短程硝化反硝化快速啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行研究

周 露，郎 建，李 橋

（1.重慶大學(xué)a.建筑城規(guī)學(xué)院；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都610072）

短程硝化反硝化反應(yīng)，無論是在經(jīng)濟(jì)上，還是在技術(shù)上都具有較高的可行性，尤其是在高氨氮濃度和低碳氮比的污水處理技術(shù)上［6－7］。成功實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化技術(shù)并被實(shí)際應(yīng)用的第1個(gè)工藝是SHARON（Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite process），但是，高溫、高氨氮濃度等運(yùn)行條件限制了其發(fā)展和應(yīng)用。目前，快速發(fā)展的水處理技術(shù)，使研究人員找到了多種實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化反應(yīng)的方法［8－16］，如：DO、抑制劑、運(yùn)行方式、污泥齡、pH值、溫度、基質(zhì)濃度以及負(fù)荷等。根據(jù)氧半飽和常數(shù)、污泥齡、活化能和抗毒性物質(zhì)的能力不同，篩洗淘汰硝化菌（NOB），累積亞硝化菌（AOB）。盡管如此，還是存在如何快速實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化、實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化后如何穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)性難題。

為了研究短程硝化反硝化的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的影響因素，采用了低DO條件下實(shí)時(shí)控制的技術(shù)手段，為實(shí)際工程中短程硝化反硝化的快速啟動(dòng)以及保持穩(wěn)定運(yùn)行提供了借鑒。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用水來源和水質(zhì)

試驗(yàn)原水取自重慶大學(xué)家屬區(qū)的生活污水，活性污泥取自唐家沱污水處理廠并進(jìn)行接種。生活污水的水質(zhì)情況見表1。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)采用上部圓柱形，下部為圓錐形的SBR反應(yīng)器，SBR反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成。SBR反應(yīng)器高為700mm，直徑為200mm，總的有效容積為12L，每個(gè)周期末排水體積為2.5～3L，充水比為0.2～0.25。在SBR反應(yīng)器壁側(cè)壁上設(shè)置一排間隔10cm用于取樣和排水的取樣口。在反應(yīng)器的底部設(shè)有用于放空和排泥的放空管。在反應(yīng)器內(nèi)部下方設(shè)曝氣頭，曝氣量由反應(yīng)器外部的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)。pH、DO、ORP（氧化還原電位）探頭置于反應(yīng)器內(nèi)支架上，在線監(jiān)測(cè)pH、DO、ORP指標(biāo)的變化。整個(gè)試驗(yàn)期間溫度穩(wěn)定維持在30℃±1℃。試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)采用好氧／缺氧（O／A）的運(yùn)行方式，試驗(yàn)共運(yùn)行90d，每天運(yùn)行3個(gè)周期，每周期為8h，分別為瞬時(shí)進(jìn)水、好氧曝氣2h、缺氧攪拌0.5h（缺氧初期外加乙酸鈉作為碳源）、沉淀2h、其余時(shí)間為排水和待機(jī)。好氧末期排放一定體積的混合液，控制系統(tǒng)的污泥齡在10～15d，MLSS控制在2 800～3 200mg／L。

1.3 檢測(cè)分析項(xiàng)目

具體分析檢測(cè)項(xiàng)目和方法，見表2。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 短程硝化反硝化的啟動(dòng)

2.1.1 短程硝化反硝化啟動(dòng)控制手段 通過對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的控制，使得反應(yīng)器內(nèi)DO的平均值控制在0.5～0.7mg／L，充分利用低DO條件下亞硝化細(xì)菌（AOB）的生長(zhǎng)速度大于硝化細(xì)菌（NOB）的特點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)AOB富集。同時(shí)保持反應(yīng)器水溫穩(wěn)定在30℃±1℃，通過低DO與溫度的協(xié)同作用，快速地啟動(dòng)短程硝化反硝化。

在氨氧化結(jié)束時(shí)，pH曲線上出現(xiàn)“氨氮突躍點(diǎn)”；而在氨氮氧化接近結(jié)束的時(shí)侯，pH值會(huì)出現(xiàn)低谷—“氨谷”，即由下降曲線變?yōu)樯仙€。因此，可以利用在反應(yīng)器曝氣過程中pH曲線上的氨谷轉(zhuǎn)折點(diǎn)和DO曲線上的突躍點(diǎn)來控制反應(yīng)器的曝氣過程，反應(yīng)過程中SBR典型周期上的控制節(jié)點(diǎn)如圖2和圖3所示。

圖2 短程硝化SBR典型周期的DO變化曲線

圖3 短程硝化SBR典型周期的pH變化曲線

在低DO條件下（0.5～0.7mg／L），AOB菌增速殖速率加快，通過這種增殖作用補(bǔ)償由低DO造成的代謝能力下降，使得AOB的氧化能力受到影響很小。同時(shí)NOB的增殖速率沒有變化，通過DO的控制，可導(dǎo)致NO2－－N的大量積累。

在SBR反應(yīng)器的反應(yīng)過程中，pH曲線上“由下降變上升”拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，表明氨氮氧化過程剛剛結(jié)束。在此拐點(diǎn)馬上停止曝氣，可防止曝氣過度DO升高導(dǎo)致NO2－－N進(jìn)一步氧化為NO3－－N。以pH值作為控制參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，是快速啟動(dòng)和穩(wěn)定維持短程硝化反硝化的必要條件。因此通過實(shí)時(shí)控制的手段，可增強(qiáng)AOB在活性污泥菌群中的優(yōu)勢(shì)，削弱NOB的的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而將NOB從SBR反應(yīng)器中逐漸淘汰，以盡可能短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的快速啟動(dòng)。

2.1.2 短程硝化反硝化啟動(dòng)效果 將SBR反應(yīng)器的溫度維持在30℃±1℃，MLSS濃度維持為3 000mg／L左右，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量在30L／h，對(duì)已經(jīng)具有良好硝化效果的成熟污泥進(jìn)行馴化，考察短程硝化反硝化啟動(dòng)效果。具體效果見圖4。

從圖4中可看出，SBR運(yùn)行了25d左右，亞硝化積累率達(dá)到50%，從而進(jìn)入短程硝化。繼續(xù)采用2.1.1的控制方法，亞硝化積累率一直保持上升趨勢(shì)。在43d的培養(yǎng)后，亞硝化率上升到85%并一直保持穩(wěn)定。此時(shí)SBR短程硝化已經(jīng)成功啟動(dòng)并且達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，SBR系統(tǒng)曝氣結(jié)束后出水中硝酸鹽含量低于1.5mg／L。

圖4 短程硝化進(jìn)出水氨氮和亞硝酸鹽積累情況

2.2 短程硝化反硝化的穩(wěn)定運(yùn)行

生物系統(tǒng)硝化過程中，AOB的反應(yīng)速度是整個(gè)反應(yīng)的限制步驟。短程硝化反硝化的控制方法，可以利用AOB和NOB這2類微生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)AOB和NOB的優(yōu)先選擇。通常當(dāng)NH4＋－N氧化為 NO2－－N時(shí)，由 NO2－－N氧化為NO3－－N的速度很快。采取控制溫度、pH值、投加抑制劑等控制方法，即使實(shí)現(xiàn)了NO2－－N的啟動(dòng)，短程硝化穩(wěn)定維持也比較困難。此時(shí)控制系統(tǒng)DO濃度是十分重要的。

2.2.1 短時(shí)過度曝氣對(duì)短程硝化的影響 當(dāng)短程硝化反硝化啟動(dòng)成功后，為考察曝氣量對(duì)短程硝化反硝化穩(wěn)定性的影響，將本文圖2和圖3中的控制點(diǎn)延后1h，考察曝氣時(shí)間對(duì)短程硝化反硝化穩(wěn)定性影響效果，如圖5所示。

圖5 過度曝氣對(duì)短程硝化影響

從圖5中可看出，在短時(shí)過度曝氣的過程中，隨著曝氣時(shí)間的增加NO2－－N的積累率呈下降趨勢(shì)，影響了短程硝化反硝化的穩(wěn)定性。SBR系統(tǒng)中活性污泥中仍然存在一定量的NOB，在過度曝氣的過程中，NOB有適宜的反應(yīng)條件和充足的底物，經(jīng)過5～7d后NOB活性可以完全恢復(fù)。因此，活性污泥中AOB和NOB的菌群數(shù)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，隨著外界條件的變化，AOB和NOB的菌群數(shù)量不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致短程硝化和全程硝化過程的相互轉(zhuǎn)換的。

2.2.2 恢復(fù)實(shí)時(shí)控制策略后對(duì)短程硝化的影響實(shí)驗(yàn)中重新應(yīng)用實(shí)時(shí)控制在上述過度曝氣的反應(yīng)系統(tǒng)中。一段時(shí)間后，將pH的“氨谷點(diǎn)”和DO的“突躍點(diǎn)”準(zhǔn)確控制，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)全程硝化過程又轉(zhuǎn)化為短程硝化過程，如圖6所示。

圖6 恢復(fù)實(shí)時(shí)控制對(duì)短程硝化影響

從圖6中可以看出，在實(shí)時(shí)控制過程中，避免過度曝氣，控制適宜的DO濃度和適度的曝氣時(shí)間，在第5d后SBR系統(tǒng)中NO2－－N累積率逐步穩(wěn)定升高，到第11d后SBR系統(tǒng)完全恢復(fù)短程硝化。

采用實(shí)時(shí)控制策略，在氨氮?jiǎng)倓傃趸瓿蓵r(shí)停止曝氣，此時(shí)SBR系統(tǒng)中NO2－－N累積率高，可保證氨氮完全氧化，同時(shí)防止NO2－－N繼續(xù)氧化，這是短程硝化反硝化工藝可以穩(wěn)定維持的重要條件。合理控制曝氣時(shí)間、保持適宜的DO濃度對(duì)于短程硝化反硝化生物脫氮工藝起到至關(guān)重要的作用，短時(shí)過度曝氣會(huì)導(dǎo)致NOB活性提高，SBR工藝系統(tǒng)由短程硝化轉(zhuǎn)向全程硝化。

因此，控制準(zhǔn)確的曝氣時(shí)間、實(shí)時(shí)控制DO的突躍點(diǎn)和pH的“氨谷點(diǎn)”，可使得SBR工藝系統(tǒng)恢復(fù)短程硝化反硝化，并可保持穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)時(shí)控制策略是實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮工藝穩(wěn)定性的重要手段。

3 結(jié) 論

1）實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化快速啟動(dòng)，可以通過對(duì)DO和pH實(shí)時(shí)控制，溫度與低DO的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)。

2）在短時(shí)過度曝氣的過程中，經(jīng)過5d～7d后NOB活性可以完全恢復(fù)。隨著外界條件的變化，AOB和NOB的菌群數(shù)量不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致短程硝化和全程硝化過程的相互轉(zhuǎn)換的。

3）采用實(shí)時(shí)控制策略，在氨氮?jiǎng)倓傃趸瓿蓵r(shí)就停止曝氣，可保證氨氮完全氧化，同時(shí)防止NO2－－N繼續(xù)氧化，這是短程硝化反硝化工藝可以穩(wěn)定維持的重要條件。

4）控制準(zhǔn)確的曝氣時(shí)間、實(shí)時(shí)控制DO的突躍點(diǎn)和pH的“氨谷點(diǎn)”，可使得SBR工藝系統(tǒng)恢復(fù)短程硝化反硝化，并可保持穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)時(shí)控制策略是實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮工藝穩(wěn)定性的重要手段。

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