低溫下粉煤灰對SBR部分亞硝化效能的影響研究

王麗媛， 李 行， 康婷婷

(1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168;2.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢430071)

與傳統的硝化-反硝化工藝相比，部分亞硝化-厭氧氨氧化(PN-ANAMMOX)聯合工藝節約了一半的需氧量，且無需補充碳源［1］。部分亞硝化作為該聯合工藝的前提與基礎，出水NO-2-N和-N質量濃度的比值受外界條件變化的影響較大。亞硝化-厭氧氨氧化技術需要在中高溫進行，而北方冬季溫度低，維持中高溫需要消耗大量能源，因此在低溫條件下保持部分亞硝化顆粒污泥的活性尤為重要。

粉煤灰的存在形式是富鋁玻璃體，結構疏松，含有硅、鋁、鐵、鈣、鎂等元素的氧化物［2］，主要組成是SiO2和Al2O3。粉煤灰優秀的吸附能力源自其多孔結構和大比表面積［3-4］，能有效發揮物理吸附、化學吸附和離子交換吸附作用［5］，在處理染料廢水、含砷廢水、含酚廢水、重金屬離子廢水、焦化廢水和生活污水等方面，已經取得了良好的應用效果［6］。

對于將粉煤灰作為載體培養顆粒污泥方面，尚無相關報道。有研究認為粉煤灰有較大的比表面積和很強的吸附能力［7］，根據晶核假說原理，可以作為好氧顆粒污泥初始自凝聚的最開始的內核;同時粉煤灰中存在很多二價和三價金屬離子，可以以自我為中心吸引帶負電的微生物在其表層粘附、附著、生長，慢慢形成初始小顆粒。氣流、水力剪切和顆粒之間的相互碰撞，都會使這些小顆粒外層的菌膠團脫落，產生新的前體物［8］，在此基礎上再次形成小顆粒，周而復始，加速顆粒污泥的形成。

據研究表明，加入粉煤灰后污泥菌膠團和微粒或菌膠團所處空間狹小，產生更多次的摩擦和碰撞，使污泥以更慢的速度相互聚集并形成顆粒。這種頻繁的碰撞與摩擦又會增大顆粒污泥形成所需的水力選擇壓，形成更為穩定牢固的污泥結構［9］，對亞硝化顆粒污泥在低溫下發生解體現象和流失有一定的抑制作用，能夠重新聚集解體的絮狀污泥，從而強化了亞硝化性能。筆者在低溫(15℃)試驗條件下投加不同濃度的粉煤灰，觀察顆粒污泥的活性和出水水質的變化，探究了粉煤灰對部分亞硝化效能的提高效果。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗采用的SBR反應器由UASB反應器改造而成，如圖1所示。反應有效體積為5 L，換水率為70%，反應器底端裝有曝氣頭，曝氣量通過氣體轉子流量計調節，水浴溫度由加熱棒控制。SBR反應器的進、出水和曝氣均由時控開關進行控制。SBR的反應周期為6 h:進水10 min，曝氣330 min，沉降12 min，出水 6 min，靜置 2 min。

1.2 試驗配水和接種污泥

試驗采用人工配制的模擬廢水:KH2PO4，22 mg/L;MgSO4·7H2O，20 mg/L;CaCl2，100 mg/L;NH4Cl，500 mg/L;微量元素，1 ml/L。其中微量元素溶液組成如下:ZnSO4·7H2O，120 mg/L;NaMoO4·2H2O，60 mg/L;CoCl2，150 mg/L;EDTA，10 000 mg/L;MnCl2·4H2O，120 mg/L;H3BO3，150 mg/L;CuSO4·5H2O，30 mg/L。

圖1 試驗裝置Fig.1 Diagram of test device

接種污泥取自沈陽北部污水處理廠二沉池回流污泥，經過培養馴化后具有良好的亞硝化性能，污泥濃度(MLSS)約為3 300 mg/L，污泥沉降比(SV)為30%。

1.3 試驗方法

當部分亞硝化反應降溫至15℃，穩定培養一段時間后，每隔5～6 d分別向反應器內投加50，100，150，200，250和300 mg/L粉煤灰，依次對應階段Ⅰ至階段Ⅵ。觀察不同粉煤灰濃度對污泥活性的影響，分析反應器內污泥活性和出水水質的變化。

1.4 分析方法

2 結果與討論

2.1 污泥活性和出水SS的變化

粉煤灰作為載體，對低溫下解體的絮狀污泥具有很好的吸附作用，能夠使其重新聚集為顆粒污泥。粉煤灰的投加量對反應器內污泥濃度、污泥活性和出水固體懸浮物濃度(SS)的影響，如圖2、圖3所示。

圖2 粉煤灰濃度對污泥活性的影響Fig.2 Effect of concentration of fly ash on sludge activity

圖3 粉煤灰濃度對出水SS的影響Fig.3 Effect of concentration of fly ash on effluent SS

試驗第1～6 d時，粉煤灰投加量為50 mg/L，MLSS和混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)分別為2 103和1 953 mg/L，污泥活性 f為0.928，出水SS為81.6 mg/L。由于加入的粉煤灰量較少，對顆粒污泥的性能幾乎無影響，繼續增大粉煤灰的投加量。

在第7～13 d時，粉煤灰投加量為100 mg/L，MLSS、MLVSS 分別為 2 273 和 2 023 mg/L，f為0.890，出水SS為63.2 mg/L。污泥濃度有所上升，但污泥活性下降，這可能是由于粉煤灰持留在反應器內。同時出水SS減少，表示有部分新生成的絮狀污泥被粉煤灰顆粒吸附，形成沉降性能較好的顆粒污泥。粉煤灰的投入對顆粒污泥的形成和持留具有一定影響，但其持留污泥濃度較小。

在第14～19 d時，粉煤灰投加量為150 mg/L，MLSS、MLVSS 分別為 3 112 和 2 712 mg/L，f為0.871，出水SS為41.5 mg/L。第20～24 d時，粉煤灰投加量為200 mg/L，MLSS、MLVSS分別為3 973和3 373 mg/L，f為 0.848，出水 SS 為 34.8 mg/L。第25～29 d時，粉煤灰投加量為250 mg/L，MLSS、MLVSS分別為 5 456和4 606 mg/L，f為 0.844，出水 SS為23.2 mg/L。

第30～34 d時，提高粉煤灰投加量為300 mg/L，MLSS、MLVSS 分別為 6 317 和 5 167 mg/L，f為0.818，出水 SS 為17.9 mg/L。

可以看出，隨著粉煤灰的投加量從50 mg/L逐漸上升到300 mg/L，出水SS逐漸下降，反應器內的污泥得以聚集，污泥濃度從2 103 mg/L升高到6 317 mg/L。但隨著粉煤灰的加入，反應器內無機物的增加，污泥活性f逐漸減小，由0.928降低至0.818。

因此，粉煤灰對部分亞硝化顆粒污泥的增多具有良好的促進作用，同時能減少污泥流失。

2.2 出水氮元素的變化

降溫至15℃后，為考察加入粉煤灰對污泥活性的強化效果，同時檢測出水中三氮的變化和其部分亞硝化性能。從圖4可以看出，粉煤灰投加量為50 mg/L時，經過一段時間，出水水質與降溫至15℃時相比基本未發生變化，出水-N和-N質量濃度比穩定在0.5∶1左右。粉煤灰的加入并無明顯強化作用。

圖4 粉煤灰投加量對出水水質的影響Fig.4 Effect of fly ash dosage on effluent quality

提高粉煤灰投加量為100 mg/L后，出水氨氮小幅度下降，亞硝酸鹽氮上升，出水C-N)∶C(-N)由0.5∶1逐步上升至0.6∶1。繼續提高粉煤灰投加量至150 mg/L，出水氨氮由70 mg/L明顯下降至50 mg/L，但亞硝酸鹽氮也從40 mg/L下降至30 mg/L。這是由于這個階段，進水氨氮由130 mg/L降低至110 mg/L，并未發生明顯變化，但亞硝酸鹽氮累積率有所提高。出水C-N)∶C(NH4+-N)由0.5∶1上升至0.6∶1，然后又穩定在0.5∶1左右。

投加200 mg/L粉煤灰后，出水亞硝酸鹽氮略有下降，硝酸鹽氮由10 mg/L上升至25 mg/L，再下降至15 mg/L。出水C(-N)∶C(-N)由0.6∶1上升至0.75∶1。部分亞硝化效能有所提高，這可能是粉煤灰對絮狀污泥的吸附使AOB菌附著在粉煤灰顆粒上生長，AOB菌種數量增多，對氨氮的去除率以及亞硝酸鹽氮的累積升高。

投加250 mg/L粉煤灰后，出水氨氮逐步穩定在45 mg/L，亞硝酸鹽氮也由38 mg/L上升至50 mg/L左右，C(-N)∶C(-N)從0.75∶1上升至1.20∶1左右，部分亞硝化性能良好。同時，出水中硝酸鹽氮也維持在較低的范圍。這時，反應器內污泥濃度大量升高，AOB菌的數量維持在一個合適值，MLVSS為4606 mg/L。

在第29～34 d時，向反應器內投加300 mg/L粉煤灰，經過一段時間后出水氨氮開始下降，由45 mg/L降至30 mg/L。出水亞硝酸鹽氮穩定在70 mg/L，C(-N)∶C(-N)從1.20∶1上升至2.0∶1，遠超過所需要的1.32∶1。這是由于此時反應器內的MLVSS較大，AOB菌的數量也相應較大，在該曝氣時長下，氨氮降解速率較快，去除率超過了50%。為了控制出水C(-N)∶C(-N)，可以考慮采取排泥的方式使反應器內AOB菌的生物量減少，或者繼續縮短水力停留時間等方法。但考慮到此時的SBR反應器運行周期已經降為3 h，運行周期較短，可通過排泥手段使MLVSS維持在4 600 mg/L左右。

研究表明，向反應器內投加粉煤灰有助于顆粒污泥的生長，從而促進AOB菌的繁殖。粉煤灰形成的顆粒對AOB菌有保護作用，使其能很好地適應低溫環境。當連續投加粉煤灰至250 mg/L時，部分亞硝化效能達到最佳狀態;繼續提高粉煤灰投加量會使顆粒污泥進一步生長，亞硝化效果更完全，與所需部分亞硝化的目的相矛盾。顆粒污泥濃度穩定在4 600 mg/L時，部分亞硝化效果最好。需要注意的是，試驗過程中當污泥濃度持續增長時，應進行排泥處理。

3 結論

① 粉煤灰的吸附性能可以抑制低溫下SBR反應器中部分亞硝化顆粒污泥的解體情況，且隨著粉煤灰投加量的增大，顆粒污泥濃度逐漸上升，出水SS減小，但其污泥活性f下降。

② 在持續投加粉煤灰的過程中，當粉煤灰投加量達到250 mg/L時，其出水 C(-N)∶C(-N)達到1.20∶1，具有較好的部分亞硝化效果。繼續投加粉煤灰，反應器內亞硝化效果逐漸加強，不適合部分亞硝化的維持。