耦合氨氧化反應的脫氮性能的研究

謝東

摘 要：耦合厭氧氨氧化的短程硝化與反硝化的協同作用，可達到高效脫氮的要求，是李村河污水廠的Bardenphon工藝的核心技術，出水水質穩定達一級A的地表Ⅳ類排放標準。文章研究耦合氨氧化反應的脫氮過程機理。

關鍵詞：反硝化；短程硝化；厭氧氨氧化

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0191-02

Abstract： The synergistic effect of short-cut nitrification and denitrification coupled with anaerobic ammonia oxidation can meet the requirements of highly efficient denitrification， which is the core technology of Bardenphon process in Licunhe Sewage Treatment Plant. The quality of its effluent is stable， up to the surface Type IV emission standard from Grade A standard. In this paper， the mechanism of denitrification of coupled ammonia oxidation reaction is studied.

Keywords： denitrification； short-cut nitrification； anaerobic ammonia oxidation

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧的條件下，厭氧氨氧化菌（AOB）以NO2-N為電子受體，氧化NH4-N為N2的過程，不需要消耗有機物、碳源，脫氮效果好，能耗低，厭氧氨氧化以CO2為碳源產生一定量的NO3-N，為反硝化提供電子受體，反硝化消耗有機物且產生CO2，為厭氧氨化菌解除有機物抑制，并提供無機碳源，通過對李村河污水廠三期調試2016.3-2016.9的試驗數據分析，實時反應的當時的工藝運行狀況，對有些現象進行小試進一步闡明機理，取三個區段：前置反硝化區、好氧區MBBR、后置反硝化區的沿程工況的化驗數據分析，探討厭氧氨氧化耦合的脫氮性能。

1 前置反硝化區運行工況

在三期調試進行階段，系統接種二期成熟污泥，逐步提高污泥負荷，至60天，生物膜掛膜至褐色，鏡檢活性污泥絮體結構較為密實，菌膠團較大，呈團狀或顆粒狀，微生物種類較為豐富，可以發現許多原生動物和微型后生動物如鐘蟲、輪蟲等。生物膜表面的微生物數量較多，微生物聚集較為密集，纖毛蟲和輪蟲數量眾多，有少量絲狀菌以及累枝蟲，說明生物膜上的微生物具有很高的生物活性，測試TN等各指標的出水穩定。對出現的現象，進水進入前預缺氧和厭氧區，NO3-N沿程取樣都很小，NH4-N和TN一直降低，作分析研究，數據單位：（mg/l）NH4-N：14.28→10.91→11.21→10.12→9.9；NO3-N：0.38→0.14→0.20→0.26→0.44，TN：18.2→13.2→14.5→12.7→11.5

反應過程看到NH4-N濃度下降很快，并未導致NO3-N和TN濃度的下降，說明氮元素在此過程以N2的形式脫離了系統，推測在硝化的同時，反硝化菌將硝化產生的NO2-N和NO3-N還原為N2，即實現了同步硝化和反硝化（SND），NO2-N和NO3-N得到去除的另一原因是在缺氧條件下，反硝化聚磷菌（DPAO），以NO2-N和NO3-N為電子受體氧化體內PHB，產生的能量以聚磷菌形式儲在細胞內。

2 好氧區MBBR運行工況

進水在出前置反硝化區后，進入好氧MBBR區，在好氧段投加高效的懸浮填料，提高曝氣系統充氧效率，容積負荷高，有效比表面積>800m2/m3。在前置反硝化的缺氧段去除了大部分的COD，較低的COD量進入好氧區，使得其中異養微生物的生長受到抑制，使得生物膜厚度得到有效控制，膜內的AOB和NOB能更好地獲取水中的NH4-N和N2。

4.27日的三期生物池的活性污泥與填料硝化性比較小試。DO：7-8mg/l，MLSS：5922mg/l.反應時間4h，每隔30min取樣一次.見表1，單位mg/l

工況（1）傳統的活性污泥（CAS），工況（2）MBBR填料，反應過程中化學計量分析

工況（1）可知，NO3-N量的生成量與NH4-N的消耗量的比值為0.06（小于理論值0.11），說明反硝化與短程硝化/厭氧氨氧化在反應過程中是同時存在的，劉常敬等（1）以NH4-N的去除量、NO2-N的去除量、NO3-N的生成量之間的比例衡量厭氧氨氧化與反硝化的啟動進程。即反硝化過程NO3-N→NO2-N→0.5 N2與短程硝化過程NH4-N→NO2-N/厭氧氨氧化過程NH4-N+1.32 NO2-N→0.26NO3-N+N2存在耦合關系。分析試驗：工況（1）實際消耗NH4-N為196.57mg/l，理論上應生成21.62mg/lNO3-N，而實際生成12.38mg/l，即有9.2mg/l的NO3-N是通過反硝化過程去除的。工況（2）可知，實際參加反應的NH4-N是127.62mg/l，理論上生成14.02mg/l的NO3-N，而NO3-N生成量與NH4-N消耗量的比值為0.209，大于理論值，即要生成26.65mg/l NO3-N，要消耗的NH4-N量242.27mg/l，即有114.65mg/l的NH4-N總量富集在MBBR的各種菌種中，通過厭氧氨氧化去除的。分析MBBR由于氧擴散的限制，在污泥絮體及生物膜內產生DO梯度，污泥絮體及生物膜外表面DO高，表面為好氧區，在絮體及生物膜內部，由于氧化傳遞受阻及外部氧的大量消耗，產生缺氧區及厭氧區，系統中同時存在、缺氧及厭氧微環境，在MBBR上富集的硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌等不同的微生物菌群存在。分析是CAS法其絮體體積大，造成傳質阻力增加，而MBBR膜中主要是小顆粒污泥，傳質阻力可忽略，且膜內厭氧顆粒對污泥的吸附和傳遞可持續更長時間。endprint

分析低溫時， MBBR填料對活性污泥硝化功能影響。取生物池厭氧末端活性污泥和活性污泥40%填料，DO：3～4mg/L，水溫為14℃，在好氧反應區內沿程取樣，時間3h，間隔 20min取樣。圖1可知，在180min的反應時間內，40%填料組的氨氮硝化率（83.2%）明顯高于活性污泥組（59.6%）。污泥組平均硝化率為5.7 gNH4+-N/（m3·h），40%填料組為8.0gNH4+-N/（m3·h）。

分析在常溫時，MBBR填料對活性污泥硝化功能影響，取同樣的試驗條件，僅是溫度控制在20℃

圖2可知，40%填料組的氨氮硝化率（96.3%）、活性污泥（77.5%）。活性污泥平均硝化速率為8gNH4+-N/（m3·h）、40%填料為13gNH4+-N/（m3·h）。

對比常溫與低溫條件，MBBR填料組較傳統活性污泥都具有更強的硝化能力，既使在低溫時，MBBR填料組也有更強的硝化性能，這解決了污水廠冬季低溫，活性污泥硝化能力不足的難題。分析在懸浮填料生物膜表面生長著一定數量的長泥齡硝化細菌，促進了生物處理系統的硝化主體由懸浮相到生物膜固定相的轉變，由于生物膜的泥齡長，能夠有效的富集長泥齡硝化菌，即使在低溫時，填料生物膜的硝化功能不受影響。

3 后置反硝化區運行工況

污水在出好氧區后，大部分的氮源被去除，在進入反硝化區，NH4-N量不發生變化，但還有持續的NO3-N降低現象。對這個現象取沿程樣分析。5.22日三期后缺氧段氨化模擬小試，取3L三期好氧末端活性污泥，連續攪拌，每隔30min取樣。數據單位：（mg/l）NH4-N：0.27→0.30→0.44

→0.21→0.25→0.38； NO3-N：11.84→8.72→6.55→4.2→1.86→0.04。

分析后置反硝化發生了污泥水解，補充了內碳源，后置缺氧段發生了NH4-N的少量溶解，反硝化過程中，沒消耗碳源，只消耗了前段的好氧區MBBR富集的AOB、NOB的內源呼吸。還有三期的提標升級，初沉污泥濃縮池作為內碳源開發利用的水解池，可實現初沉污泥碳源溶解態的轉化 ，從而增加系統出水的SCOD的含量（2），做到先利用內碳源后加外碳源的目標。

4 結束語

厭氧氨氧耦合厭氧反硝化/短程硝化反應，分析研究后，都存在污泥活性生物脫氮的全過程，在前置反硝化區/好氧MBBR區/后置反硝化區中，由于厭氧氨氧化、硝化、反硝化的協同作用，提高了硝化反硝化的效率，為含氮有機物的去除提供了一種途徑。

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