溶解氧對亞硫酸鹽型自養反硝化的影響*

連雨露，倪偉敏，李 可，劉月曈

(杭州師范大學生態系統保護與恢復杭州市重點實驗室, 浙江 杭州 311121)

機械、化工、電鍍、光伏等行業常大量使用硝酸或硝酸鹽作為原材料或輔助劑，其排放的廢水含有大量硝酸鹽且有機物含量低。這類廢水若未經有效處理，會導致水體富營養化等環境效應，最終對人體健康造成危害[1-3]。

近年來，硫自養反硝化作用因無需外加碳源、能耗小、成本低、無二次污染、產生污泥量少等優點成為低碳源含氮廢水脫氮領域的熱點[4-10]。亞硫酸鹽型自養反硝化技術是硫自養反硝化技術的一種，具有硫自養反硝化的共性。相較其他還原性硫化物，亞硫酸鹽溶解性高、毒性低且可同時作為電子供體和除氧劑[10]，亞硫酸鹽型自養反硝化在去除硝酸鹽的同時也能有效地去除其他氧化污染物，具有很好的工程應用前景。

本實驗以亞硫酸鹽作為硫源進行脫氮，并探究溶解氧對亞硫酸鹽型反硝化的抑制作用及抑制消除對策。

1 實 驗

1.1 脫氧實驗

1.1.1 實驗用水

純水經曝氣4 h，平衡8 h。

1.1.2 實驗方法

向相同體積水中添加不同質量的亞硫酸鈉，調控其亞硫酸鈉初始濃度為4.76、9.52、14.28、19.04 mmol/L，添加后立即混勻、密閉、靜置，每分鐘記錄瓶中的DO變化。

1.2 動態亞硫酸鹽自養反硝化實驗

1.2.1 實驗所用污泥

本實驗所用污泥來自杭州某污水處理廠。

1.2.2 實驗用水

進水采用人工模擬低碳源含硝廢水，廢水的硝態氮初始濃度濃度為100 mg/L，pH為7～8。

1.2.3 實驗裝置

如圖1所示，反應器的有效容積為3 L，共有內、外兩個循環，動力分別為內循環磁力泵和外循環進水流量泵。在裝置中添加污泥并進模擬廢水，調節泵的頻率等參數使污泥在反應器中處于懸浮狀態。從取水口取水。實驗裝置分為半封閉循環反應器以及封閉循環反應器，半封閉循環反應器的外循環會經過一個半開放的出水槽用于投加藥品，封閉循環反應器將加藥瓶與循環系統獨立開，添加藥品時用單獨的流量泵作為動力加入反應器中。

圖1 動態亞硫酸鹽自養反硝化實驗裝置圖

1.2.4 實驗方法

模擬廢水的硝態氮初始濃度為100 mg/L，維持pH 7～8，每天從反應器中取100 mL水樣，測定其pH、ORP、DO、氨氮、亞硝態氮、硝態氮。經過數據分析后，當反應器中硝態氮降至最低值(三天濃度基本不變)后即添加硝酸鈉將其提升至100 mg/L，開始下一個反硝化周期。根據硝態氮、DO及COD情況判斷是否添加亞硫酸鈉，每次添加5 g亞硫酸鈉。

1.3 分析項目及方法

實驗中所涉及的水質指標測定方法如表1所示。

表1 實驗分析項目及方法

2 結果與討論

2.1 亞硫酸根對溶解氧的化學消除

亞硫酸鹽能快速去除水中溶解氧，提供厭氧環境。在溫度為30 ℃、pH=8條件下，當亞硫酸鈉初始濃度為0、2.91、5.82、8.74、11.65 mmol/L時，4 min后溶解氧濃度去除率分別為0、27.27%、54.55%、87.27%、100%，通過對0、2.91、5.82、8.74 mmol/L時DO-亞硫酸鈉初始濃度關系曲線的擬合，得到當在1 L水中加入1.05 g Na2SO3時可正好將水中的溶解氧去除，是亞硫酸鹽除氧的最經濟投加量。

圖2 DO-亞硫酸鈉初始濃度關系曲線

2.2 溶解氧對亞硫酸鹽性自養反硝化的抑制

半封閉式循環裝置中，循環廢水經過半封閉出水槽時，部分氧氣溶于廢水并隨著循環進入廢水帶入系統，使DO普遍偏高且頻繁添加亞硫酸鈉難以穩定DO在0.5 mg/L以下，最低只能達到0.2 mg/L，1～2天內即升高至1.5 mg/L以上，極不穩定(在0.2～4.2 mg/L內浮動)，如圖3所示，封閉狀態下溶解氧濃度穩定情況遠好于半封閉狀態。對比圖4可得，在DO較高的半密閉狀態下，一個周期內硝態氮去除率僅為46.74%，反硝化效果受到氧的強烈抑制。

圖3 半封閉狀態與封閉狀態下DO含量對比

圖4 半封閉狀態與封閉狀態下硝態氮去除速率對比

2.3 溶解氧抑制作用的消除

在封閉式循環裝置中，DO可維持在0 mg/L 3～5天，反硝化作用能穩定進行，一個周期的硝態氮去除率最高可達到97.74%，消除了溶解氧對反硝化反應的抑制。

此外，在封閉狀態下，當系統中亞硫酸鈉耗盡時，溶解氧含量升高(未超過1.5 mg/L)，抑制反硝化，但該抑制在短時間內可逆，及時添加亞硫酸鈉，反硝化活性仍可隨著低氧環境的建立快速恢復，降低DO對反硝化影響。

圖5 封閉狀態下DO濃度與硝態氮去除率關系圖

3 結 論

(1)在半封閉狀態下，DO普遍較高，極不穩定，一個周期的去除率僅為46.74%；而在封閉狀態下，更易維持系統中的低氧環境，溶解氧的抑制作用基本消除，硝態氮去除率一個周期內最高可達到97.74%。采用封閉式循環裝置是消除溶解氧抑制，提升硝態氮去除效果的有效對策。

(2)在封閉狀態下，亞硫酸鈉耗盡時，溶解氧含量會升高抑制反硝化反應，但該抑制短時內可逆，及時添加亞硫酸鈉可快速恢復反硝化作用。