A-O工藝處理生活污水短程硝化反硝化的研究

＊胡紫燕 劉少敏 郭方磊 黃裕濤

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 232001）

傳統(tǒng)的生物脫氮過程需要兩個(gè)過程——硝化和反硝化過程。硝化過程首先由亞硝酸菌把氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，再由硝酸菌把亞硝酸鹽氮。反硝化過程是通過反硝化菌將產(chǎn)生的硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮，再進(jìn)一步還原為氮?dú)狻喯跛猁}氮是兩個(gè)過程的中間產(chǎn)物。然而，事實(shí)上無論是硝酸鹽氮還是亞硝酸鹽氮均可作為最終的電子受體。

與傳統(tǒng)的生物脫氮過程相比，短程硝化反硝化具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)亞硝酸型硝化比硝酸型硝化減少約20%左右需氧量。（2）亞硝酸鹽硝化比硝酸鹽硝化可減少34.9%的供氧量。（3）以NO2-為基質(zhì)的反硝化比以NO3-為基質(zhì)的反硝化節(jié)省40%左右的碳源。（4）硝化反應(yīng)容積減少7.8%，反硝化反應(yīng)容積減少32.9%。（5）可減少24%～33%的產(chǎn)泥量，在污泥處理系統(tǒng)可節(jié)約將近50%的能耗。（6）具有節(jié)能、高效、投資省等優(yōu)點(diǎn)。短程硝化反硝化工藝尤其適用于處理高氨氮廢水、垃圾滲濾液、低碳氮比廢水。實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的關(guān)鍵在于抑制亞硝酸鹽氧化菌的增長(zhǎng)，導(dǎo)致亞硝酸鹽氮在硝化過程中的積累。根據(jù)目前國內(nèi)外短程硝化反硝化的研究發(fā)現(xiàn)：能抑制亞硝酸鹽氧化菌的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致亞硝酸鹽氮在硝化過程中積累的因素有[2-3]，溫度、pH值、游離氨、溶解氧、污泥停留時(shí)間、污泥濃度、化學(xué)抑制劑、鹽濃度、污泥齡等。

目前大部分對(duì)短程硝化反硝化的研究主要集中在高氨氮廢水的處理、高pH廢水的處理、高溫廢水的處理、而且大多數(shù)反應(yīng)都是基于SBR反應(yīng)器，很少有關(guān)于連續(xù)流實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的研究。而一般的污水處理廠一般都采用連續(xù)流處理生活污水。因此研究常溫下A-O短程硝化反硝化具有重要的實(shí)際意義。本試驗(yàn)基于短程硝化反硝化的實(shí)現(xiàn)理論，應(yīng)用中試試驗(yàn)裝置，研究了常溫下連續(xù)流短程硝化反硝化的實(shí)現(xiàn)及穩(wěn)定運(yùn)行情況。

1.試驗(yàn)材料和方法

(1)中試試驗(yàn)裝置

中試系統(tǒng)建于初沉池旁，池體由鋼板焊制而成，A-O反應(yīng)器的有效容積為5L，反應(yīng)共有三個(gè)格室，分別為缺氧池、好氧池和二沉池，二沉池采用豎流式，各格室均用連通管相連。試驗(yàn)進(jìn)水全部進(jìn)入缺氧段，污泥回流由二沉池回流到缺氧段，混合液回流由好氧段回流到缺氧段，試驗(yàn)進(jìn)水、污泥回流和混合液回流均采用蠕動(dòng)泵控制，反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，溫度范圍在11～30℃，污泥濃度為2000～3000mg/L，污泥回流為滿負(fù)荷運(yùn)行，混合液回流比為1.5。反應(yīng)器的好氧段采用鼓風(fēng)機(jī)曝氣，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，從而控制好氧段中DO，缺氧段裝有攪拌機(jī)，以提供充分的泥水混合，試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 A-O工藝試驗(yàn)裝置

(2)試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水來自淮南市八公山污水處理廠初沉池的水，由于一般生活污水的氨氮濃度都比較低，pH值一般在7左右，本試驗(yàn)在初沉池旁邊建一配水箱，通過向其中加一定量的氯化銨和碳酸氫鈉，使得試驗(yàn)進(jìn)水的氨氮濃度在300mg/L左右，pH在8～8.5左右。試驗(yàn)用水水質(zhì)如表1所示，平均進(jìn)水COD濃度為260mg/L，氨氮濃度為300mg/L。

表1 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

(3)分析項(xiàng)目及分析方法[4]

氨氮采用納氏試劑分光光度法；硝酸鹽采用紫外分光光度法測(cè)定；亞硝酸鹽采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD采用重鉻酸鉀法；MLSS采用重量法；pH使用pH計(jì)，DO使用溶氧儀。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)短程硝化反硝化的實(shí)現(xiàn)

①短程硝化反硝化實(shí)現(xiàn)的控制手段

本試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段，第一階段是亞硝酸鹽的積累階段，第二階段是通過外加甲醇進(jìn)行反硝化階段。基于國內(nèi)外目前的研究現(xiàn)狀，控制硝酸菌生長(zhǎng)從而使系統(tǒng)中亞硝酸鹽得到積累的因素很多，如溫度、pH值、氨濃度、氮負(fù)荷、DO、有害物質(zhì)及污泥齡等[4-6]。本試驗(yàn)主要從溶氧和pH兩個(gè)方面達(dá)到穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累，從而實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。大量研究表明，亞硝酸菌的氧飽和常數(shù)為0.3～0.5mg/L，硝酸菌的氧飽和常數(shù)為0.7～1.8mg/L[7]，所以亞硝酸菌對(duì)氧的親和能力大于硝酸菌。另外大部分的研究還表明，硝酸菌和亞硝酸菌生長(zhǎng)的最適宜pH范圍不同，硝酸菌生長(zhǎng)的最適宜pH范圍為6.0～7.5，亞硝酸菌生長(zhǎng)的pH范圍為7.0～8.5[8]。綜合上面兩點(diǎn)，本試驗(yàn)開啟階段控制溶氧在0.5mg/L以下，pH范圍在8以上。經(jīng)過7、8兩個(gè)月的運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽氮的積累，短程硝化反硝化成功啟動(dòng)。圖2為8月份運(yùn)行22天氨氮的變化情況及亞硝氮和硝酸鹽氮的變化情況，圖3為亞硝酸鹽氮的積累率。

圖2 八月份含氮化合物濃度的變化

從圖2可知，經(jīng)過7月份的污泥馴化及培養(yǎng)，8月份有明顯的亞硝鹽氮累積過程。8月份的前8天，出水中硝氮高于亞硝氮，之后，由于系統(tǒng)中污泥經(jīng)過之前1個(gè)多月的培養(yǎng)，馴化，并且嚴(yán)格控制系統(tǒng)中溶解氧在0.5mg/L以下，pH在8.5左右，系統(tǒng)中，硝酸菌基本被淘汰，亞硝酸菌占主導(dǎo)地位，從而使亞硝氮逐漸積累，硝氮逐漸變少，實(shí)現(xiàn)了明顯的亞硝酸鹽積累，即短程硝化反硝化得以實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行到22的時(shí)候，出水中亞硝酸鹽達(dá)到164.22mg/L，氨氮為6.49mg/L，氨氮的去除率達(dá)到80%。從圖3可知，亞硝酸鹽氮的積累率達(dá)到85%左右。由于本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水是來自八公山污水處理廠初沉池的水并加一定的氯化銨，使氨氮濃度很高的情況下進(jìn)行，從圖2中也知，進(jìn)水的氨氮濃度不是很穩(wěn)定，導(dǎo)致了出水中硝氮、亞硝氮及氨氮的變化情況也不是特別穩(wěn)定。反應(yīng)運(yùn)行的前10天，即使系統(tǒng)的D0控制在0.5mg/L以下，也無法實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累。因?yàn)檩^低的溶氧抑制了硝酸菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮的速率，與此同時(shí)，好氧段較高的水力停留時(shí)間為亞硝氮氧化為硝氮提供了足夠的時(shí)間，從而無法實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽氮的積累。在反應(yīng)的第10天通過調(diào)節(jié)內(nèi)回流比，來降低好氧段的水力停留時(shí)間，氨氮的去除率得到很大的提高，同時(shí)出水的亞硝酸鹽氮逐漸上升。運(yùn)行14～17天的時(shí)候，由于系統(tǒng)的混合液回流泵損壞，所以氨氮的去除率有所升高，之后恢復(fù)正常。

圖3 八月份亞硝鹽氮的積累率

②反硝化階段

F經(jīng)過兩個(gè)月的亞硝酸鹽累積，系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮特別高，從而使總氮的去除很少。由于進(jìn)水的C/N比特別低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足反硝化過程所需的碳源。所以本試驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的累積并穩(wěn)定運(yùn)行后，通過外加甲醇進(jìn)行反硝化作用。試驗(yàn)從10月8號(hào)開始外加甲醇，系統(tǒng)運(yùn)行了25天，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 反硝化階段含氮化合物濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

運(yùn)行結(jié)果如圖4所示，運(yùn)行的前3天，由于系統(tǒng)長(zhǎng)期處在硝化菌占優(yōu)勢(shì)，很少有亞硝化菌的狀態(tài)，所以剛開始加入甲醇，并不能看到明顯的亞硝酸鹽氮下降過程。于是，從第4天開始接MBR反應(yīng)池中好氧段的污泥放入到缺氧段中，經(jīng)過幾天的培養(yǎng)馴化，反應(yīng)器中反硝化菌開始繁殖，所以，從第4天到12天能夠看到明顯的亞硝酸鹽氮下降的過程，運(yùn)行25天后，系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮幾乎為零，硝酸鹽氮也幾乎為零，在前12天內(nèi)，溫度在15～20℃，氨氮的去除情況沒有圖2效果明顯，只達(dá)到60%，之后，由于溫度在15℃以下，氨氮去除率不到50%。

從圖5可知，反應(yīng)的剛開始階段，由于系統(tǒng)中長(zhǎng)期硝化菌占優(yōu)勢(shì)，很少有亞硝化菌，開始加甲醇后，亞硝酸鹽氮并沒有立馬下降，所以總氮的去除率很低。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于外加MBR反應(yīng)池中好氧段的污泥，經(jīng)過幾天的培養(yǎng)，亞硝酸鹽氮逐漸減少，從而總氮的去除率逐漸升高，到12天時(shí)達(dá)到最大，最大可達(dá)76%，但是，隨后由于溫度的降低，只有15℃以下，氨氮的去除效果變差，導(dǎo)致總氮的去除效果整體呈降低趨勢(shì)。

圖5 反硝化階段總氮的去除率隨時(shí)間的變化情況

(2)短程硝化反硝化的影響因素分析

影響全程硝化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的短程硝化系統(tǒng)的因素較多[9]，但一些影響因素并沒有對(duì)本實(shí)驗(yàn)起直接的促進(jìn)作用。本試驗(yàn)中成功啟動(dòng)短程硝化的因素主要有溫度，溶解氧，污泥濃度等。

①溫度

SHARON工藝是第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)短程硝化和反硝化技術(shù)并成功應(yīng)用的工藝[10],它認(rèn)為短程硝化反硝化工藝是在35℃的條件下運(yùn)行[11]。從比增長(zhǎng)速率的角度考慮，只有在溫度高于25℃時(shí)，氨氧化菌在與亞硝酸鹽氧化菌的競(jìng)爭(zhēng)中才能勝出[12]。國內(nèi)學(xué)者王淑瑩等[13-14]通過控制水溫（在30～32℃之間）成功實(shí)現(xiàn)了SCND工藝，較系統(tǒng)地分析了溫度變化對(duì)SCND的影響。結(jié)果表明，水溫保持在30℃時(shí)水中氨氮的轉(zhuǎn)化類型為短程硝化過程；當(dāng)水溫在20.5～24.5℃時(shí)，硝化類型由短程硝化轉(zhuǎn)化為全程硝化；隨著溫度再次升高，硝化類型又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛滔趸划?dāng)溫度達(dá)到29～30℃時(shí)，硝化反應(yīng)為穩(wěn)定的亞硝酸型硝化。本試驗(yàn)期間溫度在25～30℃左右，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積。從圖4，圖5可知溫度對(duì)氨氮的去除過程有比較大的影響，竟而影響總氮的去除率，所以要想使試驗(yàn)取得比較好的效果，溫度必須控制溫度在25℃以上。

②溶解氧

Laanbroek等[15]的研究表明，由于亞硝化細(xì)菌對(duì)DO的親和力和耗氧速率均較硝化細(xì)菌強(qiáng)，因此在低DO濃度條件下，系統(tǒng)中硝酸菌被淘汰，亞硝酸鹽將發(fā)生大量積累。試驗(yàn)開始階段，系統(tǒng)中的D0控制在0.5mg/L以下，并且pH在8.0左右，亞硝酸鹽發(fā)生了大量累積，但是在10月份，由于溫度的降低，試驗(yàn)調(diào)節(jié)溶解氧在1.0～2.0mg/L，系統(tǒng)并沒沒有向全程硝化反硝化轉(zhuǎn)化，這說明在實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的累積并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，只要維持較高的pH和氨氮濃度的情況下，可以適當(dāng)通過提高溶解氧來提高氨氮的去除率。

3.結(jié)論

（1）在試驗(yàn)開始階段，通過嚴(yán)格控制溶解氧和pH，實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽氮的累積，亞硝酸鹽氮的積累率可達(dá)到85%。

（2）在實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮累積后，可以通過外加甲醇，使總氮去除。

（3）要想獲得穩(wěn)定的亞硝酸積累和較高的氨氮去除率，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)的溫度。但是，一般生活的溫度都很低，升高溫度勢(shì)必會(huì)增加成本，因此如何低溫下短程硝化反硝化有待以后的進(jìn)一步研究。

（4）在實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積后，在維持系統(tǒng)較高的pH和氨氮濃度的情況下，可以適當(dāng)通過提高溶解氧，來提高總氮的去除率。