低氧條件下反硝化氨氧化工藝污染物去除機理

劉平波，喻慶，杜勝藍，陳玉龍，杜平

(1.中國城市建設研究院有限公司湖北分院，湖北 武漢 430040；

2.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統是一種具有良好應用前景的污水處理新技術。有研究表明在低氧氨氧化過程中，能夠直接以亞硝酸鹽為電子受體，微生物在N2O 的存在下將氨氮轉化為氮氣并且無需外加的有機碳源，不僅可以節約60%的曝氣量而且還能減少90%的剩余污泥產量[1]。根據低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統研究現狀可知，目前主要是從工藝條件著手，探索低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統操作運行條件和污染物去除效率[2]。本實驗重點探究低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統的性能及機理，初步闡述低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統的運行方法。通過對污水廠的內部曝氣改造將傳統污水處理工藝改造成低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統，將掌握低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統工藝核心設計參數，有利于該工程的實際應用、推廣與運行維護。因此該工藝在實際工程中擁有較大的應用潛力。

1 材料和方法

本實驗用兩種方法進行對比，裝置如圖1，有效容積為3 L，反應器為SBR 反應器，為了使其恒溫運行和充分混合，于是利用恒溫水浴系統和恒速攪拌系統，將反應器內溫度控制在25 ℃，并設置其轉速為175 r/min，換水比例50%，R1 在時間跨度上運用A2O工藝，好氧段：缺氧段：厭氧段時間比為1∶1∶2，具體的流程見相關研究。R2 在全程低氧情況下進行反硝化氨氧化，技術參數如表1 所示。

圖1 反應裝置

1.1 運行參數

本實驗R1 在時間跨度上采用傳統的A2O，將好氧段、缺氧段的溶氧量分別控制在7.5～7.8 mg/L，0.2～0.8 mg/L，為了滿足厭氧，則厭氧段的溶氧量必須控制在0.2 mg/L 以下；R2 為了達到低氧條件，將其溶氧量控制在0.4～0.8 mg/L。R1、R2 具體運行方式如表2 所示。

表2 相關運行條件

1.2 分析方法

水質指標均采用國標測試方法，COD 采用快速消解分光光度法測定，NO4+-N 采用納氏試劑分光光度法測定，NO2--N 采用 N-1(1-萘基)-乙二胺光度法測定，NO3--N 采用麝香草酚分光光度法測定[3]，TN 為過硫酸鉀—紫外分光光度法，TP 為分光光度法[4]，pH 值采用雷磁PHS-3C pH 計測定。

2 結果和討論

2.1 常規污染物去除

分別對A2O 工藝和反硝化氨氧化污泥系統工藝進行測定，其對COD、TN 及TP 的去除效果如表3 所示。

表3 污染物處理效果

根據表3 可知，兩種工藝運行后R1 出水COD略大于50 mg/L，但R2 出水COD 小于50 mg/L，達到了城鎮污水處理廠污染物排放1 級A 排放標準[4]，并且綜合比對TN 和TP 的去除，可以發現R2 運行的工藝對污染的去除優于R1。

研究表明TN 及TP 濃度過高，將大量消耗水體中的DO，A2O 工藝脫氮除磷過程中所需的DO 不足，導致污染物的處理效果不佳[4]。并且實驗中模擬城鎮廢水，導致COD 的去除效果較差。本次實驗的進水COD 為180 mg/L，C/N 為3，屬于低碳氮廢水，COD濃度較低時，導致活性污泥中可用來生長繁殖的物質較少，微生物的活性受到抑制，并且由于COD 濃度較低以及COD/TN 較低，A2O 工藝脫氮除磷過程中所需的碳源不足，將導致脫氮除磷的處理效果不佳[4]，導致R1 對同等廢水中污染物的去除率明顯劣于R2。

R2 在低氧的條件下，活性污泥中的微生物能夠利用污水中的有機物，其中反硝化異養菌能利用COD 獲取能量從而將NO3-還原為NO2-；AOB 也能夠將污水中的氨氮氧化為NO2-，最終利用過量存在的NH4+，完成部分厭氧氨氧化，并在系統中同時還存在反硝化過程，將一部分硝氮和亞硝氮轉化為氮氣，反硝化和氨氧化共存并協同提高脫氮效率，達90.53%，與傳統脫氮技術相比，提高了脫氮效率，節約了碳源和曝氣能量，減少了污泥產量。相比較而言反硝化氨氧化污泥系統工藝在低氧情況下依然能穩定運行且對低C/N 廢水依然具有較好的處理效果。

2.2 脫氮機理分析

R1 和R2 脫氮動力學如圖2 所示。

圖2 脫氮動力學

R1 的好氧段：0～1 h；缺氧段：1～2 h；厭氧段：2～4 h，以此為周期循環。首先進入好氧段，由曝氣裝置提供氧氣，在AOB 以及NOB 兩種細菌的作用下氧化氨氮以及亞硝酸鹽產生大量的硝酸鹽，從而降低氨氮以及亞硝酸鹽的含量，所以氨態氮以及亞硝態氮迅速下降；進入缺氧段后，在整個過程中氨氧化率和亞硝化率均呈現上升趨勢[3]，是由于硝酸還原菌、亞硝酸還原菌以及反硝化聚磷菌等其能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體進行缺氧生長[2]，所以導致氨氮下降變緩，亞硝氮甚至有少許上升。而厭氧段中，只進行反硝化作用，反硝化細菌迅速產生硝酸還原酶以及亞硝酸還原酶還原硝態氮，使NO3--N 濃度迅速下降。R1 通過上述過程實現穩定脫氮。

R2 中對曝氣方式進行改造，改用微孔曝氣，處于低氧環境，系統中硝氮的下降速度最快，亞硝氮的下降速度最慢，但都在持續快速穩定下降，說明該系統中同時存在氨氧化作用、硝化作用以及反硝化作用，即處于低氧條件下的同步硝化反硝化階段[5]，該厭氧氨氧化綜合了部分脫氮(NO3-N →NO2-N)和厭氧氨氧化(NH4+-N + NO2-N →N2)[6]。這一過程是硝酸鹽呼吸的兩種途徑之一，另一種途徑是氨氧化，即硝酸異化還原成銨鹽[2]。這種耦合工藝能夠有效處理高硝酸鹽廢水和城市生活污水，不僅操作簡單，還能減少50% 曝氣能耗、80% 有機物需求，脫氮效率高，污泥產量低[7]，通過調整適宜碳源投加量、碳源類型、運行溶解氧、排泥周期對工藝進行運行調試，使出水TN控制在10 mg/L 以下。

2.3 工藝比較

在低氧條件下運行反硝化氨氧化工藝具有諸多具有許多優點，例如，不需要額外的外加碳源、工藝運行占地面積小、脫氮負荷高、需要提供的氧氣低、運行成本低等[8-10]，其根本原因是在溶解氧濃度較低的環境中發生短程反硝化，硝化細菌的活性得到抑制，控制溶解氧的濃度從而控制以NO2-為終產物，不發生進一步的還原，有研究表明β-變形菌綱中的陶厄氏菌(Thauera)在其中起主要作用[7]，與傳統的的脫氮工藝相比，短程反硝化的外加碳源減少，降低了溫室氣體的排放，特別是N2O 和CO2的排放，并且其反應速率也更高[9]。短程反硝化產生的NO2-可作為厭氧氨氧化反應的底物參與下一步反應[11],即式(1)：

目前短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝已在廢水的深度脫氮處理中運用并取得了一定的成效[12]。

通過兩種工藝運行結果的對比，經過改造后的反硝化氨氧化污泥系統工藝處理污水的效果更加好，不僅出水水質好，而且R2 是在低氧條件下運行，相比于傳統工藝，可以節省約50%的能耗，減少運行成本[13]，有研究表明傳統硝化反硝化工藝理論上去除1 mol的 NH4+-N 需要消耗1.9 mol 的O2，而反硝化氨氧化工藝僅需消耗0.8 mol 的O2[14]。因此，反硝化氨氧化工藝相較于傳統工藝極大程度的降低在曝氣方面的能耗[15]。且相比于傳統的A2O 工藝，不需要特定的運行周期，反應時間更加短，速率更快，水力停留時間短，非常適合大型污水處理廠，節約運行成本。

3 結語

通過本小試實驗，通過對污水廠的內部曝氣改造后的反硝化氨氧化污泥系統工藝和傳統A2O 的對比，低氧反硝化氨氧化污泥系統工藝，在含氧量較低的情況下，厭氧氨氧化工藝能夠直接利用亞硝酸鹽以及氨氮，通過兩者反應產生氮氣，從而降低污水中的TN 含量，且該過程無需有機碳源，在曝氣方面可節約60%的能耗，并且極大的減少的剩余污泥產量，從而降低在處理剩余方面的成本投入，不管是從出水水質還是能耗方面，反硝化氨氧化污泥系統工藝都具有更優良的效果。

但對于不同廢水中NH4+、NO3-和有機C 源濃度不同，因此，為了獲得該工藝穩定的性能和更高的N去除效率，同時提高微生物豐度，應適當優化操作條件，包括進水NH4+和NO3-負荷，以及C 源的類型和劑量，此外溫度作為影響反硝化氨氧化污泥系統的一個重要因素，馴化在低溫條件下具有穩定優良去除效果的反硝化氨氧化系統亦是未來的重點。