+-N平均分别为79.35、72.67、75.68 mg/L时，出水NH4+-N平均分别为2.76、2.85、4.38 mg/L,对应的平均NH4+-N去除率分别为96.52%、96.08%和94.21%.虽然进水NH4+-N有所不同，但是出水NH4+-N较稳定，波动不大，3种工况下的平均出水NH4+-N均小于5 mg/L,都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准。从图 3还可以看出，3种工况下的NH4+-N去除率都比较高，且并不随着混合液内回流比的提高而有显着变化，这可能是因为硝化作用是氨氮去除的主要影响作用，氨氮在好氧段被硝化细菌和亚硝化细菌分别氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，所以硝化作用的好坏与否直接影响了氨氮的去除率，混合液内回流比的提高对于NH4+-N去除率的影响不显着〔11〕;此外，随着混合液内回流比的提高，NH4+-N去除率略有降低，这可能是因为内回流导致好氧区HRT变短，硝化作用还没完全发生。
2.3 混合液内回流比对总氮去除效果的影响分析
在混合液内回流比分别为0、100%和200%的情况下，分段进水循环A/O工艺对TN的去除效果如图 4所示。
图 4 不同混合液内回流比下TN的去除情况
从图 4可以看出，当混合液内回流比分别为0、100%、200%,进水TN平均分别为82.11、75.53、78.46 mg/L时，出水TN平均分别为29.75、11.30、13.52 mg/L,对应的平均TN去除率分别为63.77%、85.03%和82.77%.实验所用污水碳氮比平均为4.4,属于低碳氮比生活污水，但当混合液内回流比为100%和200%时，出水TN平均分别为11.30 、13.52 mg/L,均小于15 mg/L,满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准，说明系统对碳源有一个较高的利用效率，反硝化效果较好。
在内回流比为100%和200%的条件下，TN去除率相对于内回流比为0时大幅提高，这是因为：一方面提高内回流比可以提高污水经历硝化反硝化的次数，增加反硝化反应的时间，同时可以为反硝化提供更多的硝态氮，而当有机碳源为某一特定值时，作为电子受体的硝态氮越多，电子供体与给体间的接触越多，反硝化也更激烈;另一方面提高内回流比可以提高缺氧池中的污泥浓度，且带入的内碳源也更多，由于反硝化菌可以利用内碳源进行反硝化反应，从而表现出高的TN去除率〔12, 14〕。同时发现，内回流比为200%时的TN去除率相对于内回流比为100%时的TN去除率有所降低，TN去除率从85.03%降低至82.77%,这是因为：一方面混合液内回流比的提高会使带入缺氧池中的DO提高，带入的DO不仅会消耗易降解碳源，同时反硝化菌的活性也会被抑制;另一方面混合液内回流比的提高会使好氧区和缺氧区的HRT变小，硝化菌和反硝化菌的反应时间变短，反应不是很充分，从而影响脱氮率〔15〕。。
3 结论
重点研究了混合液内回流对分段进水循环A/O工艺系统性能的影响。以低碳氮比生活污水为研究对象，控制其他运行条件不变，通过改变混合液内回流比这一单一因素，对比分析了不同内回流比下污水中COD、NH4+-N、TN的去除情况，得出的结论如下：
(1)当混合液内回流比分别为0、100%和200%时，COD平均去除率分别为89.30%、89.60%和91.53%,COD去除率均比较高，且出水COD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准。COD去除率随着内回流比的提高略有升高，说明系统对有机物的降解有所加强，但效果并不明显。
(2)当混合液内回流比分别为0、100%和200%时，NH4+-N平均去除率分别为96.52%、96.08%和94.21%,NH4+-N去除率都比较高，且出水NH4+-N都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准，但内回流比对NH4+-N去除效果的影响不明显。
(3)当混合液内回流比为100%和200%时，TN平均去除率从内回流比为0时的63.77%分别提高到85.03%和82.77%,TN去除率得到显着提高;此时出水TN也达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准。此外，内回流比为200%时的TN去除率与内回流比为100%时相比有所降低，说明内回流比并不是越大越好，而是有一个适当的范围。
(4)在进水NH4+-N平均为75 mg/L、碳氮比为 4.5的条件下，分段进水A/O工艺在增加混合液内循环后的系统TN去除率可从之前的60%多提高到80%以上，且出水COD、NH4+-N和TN均能稳定达标，这说明分段进水循环A/O工艺在处理低碳氮比污水方面具有独特的优点。但是内回流比越大运行费用越高，为了最大地提高TN去除率及降低能耗，需选择合适的混合液内回流比。该系统在内回流比为100%时可以实现低费用、高去除率的效果。
