周永莉，左椒蘭，李 娟，蘇子杰，徐明俊，付四立

（華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

短程硝化－反硝化 （short－cut nitrification and denitrification，SND）主要通過氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化菌在生理特性方面的差異實(shí)現(xiàn)控制。由于短程硝化－反硝化的核心是氨氧化菌的富集，因此研究的重點(diǎn)就在于如何實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

游離氨和低氧可以保證短程硝化反硝化的順利進(jìn)行［1］，這便是常常提到的pH值和進(jìn)水氨氮濃度控制方法，其中游離氨控制方法，被證實(shí)能較有效地實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽積累［2］。影響亞硝酸鹽積累的因素較多，如溫度、溶解氧（DO）、pH值、進(jìn)水的氨氮濃度、污泥齡以及游離羥基濃度等?，F(xiàn)有的研究大都認(rèn)為亞硝酸鹽的積累是短程硝化－反硝化實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志，但如果有足夠的缺氧區(qū)，反硝化效果好，加之亞硝酸鹽的反硝化速率快，那么亞硝酸鹽的累積就無法表現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)短程硝化－反硝化就沒有必要一味追求“表觀的亞硝酸鹽積累”。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

氧化溝裝置（見圖1）由PVC材料制成，有效容積為25L，通過曝氣來保持一定體積的好氧區(qū)和缺氧區(qū)；過渡池采用豎流式沉淀池，有效容積為9.5L；沉淀池采用輻流式沉淀池，有效容積為11L。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水全部進(jìn)入缺氧區(qū)，同時回流污泥也進(jìn)入缺氧區(qū)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)水和回流污泥均采用蠕動泵控制；氧化溝內(nèi)置2臺推流泵，并在轉(zhuǎn)角處放置曝氣頭；反應(yīng)器出水流入過渡池，過渡池上清液流入沉淀池，下部沉淀物用作回流污泥，蠕動泵從過渡池抽取污泥。

圖1 氧化溝工藝實(shí)驗(yàn)裝置

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)用水及污泥

采用某食堂廢水作為實(shí)驗(yàn)用水，并在污水中投加碳酸氫銨作為氮源，磷酸氫二鉀作為磷源。該實(shí)驗(yàn)用水屬于低碳氮比值（C／N）污水，平均C／N僅為3.23。每日水質(zhì)范圍如表1所示。表1中：ρ為質(zhì)量濃度；NH＋－N為氨氮；TN為總氮；TP為總磷；COD為化學(xué)需氧量。實(shí)驗(yàn)接種污泥來自武漢市龍王嘴污水廠。

表1 原水水質(zhì)

2.2 分析方法

實(shí)驗(yàn)測試用的主要方法和儀器如表2所示。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水樣取自原水箱，出水水樣取自沉淀池上清液，檢測次數(shù)為啟動后的運(yùn)行天數(shù)（每天檢測1次）。

表2 水質(zhì)指標(biāo)及檢測方法

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分2個階段：反應(yīng)器在階段Ⅰ接種好氧污泥，并控制好氧區(qū)平均DO從5.81mg／L逐漸降至1.0 mg／L以下，目的是讓好氧污泥逐漸適應(yīng)水質(zhì)及低DO環(huán)境；階段Ⅱ接種缺氧污泥，并控制好氧區(qū)DO平均在0.2～0.4mg／L，目的是啟動低氧脫氮過程。反應(yīng)器內(nèi)水溫通過溫控裝置控制在（24±1）℃，通過二沉池排泥，控制污泥停留時間（SRT）在20d左右，反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮固體濃度（MLSS）為（2 200±500）mg／L。反應(yīng)器啟動運(yùn)行參數(shù)如表3所示，表中HRT為水力停留時間，AHRT為實(shí)際水力停留時間。

表3 反應(yīng)器啟動模式及相關(guān)參數(shù)

污水中有氧化還原反應(yīng)，有好氧供氧關(guān)系，所以DO、氧化還原電位（ORP）、pH的變化規(guī)律可以間接反映污水處理過程，它們可以用作控制參數(shù)［3］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器有較好的脫氮效果，第16天穩(wěn)定后，脫氮率一直為70%以上，pH、ORP、DO的變化規(guī)律相似，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果相同，表明了各參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中的指示作用。圖2曲線顯示，溶解氧較高時，異氧菌占優(yōu)勢，而后期好氧區(qū)穩(wěn)定較低的溶解氧是SND實(shí)現(xiàn)的條件，也是標(biāo)志之一。由于餐飲廢水呈酸性，本實(shí)驗(yàn)前3天加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH值（調(diào)整至大于7，以便淘汰磷酸鹽菌（NOB）［4］之后，指示硝化結(jié)束的特征點(diǎn)“氨谷”［5－6］和硝酸鹽峰交替出現(xiàn)，出現(xiàn)硝酸鹽峰和亞硝酸鹽峰 ，經(jīng)過較大波動后（可能是亞硝酸鹽反應(yīng)速度快于硝酸鹽反硝化速度的原因，pH曲線斜率增加所致），pH值穩(wěn)定下來，并一直保持7.0～8.0之間，說明SND實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，系統(tǒng)中還有少量硝酸鹽存留，是由回流污泥帶來，所以不存在硝酸鹽弓，SND消耗和產(chǎn)生堿度，pH值就能一直保持穩(wěn)定［7］。

從圖3中曲線趨勢可以看出，好氧區(qū)ORP與缺氧區(qū)ORP變化趨勢一致，前期好氧區(qū)、缺氧區(qū)ORP和pH值凹凸點(diǎn)相關(guān)，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好，ORP的反應(yīng)較pH值稍前；反應(yīng)后期，ORP（穩(wěn)定在60mV左右，此處指好氧區(qū)的平均值）指示SND實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，在這個過程中，原水進(jìn)水水質(zhì)較穩(wěn)定，有機(jī)物含量變化不大，溶解氧穩(wěn)定 ，系統(tǒng)SND實(shí)現(xiàn)后，ORP一直穩(wěn)定，和其他反應(yīng)器中的結(jié)果一樣［8］。

圖2 pH和DO變化規(guī)律

圖3 pH和ORP變化規(guī)律

對反應(yīng)后期的ORP和DO（穩(wěn)定在0.2～0.4mg／L）進(jìn)行線性分析，求得相關(guān)性曲線ORP＝58.498Ln（DO）＋152.08，相關(guān)性系數(shù)R2＝0.9079。ORP與DO表現(xiàn)了很好的相關(guān)性（和傳統(tǒng)的脫氮模式相似［9］），同時也說明，溶解氧或ORP的控制有一致性［10］。

圖4 COD去除量與TN去除量比

圖4為COD去除量與TN去除量之間的關(guān)系圖?？梢钥闯?，第16天C／N值開始穩(wěn)定，21天的突躍點(diǎn)為曝氣頭被堵時的狀況，COD去除量與TN去除量之比平均值為1.70，與之前研究相同［11］，比常規(guī)SND的去除1kg TN所需要的2.86kg COD的值要低［12］，以此認(rèn)為，氧化溝內(nèi)發(fā)生了短程SND現(xiàn)象。氧化溝具有較好的實(shí)現(xiàn)同步硝化－反硝化的條件［13－14］，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直接將氧化溝溶解氧控制在較低水平可得到相同的結(jié)論。

4 結(jié)論

（1）短程SND技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以通過ORP、DO、pH、C／N來指示，四者均穩(wěn)定，說明SND技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而碳氮比值說明該工藝為短程脫氮。

（2）ORP穩(wěn)定在60mV附近，溶解氧穩(wěn)定在0.2～0.4之間，兩者具有良好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.907 9。

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［1］Chung J，Bae W.Nitrite reduction by a mixed culture under conditions relevant to shortcut biological removal［J］.Biodegradation，2002（13）：163－170.

［2］支霞輝，黃霞，李朋.污水短程脫氮工藝中亞硝酸鹽積累的影響因素［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2009，29（5）：486－492.

［3］高景峰，彭永臻，王淑瑩 .SBR法反硝化模糊控制參數(shù)pH和ORP的變化規(guī)律［J］.環(huán)境科學(xué)，2002，23（1）：39－44.

［4］蘇子杰，左椒蘭，康建雄.短程生物脫氮技術(shù)研究進(jìn)展［J］.水處理技術(shù)，2011（10）：15－20.

［5］Chang C H，Hao O J.Sequencing batch reactor system for nutrient removal： ORP and pH profiles ［J］. Journal of Chemical＆Biotechnology，1996，67（1）：27－38.

［6］Ai－Ghusain I A，Hao O J.Use of pH as control parameter for aerobic／anaerobic sludge digestion［J］.Journal of Environ Engineer ASCE，1995，121（3）：225－235.

［7］高景峰，彭永臻，王淑瑩.以pH作為SBR法硝化過程模糊控制參數(shù)的基礎(chǔ)研究［J］.應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2003，9（5）：549－553.

［8］史旭東，榮宏偉，張朝升.pH對SBBR工藝亞硝酸型SND及過程控制的影響［J］.環(huán)境工程，2011，29（4）：61－66.

［9］高景峰，彭永臻，王淑瑩.以DO、ORP、pH控制SBR法的脫氮過程［J］.中國給水排水，2001，17（4）：6－11.

［10］汪慧貞，陳鵬，李彩斌.CAST工藝中曝氣控制的研究［J］.給水排水，2008，34（2）：56－59.

［11］周少奇.生物脫氮的生化反應(yīng)計(jì)量學(xué)關(guān)系式［J］.華南理工學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，26（3）：124－126.

［12］張忠祥，錢易.廢水生物處理新技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［13］高廷耀，周增炎，朱曉君.生物脫氮工藝中的同步硝化反硝化現(xiàn)象［J］.城市給排水，1998，24（12）：6－9.

［14］劉艷臣.Carrousel氧化溝單溝脫氮優(yōu)化條件及其控制策略研究：［D］.北京：清華大學(xué)，2008.