＊胡紫燕 劉少敏 郭方磊 黃裕濤

（安徽理工大學 地球與環(huán)境學院 安徽 232001）

傳統(tǒng)的生物脫氮過程需要兩個過程——硝化和反硝化過程。硝化過程首先由亞硝酸菌把氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，再由硝酸菌把亞硝酸鹽氮。反硝化過程是通過反硝化菌將產(chǎn)生的硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮，再進一步還原為氮氣。亞硝酸鹽氮是兩個過程的中間產(chǎn)物。然而，事實上無論是硝酸鹽氮還是亞硝酸鹽氮均可作為最終的電子受體。

與傳統(tǒng)的生物脫氮過程相比，短程硝化反硝化具有以下幾個優(yōu)點[1]：(1)亞硝酸型硝化比硝酸型硝化減少約20%左右需氧量。（2）亞硝酸鹽硝化比硝酸鹽硝化可減少34.9%的供氧量。（3）以NO2-為基質的反硝化比以NO3-為基質的反硝化節(jié)省40%左右的碳源。（4）硝化反應容積減少7.8%，反硝化反應容積減少32.9%。（5）可減少24%～33%的產(chǎn)泥量，在污泥處理系統(tǒng)可節(jié)約將近50%的能耗。（6）具有節(jié)能、高效、投資省等優(yōu)點。短程硝化反硝化工藝尤其適用于處理高氨氮廢水、垃圾滲濾液、低碳氮比廢水。實現(xiàn)短程硝化反硝化的關鍵在于抑制亞硝酸鹽氧化菌的增長，導致亞硝酸鹽氮在硝化過程中的積累。根據(jù)目前國內(nèi)外短程硝化反硝化的研究發(fā)現(xiàn)：能抑制亞硝酸鹽氧化菌的增長，從而導致亞硝酸鹽氮在硝化過程中積累的因素有[2-3]，溫度、pH值、游離氨、溶解氧、污泥停留時間、污泥濃度、化學抑制劑、鹽濃度、污泥齡等。

目前大部分對短程硝化反硝化的研究主要集中在高氨氮廢水的處理、高pH廢水的處理、高溫廢水的處理、而且大多數(shù)反應都是基于SBR反應器，很少有關于連續(xù)流實現(xiàn)短程硝化反硝化的研究。而一般的污水處理廠一般都采用連續(xù)流處理生活污水。因此研究常溫下A-O短程硝化反硝化具有重要的實際意義。本試驗基于短程硝化反硝化的實現(xiàn)理論，應用中試試驗裝置，研究了常溫下連續(xù)流短程硝化反硝化的實現(xiàn)及穩(wěn)定運行情況。

1.試驗材料和方法

(1)中試試驗裝置

中試系統(tǒng)建于初沉池旁，池體由鋼板焊制而成，A-O反應器的有效容積為5L，反應共有三個格室，分別為缺氧池、好氧池和二沉池，二沉池采用豎流式，各格室均用連通管相連。試驗進水全部進入缺氧段，污泥回流由二沉池回流到缺氧段，混合液回流由好氧段回流到缺氧段，試驗進水、污泥回流和混合液回流均采用蠕動泵控制，反應在常溫下進行，溫度范圍在11～30℃，污泥濃度為2000～3000mg/L，污泥回流為滿負荷運行，混合液回流比為1.5。反應器的好氧段采用鼓風機曝氣，由轉子流量計調節(jié)曝氣量，從而控制好氧段中DO，缺氧段裝有攪拌機，以提供充分的泥水混合，試驗裝置如圖1。

圖1 A-O工藝試驗裝置

(2)試驗用水

試驗用水來自淮南市八公山污水處理廠初沉池的水，由于一般生活污水的氨氮濃度都比較低，pH值一般在7左右，本試驗在初沉池旁邊建一配水箱，通過向其中加一定量的氯化銨和碳酸氫鈉，使得試驗進水的氨氮濃度在300mg/L左右，pH在8～8.5左右。試驗用水水質如表1所示，平均進水COD濃度為260mg/L，氨氮濃度為300mg/L。

表1 試驗進水水質

(3)分析項目及分析方法[4]

氨氮采用納氏試劑分光光度法；硝酸鹽采用紫外分光光度法測定；亞硝酸鹽采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD采用重鉻酸鉀法；MLSS采用重量法；pH使用pH計，DO使用溶氧儀。

2.試驗結果與分析

(1)短程硝化反硝化的實現(xiàn)

①短程硝化反硝化實現(xiàn)的控制手段

本試驗主要分為兩個階段，第一階段是亞硝酸鹽的積累階段，第二階段是通過外加甲醇進行反硝化階段?；趪鴥?nèi)外目前的研究現(xiàn)狀，控制硝酸菌生長從而使系統(tǒng)中亞硝酸鹽得到積累的因素很多，如溫度、pH值、氨濃度、氮負荷、DO、有害物質及污泥齡等[4-6]。本試驗主要從溶氧和pH兩個方面達到穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累，從而實現(xiàn)短程硝化反硝化。大量研究表明，亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)為0.3～0.5mg/L，硝酸菌的氧飽和常數(shù)為0.7～1.8mg/L[7]，所以亞硝酸菌對氧的親和能力大于硝酸菌。另外大部分的研究還表明，硝酸菌和亞硝酸菌生長的最適宜pH范圍不同，硝酸菌生長的最適宜pH范圍為6.0～7.5，亞硝酸菌生長的pH范圍為7.0～8.5[8]。綜合上面兩點，本試驗開啟階段控制溶氧在0.5mg/L以下，pH范圍在8以上。經(jīng)過7、8兩個月的運行，系統(tǒng)實現(xiàn)了亞硝酸鹽氮的積累，短程硝化反硝化成功啟動。圖2為8月份運行22天氨氮的變化情況及亞硝氮和硝酸鹽氮的變化情況，圖3為亞硝酸鹽氮的積累率。

圖2 八月份含氮化合物濃度的變化

從圖2可知，經(jīng)過7月份的污泥馴化及培養(yǎng)，8月份有明顯的亞硝鹽氮累積過程。8月份的前8天，出水中硝氮高于亞硝氮，之后，由于系統(tǒng)中污泥經(jīng)過之前1個多月的培養(yǎng)，馴化，并且嚴格控制系統(tǒng)中溶解氧在0.5mg/L以下，pH在8.5左右，系統(tǒng)中，硝酸菌基本被淘汰，亞硝酸菌占主導地位，從而使亞硝氮逐漸積累，硝氮逐漸變少，實現(xiàn)了明顯的亞硝酸鹽積累，即短程硝化反硝化得以實現(xiàn)。運行到22的時候，出水中亞硝酸鹽達到164.22mg/L，氨氮為6.49mg/L，氨氮的去除率達到80%。從圖3可知，亞硝酸鹽氮的積累率達到85%左右。由于本實驗的進水是來自八公山污水處理廠初沉池的水并加一定的氯化銨，使氨氮濃度很高的情況下進行，從圖2中也知，進水的氨氮濃度不是很穩(wěn)定，導致了出水中硝氮、亞硝氮及氨氮的變化情況也不是特別穩(wěn)定。反應運行的前10天，即使系統(tǒng)的D0控制在0.5mg/L以下，也無法實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累。因為較低的溶氧抑制了硝酸菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的速率，與此同時，好氧段較高的水力停留時間為亞硝氮氧化為硝氮提供了足夠的時間，從而無法實現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累。在反應的第10天通過調節(jié)內(nèi)回流比，來降低好氧段的水力停留時間，氨氮的去除率得到很大的提高，同時出水的亞硝酸鹽氮逐漸上升。運行14～17天的時候，由于系統(tǒng)的混合液回流泵損壞，所以氨氮的去除率有所升高，之后恢復正常。

圖3 八月份亞硝鹽氮的積累率

②反硝化階段

F經(jīng)過兩個月的亞硝酸鹽累積，系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮特別高，從而使總氮的去除很少。由于進水的C/N比特別低，遠遠不能滿足反硝化過程所需的碳源。所以本試驗在實現(xiàn)了亞硝酸鹽的累積并穩(wěn)定運行后，通過外加甲醇進行反硝化作用。試驗從10月8號開始外加甲醇，系統(tǒng)運行了25天，試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 反硝化階段含氮化合物濃度隨時間的變化規(guī)律

運行結果如圖4所示，運行的前3天，由于系統(tǒng)長期處在硝化菌占優(yōu)勢，很少有亞硝化菌的狀態(tài)，所以剛開始加入甲醇，并不能看到明顯的亞硝酸鹽氮下降過程。于是，從第4天開始接MBR反應池中好氧段的污泥放入到缺氧段中，經(jīng)過幾天的培養(yǎng)馴化，反應器中反硝化菌開始繁殖，所以，從第4天到12天能夠看到明顯的亞硝酸鹽氮下降的過程，運行25天后，系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮幾乎為零，硝酸鹽氮也幾乎為零，在前12天內(nèi)，溫度在15～20℃，氨氮的去除情況沒有圖2效果明顯，只達到60%，之后，由于溫度在15℃以下，氨氮去除率不到50%。

從圖5可知，反應的剛開始階段，由于系統(tǒng)中長期硝化菌占優(yōu)勢，很少有亞硝化菌，開始加甲醇后，亞硝酸鹽氮并沒有立馬下降，所以總氮的去除率很低。隨著反應的進行，由于外加MBR反應池中好氧段的污泥，經(jīng)過幾天的培養(yǎng)，亞硝酸鹽氮逐漸減少，從而總氮的去除率逐漸升高，到12天時達到最大，最大可達76%，但是，隨后由于溫度的降低，只有15℃以下，氨氮的去除效果變差，導致總氮的去除效果整體呈降低趨勢。

圖5 反硝化階段總氮的去除率隨時間的變化情況

(2)短程硝化反硝化的影響因素分析

影響全程硝化系統(tǒng)轉變?yōu)榉€(wěn)定的短程硝化系統(tǒng)的因素較多[9]，但一些影響因素并沒有對本實驗起直接的促進作用。本試驗中成功啟動短程硝化的因素主要有溫度，溶解氧，污泥濃度等。

①溫度

SHARON工藝是第一個成功實現(xiàn)短程硝化和反硝化技術并成功應用的工藝[10],它認為短程硝化反硝化工藝是在35℃的條件下運行[11]。從比增長速率的角度考慮，只有在溫度高于25℃時，氨氧化菌在與亞硝酸鹽氧化菌的競爭中才能勝出[12]。國內(nèi)學者王淑瑩等[13-14]通過控制水溫（在30～32℃之間）成功實現(xiàn)了SCND工藝，較系統(tǒng)地分析了溫度變化對SCND的影響。結果表明，水溫保持在30℃時水中氨氮的轉化類型為短程硝化過程；當水溫在20.5～24.5℃時，硝化類型由短程硝化轉化為全程硝化；隨著溫度再次升高，硝化類型又逐漸轉變?yōu)槎坛滔趸?；當溫度達到29～30℃時，硝化反應為穩(wěn)定的亞硝酸型硝化。本試驗期間溫度在25～30℃左右，實現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積。從圖4，圖5可知溫度對氨氮的去除過程有比較大的影響，竟而影響總氮的去除率，所以要想使試驗取得比較好的效果，溫度必須控制溫度在25℃以上。

②溶解氧

Laanbroek等[15]的研究表明，由于亞硝化細菌對DO的親和力和耗氧速率均較硝化細菌強，因此在低DO濃度條件下，系統(tǒng)中硝酸菌被淘汰，亞硝酸鹽將發(fā)生大量積累。試驗開始階段，系統(tǒng)中的D0控制在0.5mg/L以下，并且pH在8.0左右，亞硝酸鹽發(fā)生了大量累積，但是在10月份，由于溫度的降低，試驗調節(jié)溶解氧在1.0～2.0mg/L，系統(tǒng)并沒沒有向全程硝化反硝化轉化，這說明在實現(xiàn)了亞硝酸鹽的累積并穩(wěn)定運行一段時間后，只要維持較高的pH和氨氮濃度的情況下，可以適當通過提高溶解氧來提高氨氮的去除率。

3.結論

（1）在試驗開始階段，通過嚴格控制溶解氧和pH，實現(xiàn)了亞硝酸鹽氮的累積，亞硝酸鹽氮的積累率可達到85%。

（2）在實現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮累積后，可以通過外加甲醇，使總氮去除。

（3）要想獲得穩(wěn)定的亞硝酸積累和較高的氨氮去除率，必須嚴格控制反應的溫度。但是，一般生活的溫度都很低，升高溫度勢必會增加成本，因此如何低溫下短程硝化反硝化有待以后的進一步研究。

（4）在實現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積后，在維持系統(tǒng)較高的pH和氨氮濃度的情況下，可以適當通過提高溶解氧，來提高總氮的去除率。