化学需氧量与氨氮比值对污水降解能力的影响研究

0 引言

COD和NH3-N是淮河流域沂沭泗水系的主要污染物[1]，是城市污水处理厂的首要处理污染物。研究COD与NH3-N之间的降解关系，有助于掌握污水处理厂及水体净化的规律，掌握微生物对污染物的利用比例，从而为保障污水厂COD和NH3-N达标排放提供指导意见[2-3]。

微生物的生长需要一定的碳源、氮源、磷源，研究表明，微生物的细胞组成中碳氮质量浓度比约为100:5，污水厂污染物去除效率受进水有机物与NH3-N的浓度及比例等影响[4]。由于实际水体组成复杂，很难计算碳氮比，实际水体中通常测定的指标为COD和NH3-N，污水厂的进口通常装有COD，NH3-N在线仪，用污水厂进水COD与NH3-N的浓度比值来表征水体中碳氮比更便捷。对于污水来源稳定的污水处理厂，其进水组成成分相对稳定，研究污水厂进水COD与NH3-N的浓度比值，可以简单明了的表征污水厂进水是否适宜微生物的生长，通过适当补充碳源或氮源，使进水COD与NH3-N浓度比值达到最佳，从而提高污染物的降解效率，减少污水停留时间，降低污水处理运行成本。

1 实验方法

1.1 水样来源

选择某污水处理厂进水作为实验水样，该污水厂主要接纳城市生活污水和少量工业废水，以生活污水为主。

1.2 水样处理

将污水处理厂进水水样分别放置在6个直径20 cm的大烧杯中，每个烧杯装5 L水样，分别往水样中加适量氯化铵（换算成NH3-N质量浓度为0，3，6，9，12，15 mg/L），形成 1# ～ 6# 水样，敞口放置于28℃恒温室内，每天取上清液进行测定，连续测7 d。

1.3 水样分析方法

COD采用HJ 828—2017《水质 COD的测定 重铬酸盐法》测定，NH3-N采用HJ 665—2013《水质NH3-N的测定连续流动-水杨酸分光光度法》测定，TN采用HJ 667—2013《水质 TN的测定 连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法》测定。

1.4 水样水质

1#～6#水样NH3-N的浓度均在第3天出现增高现象，这主要是由于硝化细菌将NH3-N氧化为硝酸盐、亚硝酸盐的同时，氨化细菌将有机氮分解为NH3-N，当有机氮分解为NH3-N的速率大于NH3-N的氧化速率时，水体中NH3-N的浓度增高[6-7]。由图3可见，NH3-N的浓度在第3天达到最大，随后逐渐降低，说明水样中有机氨逐渐分解完，NH3-N的浓度从第3天起呈逐日下降趋势。

教师必须具备渊博的生物学知识和敏锐地关注生物学发展的动态能力，从而成为中学生认为的生物学方面的专家。这样，学生会产生强烈的兴趣，能够有意识或无意识地投入到生物学的学习中，并积极探讨生物方面的有关内容。例如，教师补充生物教科书所涉及的如生物知识的当前热点——克隆、转基因等。具备渊博生物学知识的教师应成为学生的偶像，树立了权威形象，能更好地暗示学生。当然，生物教师的知识结构和个人素质存在差异，不必也不可能对生物学有全面的了解。另外，教师的另一要求是崇高的人格魅力，即平等对待学生，敢于承认自己不足和错误的态度，不断进取和奉献的生物教学精神，使学生无对抗、无批判、无抵制地接受教师的暗示。

1.5 污染物降解一级反应动力学

一级反应动力学方程为：

一级反应动力学方程表征污染物的降解速率与该污染物浓度的一次方成正比的反应过程，用于研究各种因素对污染物降解速率影响的规律，表征其反应机理。若某种污染物的降解符合一级动力学方程，则表征该污染物的的降解速率仅与其浓度成比例关系[5]。

 

对上式两边取自然对数，得：

 

式中：C为t时刻的质量浓度，mg/L；C0为初始质量浓度，mg/L；t为时间，d；k 为降解系数，d-1。

1#～6#水样COD的实验数据与一级动力学方程有很好的相关性，相关系数r均在0.90以上，因此可以认为，COD降解规律试验结果与一级动力学方程的应用客观实际相吻合。微生物自身代谢过程可以降解水体中污染物，不同的微生物所需的营养物质也不尽相同，污水厂一般有固定的微生物菌群，其所需的营养物比例基本固定，因此，降解速率快的水样中其营养物质比例更适宜微生物菌群的生长。实验结果还表明，2#，3#水样的降解系数k略高于其他水样，且半衰期较短，说明COD与NH3-N的浓度比例更适宜水样中微生物的生长，较短的时间可以达到较高的污染物去除率，污水实际处理过程中有利于减少污水的水力停留时间，降低处理成本。

（1）理论研究结合实证研究：对相关多学科评析文献纵向分析和相关官方数据横向对比，为调研提供理论依据。同时，利用实地调研法，采集主观数据，量化公众评议信息，与政策实施效果成果性文献内容进行主客观效用对比，验证效用存在。

 

2 结果与讨论

2.1 COD降解规律

实验条件下，水样COD浓度随时间变化情况见图1。从图1可以看出，1#～6#水样COD浓度随时间呈降低趋势，前5 d COD浓度显著降低，之后无明显变化，且5 d后各水样COD浓度无显著性差别。

由图3可见，各水样中NH3-N浓度随时间变化趋势基本一致，第3天NH3-N浓度升高，然后逐渐降低。2#，3#水样的NH3-N浓度降低速率较1#水样（对照样）更显著，且第6天起2#，3#水样NH3-N浓度略低于1#水样，降解速率明显高于其他水样，2#，3#水样的COD与NH3-N的浓度比例更适宜微生物的生长。

  

图1 水样COD浓度随时间变化情况

将1#～6#水样的实验结果，按COD降解速率方程及COD降解半衰期公式进行整理，经回归计算，求出响应的降解系数k、半衰期t1/2和相关系数r，画出一级动力学方程曲线，结果见图2和表1。

  

图2 水样COD降解动力学回归曲线

 

表1 COD降解动力学参数

  

样品编号1#2#3#4#5#6#k/(d-1)0.1890.1950.1900.1890.1890.182 t 1/2/d 3.73.63.63.73.73.8 r 0.9530.9690.9720.9730.9160.968

污染物半衰期公式为：

德伐日太太在《双城记》中是复仇的化身，即使她悲苦的出身让人同情，但读者记在心中的是她要将无辜人送上断头台的冷酷无情。甚至看到她死后，读者会禁不住松口气。正是因为这样“扁平”的复仇女子形象的塑造使得《双城记》更具吸引力，值得一遍一遍细读。

2.2 NH3-N降解规律

水样NH3-N浓度随时间变化情况见图3。

2.发电厂的总体规划，应贯彻节约用地的原则，严格执行国家规定的土地使用审批程序。厂址用地应符合该区域城镇总体规划和土地利用总体规划的要求，可研设计阶段应取得国土资源部门对厂址用地的初审和预审意见，和省住建厅同意厂址用地的“项目建设选址意见书”。

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图3 水样NH3-N浓度随时间变化情况

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所取污水厂进水水质：ρ（COD）为 120 mg/L，ρ（NH3-N）为 16.7 mg/L，ρ（TN）为 28.2 mg/L。 加标之后，1#～6#水样COD与NH3-N质量浓度比分别为：7.2，6.7，5.9，5.0，4.4，3.9。

用NH3-N浓度随时间变化的情况进行一级动力学方程的拟合，见图4。1#～6#水样NH3-N实验数据与一级动力学方程相关性较低，线性相关度为0.822～0.892，小于0.90，因此1#～6#水样NH3-N的降解均不完全符合一级动力学方程。这是因为NH3-N的降解速率不仅与NH3-N的浓度有关，还与TN尤其是有机氮的浓度有关，氨化作用、硝化作用共同决定了水体中NH3-N的浓度。由图4可以看出，从第2天起NH3-N的降解动力学回归曲线基本呈现线性，说明氨化作用已经完成，硝化作用占主导作用。

  

图4 水样NH3-N降解动力学回归曲线

2.3 TN降解规律

1#～6#水样TN浓度总体随时间变化而降低，1#，6#水样第4天略有升高，第4天起2#，3#水样TN浓度与1#（对照样）基本相同，2#，3#水样TN去除率最高，见图5。

(四)王罕岭仍居住着为王氏守山的后裔。外湾村民俞金洋说：“我们祖上到王罕岭守山至今已有十多代，听老一辈讲，最早为观(新金庭观)下王家(华堂村王氏)望山的是小将曹氏人，后来是坑西吕姓人，接着是我们俞家。过去，这里的山、地、田都是观下王家的，土改时政府把土地和山林分给了我们。”

  

图5 水样TN浓度随时间变化情况

将1#～6#水样的实验结果，按降解速率方程及降解半衰期公式进行整理，经回归计算，求出响应的降解系数k、半衰期t1/2和相关系数r，画出一级动力学方程曲线，结果见表2和图6。

1#～6#水样降解规律均符合一级动力学方程，相关系数均大于0.90。2#，3#水样降解系数k高于其他水样，半衰期较短。TN的降解速率仅与TN的浓度成正比，与TN在水样中以何种形式存在无关。TN的降解分为几个过程：①有机氮分解为NH3-N；②NH3-N在硝化细菌的作用下氧化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮；③硝酸盐氮、亚硝酸盐氮在反硝化细菌作用下还原为氮气或氮。这几种生化作用同时存在，同时进行，但有机氮、NH3-N、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮之间的转化只是水样中氮的形式的改变，TN浓度基本不受影响。水样中TN的去除主要由于反硝化作用及微生物细胞合成作用，进入空气或微生物细胞。几种微生物共同的作用使水样中TN浓度呈下降趋势。

  

图6 水样TN降解动力学回归曲线

 

表2 TN降解动力学参数

  

样品编号1#2#3#4#5#6#k/(d-1)0.0490.0670.0670.0460.0560.053 t 1/2/d 14.110.310.315.112.413.1 r 0.9630.9850.9910.9590.9880.955

3 结论

（1）COD,TN的降解符合一级动力学方程，说明COD,TN的降解速率分别与其浓度成比例关系，对于城市污水处理厂，水质组成比较稳定，NH3-N与TN的比值也基本固定，通过确定COD与NH3-N的最佳初始浓度比值，可以使水体中污染物降解速率提高，减少停留时间。

（2）NH3-N的降解不符合一级动力学方程，这主要是由于NH3-N的降解不仅与NH3-N的浓度有关，还与总有机氮浓度有关。

（3）对于该污水处理厂进水，2#，3#水样COD，NH3-N，TN的浓度降低速率高于其他水样，说明2#，3#水样的污染物初始浓度比例更适宜微生物的生长，2#，3# 水样 ρ（COD）/ρ（NH3-N）约为 6 ～ 6.5 ∶1，即 ρ（COD）/ρ（NH3-N）约为 6～6.5∶1 时，COD,NH3-N,TN的协同降解效率较高。对于该污水处理厂，进水ρ（COD）/ρ（NH3-N）控制在 6 ～ 6.5:1 时，其出水污染物浓度可以较好的控制在排放标准以内，且停留时间可以缩短1～2 h。

[参考文献]

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[2]周丹卉,张 峥,邵 亮.污水处理厂进出水中COD与NH3-N降解趋势分析[J].环境保护与循环经济,2015(11):55-57.

[3]马秀兰,张凤君,田 珍,等.低碳氮比污水中NH3-N降解动力学研究[J].安徽农业科学,2009,37(26):12684-12685.

[4]陈婷婷,黄健盛,廖伟伶,等.负荷及碳氮比对分散式生活污水处理装置性能的影响[J].三峡生态环境监测,2016,1(3):59-64.

[5]宋学宏,邴旭文,孙丽萍,等.阳澄湖养殖水体COD降解动力学研究[J].安徽农业大学学报,2010,37(2):328-332.

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