降溫和曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)序批式活性污泥反應(yīng)器部分亞硝化效能的影響研究*

王麗媛 李 行 李 軍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝作為一種低能耗、無(wú)需補(bǔ)充碳源的新型工藝，一經(jīng)出現(xiàn)就廣受業(yè)內(nèi)人士的好評(píng)[1-2]。該聯(lián)合工藝是指廢水先在氨氧化細(xì)菌(AOB)的作用下發(fā)生亞硝化反應(yīng)，將一部分的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮；之后剩余的氨氮與生成的亞硝酸鹽氮發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛猁}氮[3-4]。如何維持出水亞硝酸鹽氮與氨氮質(zhì)量濃度比(簡(jiǎn)稱(chēng)出水亞硝酸鹽氮/氨氮)，即部分亞硝化的穩(wěn)定運(yùn)行是保證該聯(lián)合工藝脫氮效果的重要問(wèn)題。現(xiàn)階段，通過(guò)控制pH、DO、溫度、游離氨等因素[5-6]促進(jìn)AOB的增長(zhǎng)、抑制亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)生長(zhǎng)可達(dá)到部分亞硝化反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行[7]。然而，LOCHMATTER等[8]、KOUBA等[9]認(rèn)為，部分亞硝化是一個(gè)會(huì)受到限制的步驟，因?yàn)樵谥髁鳁l件下很難抑制NOB活性，而且NOB具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，運(yùn)行一段時(shí)間后NOB活性恢復(fù)，將生成的亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積，另外運(yùn)行中一旦條件發(fā)生變化，NOB很容易大量增長(zhǎng)[10]。因此，確定適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件以抑制NOB活性對(duì)于最大限度去除氮和廢水達(dá)標(biāo)排放至關(guān)重要[11]。

在實(shí)際水處理過(guò)程中，由于北方冬天氣溫低，低溫很難保持部分亞硝化的出水穩(wěn)定[12-13]。ZHANG等[14]認(rèn)為，低溫對(duì)AOB生長(zhǎng)的影響大于NOB。張瓊等[15]研究表明，當(dāng)溫度從20 ℃降為12 ℃時(shí)，序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)內(nèi)NOB為優(yōu)勢(shì)菌種使反應(yīng)向硝化過(guò)程前進(jìn)，而不利于部分亞硝化。降溫時(shí)，污泥的流失量會(huì)比污泥的生長(zhǎng)速度大得多[16]，不能通過(guò)排泥的方式來(lái)減少NOB的增長(zhǎng)，因此在逐漸降溫的情況下保持部分亞硝化效能成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本研究在逐漸降溫過(guò)程中，通過(guò)控制曝氣時(shí)長(zhǎng)，使得部分亞硝化效能維持在最佳狀態(tài)，同時(shí)觀(guān)察了污泥活性及胞外聚合物(EPS)的分泌情況，以更好了解降溫過(guò)程中部分亞硝化過(guò)程的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自制的SBR，由曝氣頭、恒溫水浴桶、加熱棒、溫度控制器等組成，有效體積為5 L，換水率70%。

1.2 試驗(yàn)廢水及接種污泥

采用人工配制的模擬廢水，成分為22 mg/L KH2PO4、20 mg/L MgSO4·7H2O、100 mg/L CaCl2、500 mg/L NH4Cl及1 mL/L微量元素。

接種沈陽(yáng)北部某污水處理廠(chǎng)二沉池回流污泥，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)馴化后顆粒污泥粒徑約0.8 mm，大于0.8 mm的顆粒污泥濕密度約1 005 kg/m3，屬于成熟的亞硝化顆粒污泥，測(cè)得混合液懸浮固體(MLSS)約3 300 mg/L、污泥沉降比(SV)為30%、污泥體積指數(shù)(SVI)約90.9 mL/g。

1.3 試驗(yàn)方法

前期培養(yǎng)的亞硝化顆粒污泥在30 ℃穩(wěn)定培養(yǎng)一段時(shí)間后，開(kāi)始逐漸降溫處理，降溫分為3個(gè)階段，即階段Ⅰ：由30 ℃降低至25 ℃；階段Ⅱ：由25 ℃降低至20 ℃；階段Ⅲ：由20 ℃逐漸降低至15 ℃。每個(gè)階段降溫10 d，降溫速率0.5 ℃/d。降溫采用水浴加熱裝置，加熱棒上連接溫度控制器，通過(guò)設(shè)置溫度來(lái)實(shí)時(shí)控制加熱棒的開(kāi)和關(guān)。每個(gè)階段都重新確定最佳的曝氣時(shí)長(zhǎng)，使SBR達(dá)到最佳部分亞硝化效能并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，再繼續(xù)降溫。比較不同溫度下污泥性能及水質(zhì)處理效果，分析降溫對(duì)SBR內(nèi)顆粒污泥效能的影響和曝氣時(shí)長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用。

1.4 主要分析方法

水樣中三氮和MLSS均按照國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[17-18]進(jìn)行檢測(cè)；溫度采用電子溫度控制器(WK-SM3A)測(cè)量；多糖采用蒽酮-硫酸法測(cè)量[19]；蛋白質(zhì)應(yīng)用考馬斯亮蘭法(Bradford法)[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 逐漸降溫下污泥特性的變化

部分亞硝化啟動(dòng)成功后，SBR內(nèi)溫度維持在30 ℃，MLSS穩(wěn)定在3 164 mg/L左右。從第200天開(kāi)始降溫，研究不同溫度下SBR內(nèi)MLSS的變化，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同溫度下MLSS的變化

階段Ⅰ，MLSS明顯下降。第210～230天，溫度穩(wěn)定在25 ℃時(shí)，MLSS變化不明顯。這是由于降溫過(guò)程導(dǎo)致亞硝化顆粒污泥解體，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的顆粒污泥會(huì)在曝氣形成的水力剪切作用下被吹落，并隨出水排出。當(dāng)25 ℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，MLSS由2 788 mg/L升到2 832 mg/L，可能的原因是NOB生長(zhǎng)彌補(bǔ)了AOB活性減弱造成的污泥解體。

階段Ⅱ，MLSS由2 832 mg/L直線(xiàn)降至1 761 mg/L。這可能由于溫度的持續(xù)降低，使得AOB和NOB都不適應(yīng)此時(shí)的溫度，兩者增長(zhǎng)緩慢，顆粒污泥黏性降低，粒徑變小，不易沉降，部分污泥隨出水排出，導(dǎo)致MLSS下降，240 d后，MLSS小幅度上升。

階段Ⅲ，MLSS逐漸上升，溫度穩(wěn)定在15 ℃時(shí)MLSS高達(dá)2 053mg/L，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是SBR內(nèi)的顆粒污泥已適應(yīng)了低溫，并產(chǎn)生一定的抵抗作用，使AOB和NOB以此為基礎(chǔ)逐漸增長(zhǎng)，顆粒粒徑增大，沉降性能好。

2.2 逐漸降溫下EPS變化

EPS是微生物表面產(chǎn)生的代謝物，主要由蛋白質(zhì)和多糖組成，蛋白質(zhì)占較大比例。SBR的逐漸降溫階段共運(yùn)行80 d，不同溫度下EPS的變化見(jiàn)圖2，同時(shí)計(jì)算蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度比(簡(jiǎn)稱(chēng)蛋白質(zhì)/多糖)。當(dāng)溫度由30 ℃降低至25 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)增加較大，這是由于前期培養(yǎng)形成的好氧顆粒污泥出現(xiàn)解體，形成的絮狀污泥為適應(yīng)低溫，分泌了大量的EPS，使得此時(shí)蛋白質(zhì)由14.13 mg/g增加到23.37 mg/g。當(dāng)溫度繼續(xù)降低至20 ℃時(shí)，MLSS明顯降低，絮狀污泥由于沉降性能差會(huì)排出SBR，使此時(shí)的蛋白質(zhì)迅速降為11.56 mg/g。當(dāng)溫度再次降低到15 ℃時(shí)，SBR內(nèi)蛋白質(zhì)繼續(xù)下降至7.41 mg/g，說(shuō)明此時(shí)顆粒污泥的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，已能適應(yīng)低溫。多糖的變化規(guī)律與蛋白質(zhì)類(lèi)似，隨溫度降低多糖略微先增大后減小，在0～2 mg/g內(nèi)變化。同時(shí)，蛋白質(zhì)/多糖穩(wěn)定在10左右。

圖2 不同溫度下EPS的變化

2.3 逐漸降溫對(duì)部分亞硝化效能的影響

在逐漸降溫過(guò)程中，控制進(jìn)水氨氮約140 mg/L，出水水質(zhì)和部分亞硝化效能變化分別見(jiàn)圖3和圖4。第190～200天內(nèi)，溫度穩(wěn)定在30 ℃，出水氨氮先升后降，出水亞硝酸鹽氮?jiǎng)t與之相反，出水硝酸鹽氮開(kāi)始逐漸上升，出水亞硝酸鹽氮/氨氮由1.16先下降后回升至1.04，各參數(shù)變化幅度總體不大，基本維持在部分亞硝化狀態(tài)。階段Ⅰ，出水亞硝酸鹽氮基本與之前保持一致，出水氨氮下降，出水硝酸鹽繼續(xù)上升，出水亞硝酸氮/氨氮逐漸上升，最高至1.31。第210～220天，出水三氮濃度變化幅度較大，出水硝酸鹽氮急劇上升，出水氨氮和亞硝酸鹽氮明顯下降，可能因?yàn)?5 ℃是NOB適宜生長(zhǎng)的溫度，其活性較高，作用于亞硝酸鹽氮使其轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。但與此同時(shí)，亞硝酸鹽氮濃度的減少刺激了AOB，使得AOB也活躍了起來(lái)，氨氮去除率增加，但亞硝酸鹽氮累積率降低較多，由階段Ⅰ的平均77.45%降低至平均20.38%。為實(shí)現(xiàn)部分亞硝化效能的穩(wěn)定，需要抑制NOB的生長(zhǎng)和對(duì)亞硝酸鹽氮的消耗，所以考慮降低DO來(lái)抑制NOB活性。于是，第221天時(shí)將曝氣量降低至0.2 L/min，出水硝酸鹽氮迅速下降，經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行，穩(wěn)定在20 mg/L左右。由于曝氣量的降低，出水亞硝酸鹽氮回升，出水亞硝酸鹽氮/氨氮由0.12上升至0.82。

圖3 逐漸降溫時(shí)出水水質(zhì)的變化

圖4 逐漸降溫時(shí)部分亞硝化效能的變化

階段Ⅱ，SBR內(nèi)出水氨氮逐漸升高，氨氮去除效率變差，AOB可能不適應(yīng)低溫，使得氨氮降解速率變慢，氨氮去除率和亞硝酸鹽氮累積率總體減少，部分亞硝化效能很差。經(jīng)過(guò)20 ℃的穩(wěn)定馴化階段，出水中AOB逐漸適應(yīng)該溫度，AOB開(kāi)始利用水中的DO，出水亞硝酸鹽氮開(kāi)始回升。20 ℃的出水氨氮最終穩(wěn)定在60 mg/L左右，出水亞硝酸鹽氮/氨氮為0.75。但出水中NOB很難去除，使得反應(yīng)不是很理想。

階段Ⅲ，氨氮降解能力變差導(dǎo)致氨氮去除率總體下降，出水亞硝酸鹽氮波動(dòng)相對(duì)于階段Ⅱ較小，由44 mg/L降低至33 mg/L，這可能是由于NOB活性下降，使得亞硝酸鹽氮不能很好轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而使得亞硝酸鹽氮實(shí)現(xiàn)累積。15 ℃穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，出水亞硝酸鹽氮/氨氮上升穩(wěn)定在0.50左右。同時(shí)，顆粒污泥對(duì)低溫具有一定抵抗作用，氨氮去除率相比20 ℃時(shí)并無(wú)多大變化。

2.4 逐漸降溫下曝氣時(shí)長(zhǎng)的變化

在整個(gè)降溫過(guò)程中，在25、20、15 ℃時(shí)，對(duì)曝氣時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析不同曝氣時(shí)長(zhǎng)時(shí)三氮的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5至圖7。當(dāng)25 ℃時(shí)，整個(gè)曝氣階段，氨氮降解速率幾乎不變；3 h前，亞硝酸鹽氮直線(xiàn)上升，硝酸鹽氮幾乎不增長(zhǎng)；3～6 h時(shí)，硝酸鹽氮直線(xiàn)增長(zhǎng)，亞硝酸鹽氮下降，導(dǎo)致部分亞硝化性能不理想，出水亞硝酸鹽氮/氨氮逐漸減小。根據(jù)出水亞硝酸鹽氮/氨氮最高值，選取曝氣時(shí)長(zhǎng)為3.4 h。因此，25 ℃時(shí)，調(diào)整SBR運(yùn)行周期為4 h，即進(jìn)水、曝氣、沉淀、出水、靜置時(shí)間分別為10、204、6、6、14 min，直到降溫至20 ℃都以該周期運(yùn)行。這里需注意的是，由于降溫會(huì)使部分污泥出現(xiàn)解體情況，形成的絮狀污泥粒徑小，亞硝化效果差，會(huì)隨出水排出SBR，而剩下的顆粒污泥由于較強(qiáng)的適應(yīng)性會(huì)對(duì)低溫產(chǎn)生抵抗作用，沉降性好，亞硝化性能也好，所以沉淀6 min已可使大部分亞硝化性能好的顆粒污泥完成沉降。

圖5 25 ℃時(shí)三氮的變化

圖6 20 ℃時(shí)三氮的變化

圖7 15 ℃時(shí)三氮的變化

當(dāng)降溫至20 ℃后，AOB和NOB的生長(zhǎng)都受到抑制，2 h內(nèi)，氨氮降解速率基本等于亞硝酸鹽氮生成速率，硝酸鹽氮幾乎不增長(zhǎng)；2～3 h時(shí)，NOB開(kāi)始反應(yīng)，將生成的亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，根據(jù)出水亞硝酸鹽氮/氨氮最高值，選取曝氣時(shí)長(zhǎng)為2.4 h。20 ℃時(shí)，調(diào)整SBR運(yùn)行周期為3 h，進(jìn)水、曝氣、沉淀、出水、靜置時(shí)間分別10、144、6、6、14 min。直到降溫至15 ℃都以該周期運(yùn)行。

當(dāng)降到15 ℃時(shí)，氨氮降解速率逐漸減慢，AOB活性較低，當(dāng)曝氣2.5 h時(shí)，SBR內(nèi)亞硝酸鹽氮達(dá)到峰值，所以選擇最適曝氣時(shí)長(zhǎng)為2.5 h，可維持出水亞硝酸鹽氮/氨氮達(dá)到最高值(0.51)。所以，調(diào)整SBR運(yùn)行周期為3 h，進(jìn)水、曝氣、沉淀、出水、靜置時(shí)間分別10、150、6、4、10 min。

綜合分析認(rèn)為，降溫導(dǎo)致SBR部分亞硝化效能下降，但單周期運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)縮短曝氣時(shí)長(zhǎng)加以改善。其中，20、15 ℃時(shí)可能由于亞硝化顆粒污泥具有一定的抵抗性造成兩者部分亞硝化效能變化不明顯。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)溫度逐漸降為25、20、15 ℃時(shí)，MLSS總體下降，尤其當(dāng)溫度由25 ℃降至20 ℃時(shí)，MLSS由2 832 mg/L降至1 761 mg/L，污泥活性明顯變差；EPS中蛋白質(zhì)與多糖均先增大后減小。

(2) 降溫導(dǎo)致SBR部分亞硝化效能下降，但單周期運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)縮短曝氣時(shí)長(zhǎng)加以改善，逐漸降溫至25、20、15 ℃時(shí)，曝氣時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)調(diào)整為3.4、2.4、2.5 h。