張 杰，勞會妹，李 冬，魏子清

(1.水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點實驗室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

傳統(tǒng)生物脫氮工藝是通過氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后再在反硝化菌的作用下將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣.與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，亞硝化厭氧氨氧化工藝具有節(jié)約曝氣、節(jié)省外加碳源、減少污泥產(chǎn)量等優(yōu)點[1-4]，作為該工藝的前端工藝，亞硝化的穩(wěn)定運行十分重要[5].

實現(xiàn)亞硝化的關(guān)鍵在于AOB的富集以及NOB的抑制和淘洗[6].目前，已建立了一些可行的控制手段和策略，主要包括對DO、溫度、SRT、FA(游離氨)、運行方式及曝氣時間控制等[7-8].有研究表明[9-10]，由于氧飽和常數(shù)差異，AOB對氧的親和力更強，故常采用低DO進(jìn)行NOB的淘洗[11-12].然而，長期低DO不利于亞硝化工藝的穩(wěn)定運行和易發(fā)生絲狀菌膨脹[13].有研究報道指出[14-15]，在高DO(1.5 mg/L左右)配合瞬態(tài)缺氧條件下，也可以實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累[16-17].間歇曝氣被認(rèn)為是實現(xiàn)亞硝化工藝穩(wěn)定的一種有效策略，從缺氧到好氧AOB 較NOB 能較快地恢復(fù)活性[18-19].目前，亞硝化工藝多采用間歇曝氣方式運行，曝氣強度是調(diào)控DO的重要參數(shù)，因此，需明晰間歇曝氣中不同曝氣強度下亞硝化工藝的穩(wěn)定運行.

基于此，本實驗接種具有良好亞硝化性能的活性污泥于SBR反應(yīng)器中，控制曝氣強度，通過比較反應(yīng)器各階段中的亞硝化性能、氨氧化率、亞硝態(tài)氮積累率等參數(shù)，結(jié)合響應(yīng)面分析研究了間歇曝氣下曝氣強度對亞硝化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步豐富間歇曝氣運行方式的基礎(chǔ)理論知識，為實際運行提供理論支持.

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗采用由有機玻璃制成的SBR反應(yīng)器，高60 cm，內(nèi)徑16 cm，有效容積8.04 L，換水比為3/4，底部設(shè)有曝氣裝置，采用鼓風(fēng)曝氣，轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣強度.SBR反應(yīng)器在(25～28 ℃)下運行培養(yǎng)，實驗裝置示意如圖1所示.

圖1 SBR反應(yīng)器裝置示意

1.2 接種污泥與實驗用水

1.3 運行方式

采用SBR反應(yīng)器，每天運行2個周期，包括10 min進(jìn)水，根據(jù)不同的曝氣時長(290,220,220,180 min)調(diào)整各階段攪拌及閑置時間，7 min沉降，10 min排水，每周期12 h，其中曝氣強度為反應(yīng)器內(nèi)單位水量單位時間下的曝氣量，總曝氣強度為反應(yīng)器單個周期內(nèi)曝氣強度、曝氣時長和反應(yīng)器體積之積.SBR反應(yīng)器運行參數(shù)見表1.

表1 不同階段反應(yīng)器運行參數(shù)

1.4 分析方法

(1)

(2)

1.5 批次實驗

為比較不同曝氣強度下活性污泥中AOB對氨氮的利用速率及4種運行模式下活性污泥中NOB的被抑制程度，參照李冬等[21]氨利用速率和硝酸鹽氮生成速率的測定方法進(jìn)行批次試驗.

氨利用速率(RAU)：配制氨氮溶液，以硫酸銨作為氮源(氨氮質(zhì)量濃度80 mg/L)，碳酸氫鈉為堿度，堿度與氨氮質(zhì)量比為10∶1.將污泥清洗后與混合液混合，連續(xù)曝氣2 h，溫度25 ℃，每隔20 min 取樣測定氨氮質(zhì)量濃度.根據(jù)氨氮質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線，利用斜率r和混合液MLVSS值，通過公式RAU=r/ρMLVSS求得單位VSS氨利用速率(mg/(g·h)).為減小誤差，進(jìn)行3組平行試驗[21].

1.6 響應(yīng)面分析

在間歇曝氣SBR亞硝化工藝中，曝氣強度和曝氣時長會對氨氮去除率有影響，因而作為考察對象.實驗中控制溫度為25 ℃，使用Design-Expert軟件Central Composite 響應(yīng)面設(shè)計的正交實驗表進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果見表2.

在間歇曝氣SBR亞硝化工藝中，曝氣強度和曝氣時長會對亞硝酸鹽積累率有影響，因而作為考察對象.實驗中控制溫度為25 ℃，使用Design-Expert軟件Central Composite 響應(yīng)面設(shè)計的正交實驗表進(jìn)行實驗，結(jié)果見表3.

表2 響應(yīng)面Central Composite設(shè)計及結(jié)果

表3 響應(yīng)面Central Composite設(shè)計及結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 不同曝氣強度下亞硝化性能的變化

間歇曝氣SBR系統(tǒng)的亞硝化性能變化如圖2所示.可以看出，運行第1天，由于交替缺氧、好氧環(huán)境形成的間歇曝氣抑制了AOB及NOB的活性，初始出水的氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮分別為25，27和4 mg/L，氨氮去除率僅為57.6%.由于NOB受到的影響更大，故亞硝酸鹽積累率較高為87%.隨著實驗的進(jìn)行，AOB逐漸適應(yīng)缺氧、好氧交替的環(huán)境，從第6天，氨氮的去除率逐漸上升到80%并且隨后保持穩(wěn)定.

圖2 運行期間氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨氧化率及亞硝化率變化

第Ⅰ階段(第1～40天)，調(diào)整曝氣強度為1.2 L/(h·L)，反應(yīng)器內(nèi)DO為0.2～0.5 mg/L.運行階段，由于低曝氣強度導(dǎo)致的低DO和間歇曝氣的控制可以很好地抑制NOB的活性，維持了良好的亞硝化性能.在運行期間，出水氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮分別為12，40和3 mg/L，亞硝酸鹽積累率穩(wěn)定保持在93%以上，氨氮不能完全去除，氨氮去除率維持在80%.分析原因，眾多研究表明，AOB和NOB對從“缺氧環(huán)境”到好氧環(huán)境時的反應(yīng)動力學(xué)不同[22-24]，AOB能較快恢復(fù)活性，且低曝氣強度下的低DO也對AOB與NOB的生長做出了選擇.在低DO時，AOB和NOB的增殖速率均會下降，AOB的增殖速率可以達(dá)到NOB增殖速率的2.6倍[25]，因此，在低曝氣強度時，NOB生長將受到抑制，AOB將逐漸成為優(yōu)勢菌種從而實現(xiàn)良好的亞硝化性能.但由于低曝氣強度引起的代謝活性降低,使得氨氧化過程受到顯著影響，在有效抑制了NOB的同時也在一定程度上削弱了氨氮的高效轉(zhuǎn)化.

第Ⅱ階段(第41～70天)，增大曝氣強度為1.58 L/(h·L)，反應(yīng)器中的DO為0.7～1.0 mg/L.運行第1天，系統(tǒng)達(dá)到了很好的效果，出水的亞硝態(tài)氮積累為87.23%，氨氮去除為92.98%，說明即使較高曝氣強度的條件下，交替缺氧好氧的間歇曝氣環(huán)境也很好地抑制了NOB的活性.但隨著反應(yīng)器的運行，亞硝化性能逐漸惡化，亞硝酸鹽積累率隨運行天數(shù)增加逐漸降低.運行第60天僅為50.94%.分析原因，低DO有利于NOB菌中的Nitrospira的富集[26]，而高DO有利于Nitrobacter的生長繁殖，在第Ⅰ階段長期低DO條件運行下，污泥當(dāng)中的主要NOB菌可能為Nitrospira，提高曝氣強度后DO為0.7～1.0 mg/L，階段初期，較高的DO抑制了NOB的活性，并且為AOB提供了充足的DO，故達(dá)到了很好的亞硝化及氨氮去除效果.隨著反應(yīng)器的運行，氨氮去除率保持穩(wěn)定，但RNA逐漸下降，階段末出水的氨氮、亞硝態(tài)氮以及硝態(tài)氮分別為1，24及26 mg/L，亞硝酸鹽積累率僅為48%.分析原因，運行中后期，較高曝氣強度使AOB的活性大大增強，氨氮大部分去除，但周期末充足且較高的DO對NOB產(chǎn)生的抑制較小，NOB的增殖速率變快，亞硝化系統(tǒng)遭到了破壞.

第Ⅲ階段(第71～100天)，采用低曝氣強度恢復(fù)亞硝化性能，調(diào)整曝氣強度1.2 L/(h·L).階段第1天，出水的氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮分別為17，25和16 mg/L.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在第82天，氨氮的去除率上升到71.66%并且隨后保持穩(wěn)定.硝態(tài)氮生成量很小，并在之后的運行天數(shù)內(nèi)維持在4 mg/L以下.故間歇曝氣和曝氣強度限制策略可用于亞硝化性能的恢復(fù)，并在運行期間內(nèi)為AOB提供競爭優(yōu)勢.但由于AOB會受到間歇曝氣和低曝氣強度的長期影響，活性被抑制，低曝氣強度不足以維持系統(tǒng)長期穩(wěn)定性.

第Ⅳ階段(第101～140天)，繼續(xù)提高曝氣強度1.93 L/(h·L)，縮短第Ⅳ階段曝氣時長，溶解氧質(zhì)量濃度為1.2～1.5 mg/L.階段運行初期，出水的氨氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮分別為9，41和5 mg/L，亞硝化性能良好，隨著反應(yīng)器的運行，出水氨氮在5～8 mg/L，氨氮去除率良好.在第140天，出水氨氮、亞硝態(tài)氮分別為6，44 mg/L，氨氮去除率為90%，亞硝酸鹽積累率為91.6%.有研究表明，由于不能確保足夠的AOB豐度和活性，低DO和低氨條件并不適合亞硝酸鹽積累[27-28]，相對高的DO及保持出水殘余氨氮將有利于實現(xiàn)亞硝化[29-30].分析原因，在階段運行期間，缺氧環(huán)境及短曝氣時間下出水氨氮在5 mg/L以上，導(dǎo)致NOB不能及時利用基質(zhì)而受到了抑制，并且提供給AOB充足的DO，使得AOB的活性較高，故達(dá)到了很好的亞硝化性能及氨氮去除.

2.2 不同曝氣強度下亞硝化污泥特性

在不同階段的穩(wěn)定運行期間測定亞硝化污泥的氨利用速率，不同階段的RAU如圖3所示.在階段Ⅰ～V，單位VSS氨利用速率分別為10.506,16.439,11.473,17.021 mg/(g·h).根據(jù)圖3可知，Ⅱ、Ⅳ階段的氨利用速率數(shù)值接近，故在運行周期內(nèi)，短曝氣時間下出水氨氮也略高，并且階段Ⅱ、Ⅳ的氨利用速率均大于Ⅰ、Ⅲ階段.分析原因，由于在高曝氣強度環(huán)境下，AOB的活性也較高，隨著AOB菌群活性相對增加，相應(yīng)地對于氨氮的利用能力也得到了提升，故階段Ⅰ、Ⅲ氨利用率較低，而階段Ⅱ、Ⅳ的氨利用速率相對較高.

圖3 運行期間氨利用速率、硝酸鹽氮生成速率的變化

運行中，為了比較不同曝氣強度階段下系統(tǒng)中NOB相對活性，通過批次實驗研究了不同階段的RNP[21].如圖3所示，階段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的硝酸鹽生成速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在前40 min，階段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ單位VSSRNP均小于0.08 mg /(g·min)，這體現(xiàn)了此3個階段對于NOB的抑制作用較為成功.比較圖3中各階段發(fā)現(xiàn)，階段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ分別在第80分鐘有較大上升，說明在連續(xù)曝氣情況下，NOB的活性被激活，開始氧化亞硝態(tài)氮生成硝態(tài)氮.在第100分鐘時，階段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ批次實驗的RNP達(dá)到最大值，為0.23，0.21和0.29 mg/(g·h)，并且Ⅰ、Ⅲ階段的RNP均小于Ⅳ階段，說明低曝氣強度更能抑制NOB的活性.

根據(jù)微生物生長動力學(xué)分析，NOB被充分激活后，活性污泥中NOB的相對活性是硝酸鹽生成速率增加的唯一限制因素.由于大量的亞硝態(tài)氮被氧化，NOB底物質(zhì)量濃度降低，活性受到抑制，硝酸鹽生成速率下降.階段Ⅱ的RNP為0.43 mg/(g·min)，說明在階段Ⅱ中NOB的活性相對較高，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于階段Ⅱ的RNP最大值，說明兩種運行方式可以在一定程度上降低亞硝化系統(tǒng)中NOB的相對活性.

2.3 曝氣強度、曝氣時長對氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率的影響

以氨氮去除率為響應(yīng)值，回歸方程為Y1=0.92+0.30×A+0.19×B+0.36×A×B，R2=0.863 9，方差分析見表4.

模型的F值為19.05，P值小于0.05，該模型顯著，其中曝氣強度及曝氣時長對該響應(yīng)影響顯著.

以亞硝酸鹽積累率為響應(yīng)值，回歸方程為Y2=0.79-0.3×A-0.26×B-0.26×A×B，R2=0.774 7，方差分析見表5.

表4 氨氮去除率方差分析

表5 亞硝酸鹽積累率方差分析

模型的F值為10.31，P值小于0.05，該模型顯著，其中曝氣強度及曝氣時長對該響應(yīng)影響顯著.

本實驗主要分析了曝氣強度、曝氣時長對間歇曝氣SBR亞硝化系統(tǒng)中氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率的影響.由表4，5可知，曝氣強度及曝氣時長對氨氮去除及亞硝酸鹽的積累均有顯著影響.分析圖4可知，隨著曝氣強度的降低，亞硝酸鹽積累率逐漸升高且受曝氣時間的影響減小，氨氮去除率隨著曝氣時長的增大逐漸升高.原因是低曝氣強度使NOB 生長受到抑制，而AOB逐漸成為優(yōu)勢菌種，從而實現(xiàn)良好的亞硝化性能.但過低的曝氣強度，AOB的活性也受到了嚴(yán)重影響，即使延長曝氣時間也無法彌補AOB活性的降低，氨氮去除率無法提高.在較高曝氣強度下，隨著曝氣時長的增加，氨氮去除率逐漸上升，亞硝酸鹽積累率逐漸下降.分析原因，較高的曝氣強度下AOB的活性得到了較大增強，短曝氣時長下，NOB因不能及時利用基質(zhì)導(dǎo)致亞硝酸鹽積累率升高.而增加曝氣時長，NOB因DO和基質(zhì)充足活性得到增強，導(dǎo)致亞硝酸鹽積累率下降.進(jìn)一步提高曝氣強度，AOB的活性不能相應(yīng)增強，氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率只受曝氣時長的影響.因而在總曝氣強度相同下，可采取較高的曝氣強度配合短曝氣時長來實現(xiàn)較高的氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率.

圖4 氨氮去除率和亞硝酸鹽積累率的等高線圖及響應(yīng)面

2.4 典型周期內(nèi)污染物質(zhì)量濃度變化

圖5，6分別為階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ在不同時期一個典型周期內(nèi)氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH及DO的變化.可以看出，階段反應(yīng)周期缺氧段DO接近于零，而好氧段DO分別在0.2～0.5，0.7～1.0，1.2～1.5 mg/L變化，pH呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，推測原因是進(jìn)水少量的COD及反應(yīng)初期的厭氧時間為反硝化菌提供條件導(dǎo)致了pH的上升，開始曝氣時，pH開始下降.階段Ⅰ進(jìn)水氨氮為61.64 mg/L，由于溶解氧的限制，氨氮下降緩慢，出水氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮分別為12.11，40.73及3.56 mg/L，亞硝化性能良好，但氨氮去除率不高.階段Ⅱ提高了曝氣強度，進(jìn)水氨氮為58.94 mg/L，出水氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮分別為1.10，24.79及29.16 mg/L.

圖5 不同階段的典型周期內(nèi)DO、pH的變化

由圖6(b)所示，氨氮在前420 min內(nèi)基本降解完成，DO呈現(xiàn)了跳躍式的升高，亞硝化性能呈現(xiàn)惡化的趨勢.原因可能是后續(xù)的曝氣以及生成的亞硝態(tài)氮為NOB提供了充足的基質(zhì)，隨著運行天數(shù)的增加，NOB的相對數(shù)量提高，亞硝化系統(tǒng)破壞.第Ⅳ階段，提高曝氣強度的同時改變運行模式，縮短曝氣時間，階段Ⅳ進(jìn)水氨氮為61.77 mg/L， 出水氨氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮為6.28，48.13和3.57 mg/L.與階段Ⅰ、Ⅱ不同的是，階段Ⅳ的氨氮去除率在86.58%，并且亞硝態(tài)氮積累率可達(dá)90%.原因可能是高曝氣強度下AOB的活性較高，而間歇曝氣以及短曝氣時長導(dǎo)致NOB不能及時利用基質(zhì)而受到抑制，即使提高曝氣強度，NOB受到抑制得不到富集，故實現(xiàn)了良好的亞硝化性能及氨氮去除效果.

圖6 不同階段的典型周期內(nèi)氨氮、亞氮、硝氮的變化

3 結(jié) 論

1)在間歇曝氣SBR反應(yīng)器中，曝氣強度為1.2 L/(h·L)，亞硝酸鹽積累率可達(dá)93%，但較低的溶解氧抑制了AOB的活性，氨氮去除率僅能達(dá)到80%.控制曝氣強度為1.58 L/(h·L)，亞硝化性能逐漸惡化，周期末亞硝酸鹽積累率僅能達(dá)到48%.控制曝氣強度為1.93 L/(h·L)，實現(xiàn)了較高氨氧化率和亞硝酸鹽積累率，分別為90%和91.6%.

2)等高線圖及響應(yīng)面分析可知，曝氣強度及曝氣時長對氨氮去除及亞硝酸鹽的積累均有顯著影響.隨著曝氣強度的降低，亞硝酸鹽積累率逐漸升高且受曝氣時間的影響減小.較高曝氣強度下，隨著曝氣時長的增加，氨氮去除率逐漸上升，亞硝酸鹽積累率逐漸下降.

3)過低的曝氣強度下AOB的活性受到嚴(yán)重影響，延長曝氣時間無法彌補AOB活性的降低，氨氮去除率無法提高.較高的曝氣強度下AOB的活性較強，進(jìn)一步提高曝氣強度，AOB的活性不能相應(yīng)增強，氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率只受曝氣時長的影響.因而在總曝氣強度相同下，可采取較高的曝氣強度配合短曝氣時長來實現(xiàn)較高的氨氮去除率及亞硝酸鹽積累率.