劉 宏 彭永臻 盧炯元 南彥斌 曾立云 陳永志#

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

間歇曝氣比在短程硝化中對(duì)硝化活性的影響*

劉 宏1彭永臻2盧炯元1南彥斌1曾立云1陳永志1#

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

采用序批式間歇反應(yīng)器(SBR)處理生活污水，溫度控制在(25.0±0.5) ℃，研究好氧曝氣與缺氧攪拌時(shí)間比(間歇曝氣比)分別為30 min∶30 min(A模式)和40 min∶20 min(B模式)對(duì)亞硝酸鹽氮積累、污泥性能參數(shù)、反應(yīng)速率(比氨氮氧化速率、比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率、比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率)、氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)活性的影響。A模式下運(yùn)行64個(gè)周期時(shí)，出水亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為19.04 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達(dá)99.21%；B模式下運(yùn)行75個(gè)周期時(shí)，出水亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為19.42 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達(dá)95.47%；研究表明缺氧時(shí)間所占比例越大越有利于短程硝化的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)短程硝化過(guò)程中，A模式在38個(gè)周期之后AOB活性超過(guò)NOB活性；B模式在34個(gè)周期之后AOB活性超過(guò)NOB活性。

間歇曝氣比 短程硝化 AOB和NOB活性 序批式間歇反應(yīng)器

短程硝化—厭氧氨氧化工藝由于其耗能低、無(wú)需投加額外碳源及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所廣泛研究[1-2]，實(shí)現(xiàn)短程硝化是該工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，氨氧化菌(AOB)和硝酸鹽氧化菌(NOB)在生理特性機(jī)制及動(dòng)力學(xué)方面都存在著明顯的差異，利用這種差異可以實(shí)現(xiàn)菌種的篩選[3],[4]85,[5]。通過(guò)控制DO、游離氨、溫度、pH及污泥停留時(shí)間等因素都可以實(shí)現(xiàn)短程硝化[6-7]，但是這些參數(shù)的控制相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)也制約著實(shí)際工程的應(yīng)用。有研究表明，相對(duì)于連續(xù)曝氣而言，間歇曝氣可以更好地利用菌種之間的生理差異，促進(jìn)短程硝化的實(shí)現(xiàn)[8]。間歇曝氣可以實(shí)現(xiàn)好氧/缺氧快速交替，有利于AOB的富集和活性表達(dá)，而NOB的生長(zhǎng)和活性受到抑制[9]。好氧曝氣與缺氧攪拌時(shí)間比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)間歇曝氣比)是影響短程硝化的重要因素，延長(zhǎng)好氧時(shí)間有利于COD 去除和硝化反應(yīng)進(jìn)行，而延長(zhǎng)缺氧攪拌時(shí)間可以抑制NOB 的活性，實(shí)現(xiàn)亞硝化的穩(wěn)定運(yùn)行[10-11]，但最佳間歇曝氣比對(duì)短程硝化的穩(wěn)定和硝化活性(AOB、NOB活性)的影響研究較少見(jiàn)。本研究采用序批式間歇反應(yīng)器(SBR)，研究了不同的間歇曝氣比對(duì)于氨氮的去除效果、亞硝酸鹽氮的積累、污泥性能、反應(yīng)速率及同步硝化反硝化率、AOB和NOB活性變化的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

SBR實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。SBR(2個(gè)，A、B模式各用1個(gè))采用有機(jī)玻璃柱制成，直徑15 cm，高40 cm，有效容積5 L。其側(cè)壁設(shè)有取樣口，采用攪拌器攪拌，利用時(shí)間控制器實(shí)現(xiàn)間歇曝氣。

1—曝氣泵；2—?dú)怏w流量計(jì)；3—攪拌器；4—曝氣頭；5—排泥口；6—取樣口圖1 SBR實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of SBR process

1.2 接種污泥

接種污泥取自穩(wěn)定運(yùn)行反應(yīng)器中全程硝化污泥，污泥混合液懸浮固體質(zhì)量濃度約為3 000.00 mg/L，污泥混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度占污泥混合液懸浮固體濃度的比值(f值)分別為0.67(A模式)和0.65(B模式)，污泥具有良好的脫氮性能。

1.3 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)及檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)用水取自蘭州交通大學(xué)家屬區(qū)生活污水，其水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

取100 mL污泥混合液置于量筒中，靜止30 min，測(cè)定污泥沉降比。從反應(yīng)器中取100 mL污泥混合液，用定量濾紙過(guò)濾，濾紙殘余物在105 ℃的烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，冷卻后測(cè)量污泥混合液懸浮固體濃度。然后在600 ℃的馬弗爐內(nèi)烘至恒質(zhì)量，冷卻后測(cè)量污泥混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度。水樣經(jīng)濾紙過(guò)濾后根據(jù)文獻(xiàn)[12]測(cè)定COD、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度。

1.4 運(yùn)行模式

兩種模式(A、B模式)下溫度均控制在(25.0±0.5) ℃，進(jìn)出水瞬時(shí)完成，曝氣量為80 L/h，排水量為有效容積的75%；A模式間歇曝氣比為30 min∶30 min，間歇曝氣時(shí)間比為1，運(yùn)行4次后，接著進(jìn)行30 min的好氧曝氣，曝氣結(jié)束后污泥進(jìn)行30 min靜止沉降，然后進(jìn)行排水，單周期總時(shí)間為300 min。B模式間歇曝氣比為40 min∶20 min，間歇曝氣時(shí)間比為2，運(yùn)行2次后，接著進(jìn)行40 min的好氧曝氣，曝氣結(jié)束后污泥進(jìn)行30 min靜止沉降，然后進(jìn)行排水，單周期總時(shí)間為190 min。

1.5 計(jì)算方法

氨氮去除率、亞硝酸鹽氮積累率、硝酸鹽氮積累率、比氨氮氧化速率、比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率和比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率的計(jì)算參考文獻(xiàn)[13]的公式進(jìn)行。

AOB和NOB活性計(jì)算參考文獻(xiàn)[14]，計(jì)算方法如下：

ηAOB=Sn/Sm×100%

(1)

ηNOB=Pn/Pm×100%

(2)

式中：ηAOB為AOB活性，%；Sn為第n個(gè)周期曝氣結(jié)束時(shí)比氨氮氧化速率，d-1；Sm為整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段比氨氮氧化速率的平均值，d-1；ηNOB為NOB活性，%；Pn為第n個(gè)周期曝氣結(jié)束時(shí)比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率，d-1；Pm為整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率的平均值，d-1。

[15]提出的同步硝化反硝化率計(jì)算方法，并忽略反應(yīng)過(guò)程微生物的同化作用和細(xì)胞死亡的影響，同步硝化反硝化率計(jì)算公式如下：

C=(1—c1/c2)×100%

(3)

式中：C為同步硝化反硝化率，%；c1為曝氣前后亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的增加量之和，mg/L；c2為系統(tǒng)曝氣前后氨氮的減少量，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同間歇曝氣比條件下氨氮的去除特性

圖2、圖3分別為兩種模式下間歇曝氣比對(duì)氨氮的去除特性，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度維持在50.00～80.00 mg/L，出水質(zhì)量濃度分別在35、42個(gè)周期之后基本達(dá)到5.00 mg/L以下，氨氮去除率穩(wěn)定在95.00%左右，滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，未因間歇曝氣比的影響而變化；但A、B模式單周期總的曝氣時(shí)間分別為150、120 min，這是由于A模式的缺氧時(shí)間相對(duì)B模式較長(zhǎng)，AOB的增長(zhǎng)速率較緩慢，氨氮不能及時(shí)被氧化，使得所需的曝氣時(shí)間較長(zhǎng)。蔣軼鋒等[4]89研究結(jié)果表明間歇曝氣相對(duì)于連續(xù)曝氣可以增加AOB的產(chǎn)率系數(shù)并降低其衰減系數(shù)，可以達(dá)到更好的氨氮去除效果。

圖2 A模式下間歇曝氣比對(duì)氨氮的去除特性Fig.2 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode A

圖3 B模式下間歇曝氣比對(duì)氨氮的去除特性Fig.3 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode B

2.2 不同間歇曝氣比對(duì)亞硝酸鹽氮積累的影響

圖4、圖5為不同間歇曝氣比對(duì)亞硝酸鹽氮積累的影響。由于污泥屬于全程硝化污泥，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，A、B模式下亞硝酸鹽氮積累率基本為零，出水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別高達(dá)21.81、28.47 mg/L。隨著間歇曝氣的進(jìn)行，A、B模式分別在39、33個(gè)周期后，亞硝酸鹽氮積累率基本穩(wěn)定在50.00%以上，一般認(rèn)為，亞硝酸鹽氮積累率達(dá)到50.00%以上即實(shí)現(xiàn)了短程硝化[16]，此時(shí)出水亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為7.37、11.81 mg/L，兩種條件下均實(shí)現(xiàn)了短程硝化；但由于A模式缺氧時(shí)間較長(zhǎng)，反硝化得以充分進(jìn)行，使得A模式出水亞硝酸鹽氮濃度較低。A、B兩種模式下分別運(yùn)行到64、75個(gè)周期時(shí)，出水硝酸鹽氮基本接近于零，亞硝酸鹽氮出水質(zhì)量濃度分別為19.04、19.42 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達(dá)99.21%、95.47%。分析原因：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，間歇曝氣模式使得DO在時(shí)間和空間上發(fā)生變化，而NOB不具備“飽食饑餓”特性，活性逐漸受到抑制；而A模式缺氧時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)NOB的抑制程度較高；因此在一定的間歇曝氣比范圍內(nèi)，缺氧時(shí)間所占的比例越大越有利于亞硝酸鹽氮的積累，此現(xiàn)象與蘇東霞等[17]1154的研究結(jié)果一致。高春娣等[18]119采用間歇曝氣比為30 min∶60 min和30 min∶30 min，控制總間歇曝氣時(shí)間分別為270、240 min，亞硝酸鹽氮積累率均達(dá)到90.00%以上。劉洪濤[19]采用間歇曝氣比為30 min∶30 min，總間歇曝氣時(shí)間控制在360 min，亞硝酸鹽氮積累率為91.20%。很多學(xué)者對(duì)不同間歇曝氣比的短程硝化效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，間歇曝氣時(shí)間比為0.55～6.16均能夠成功實(shí)現(xiàn)短程硝化[20-22]，本實(shí)驗(yàn)采用的間歇曝氣時(shí)間比也在此范圍之內(nèi)，也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化。

圖4 A模式下間歇曝氣比對(duì)亞硝酸鹽氮積累的影響Fig.4 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode A

圖5 B模式下間歇曝氣比對(duì)亞硝酸鹽氮積累的影響Fig.5 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode B

2.3 不同間歇曝氣比對(duì)污泥性能參數(shù)的影響

在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中污泥具有良好的活性，這就保證了在反應(yīng)過(guò)程中氨氮具有較高的去除率。圖6為A、B模式下間歇曝氣比對(duì)污泥性能參數(shù)的影響，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，f值分別為0.67、0.65，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，f值基本都呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在反應(yīng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)f值穩(wěn)定在0.80和0.85左右，污泥都具有良好的活性，可見(jiàn)不同間歇曝氣比對(duì)污泥活性影響不大。SVI隨著污泥活性的提高，也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最終基本都穩(wěn)定在100.00 mL/g，污泥沒(méi)有發(fā)生膨脹；有研究表明，間歇曝氣中好氧與缺氧的交替可以抑制專(zhuān)性好氧絲狀菌的過(guò)量繁殖[23]。本實(shí)驗(yàn)中間歇曝氣可以實(shí)現(xiàn)DO的變化，能形成缺氧環(huán)境，可以很好地抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，與蘇東霞等[17]1157對(duì)控制污泥膨脹的原因分析一致。

注：SVI為污泥容積指數(shù)。圖6 間歇曝氣比對(duì)污泥性能參數(shù)的影響Fig.6 Effect of sludge performance parameters by intermittent aeration ratio

2.4 不同間歇曝氣比對(duì)反應(yīng)速率及同步硝化反硝化率的影響

比氨氮氧化速率可以表征活性污泥系統(tǒng)中好氧自養(yǎng)菌的活性狀態(tài)[24]，而比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率和比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率是污泥硝化能力及硝化活性的重要指標(biāo)。圖7、圖8為在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中間歇曝氣比對(duì)反應(yīng)速率(比氨氮氧化速率、比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率、比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率)及同步硝化反硝化率的影響。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)污泥具有良好的活性，A、B模式在反應(yīng)過(guò)程中比氨氮氧化速率均值分別維持在0.23、0.28 d-1。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率最大，分別為0.10、0.17 d-1，而比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率基本為零，此時(shí)亞硝酸鹽氮積累率接近零(見(jiàn)圖4、圖5)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率基本呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率基本呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率分別在64、75個(gè)周期時(shí)接近于零，而比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率則分別增加到0.08、0.10 d-1。

圖7 A模式下間歇曝氣比對(duì)反應(yīng)速率及同步硝化反硝化率的影響Fig.7 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate by intermittent aeration ratio in mode A

圖8 B模式下間歇曝氣比對(duì)反應(yīng)速率及同步硝化反硝化率的影響Fig.8 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate rate by intermittent aeration ratio in mode B

整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水氮濃度(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出水氮濃度，分析原因可能是由于發(fā)生了同步硝化反硝化，在間歇曝氣模式下，由于DO在裝置中分布不均勻，造成裝置微觀環(huán)境中存在好氧和缺氧微環(huán)境并存，為同步硝化反硝化提供了反應(yīng)條件；在兩種間歇曝氣比下，同步硝化反硝化率均基本達(dá)到60.00%左右。從而減少了系統(tǒng)中的亞硝酸鹽氮的積累，使得亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度維持在20.00 mg/L左右，因此，同步硝化反硝化是導(dǎo)致氮損失的主要原因。

2.5 AOB、NOB活性變化

圖9、圖10分別為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，A、B模式下AOB和NOB活性的變化。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，由于污泥具有良好的脫氮性能，氨氮去除率較高，AOB活性都維持在100.00%左右。NOB活性隨著反應(yīng)的進(jìn)行都呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，A模式和B模式在第1個(gè)周期時(shí)NOB的活性基本為最高，分別為248.60%、320.92%，此時(shí)亞硝酸鹽氮積累率基本為零(見(jiàn)圖4、圖5)；兩種模式分別在第38個(gè)、第34個(gè)周期之后，AOB活性超過(guò)NOB活性，AOB成為優(yōu)勢(shì)菌種，之后NOB活性基本呈遞減趨勢(shì)，A模式在64個(gè)周期時(shí)NOB活性基本被完全抑制，而B(niǎo)模式則在75個(gè)周期時(shí)NOB活性基本被完全抑制。通過(guò)不同模式的間歇曝氣，可以很好地抑制NOB活性，而AOB具有“飽食饑餓”特性，可以保持穩(wěn)定的活性。兩種間歇曝氣比下，AOB和NOB活性的變化趨勢(shì)基本沒(méi)有較大的差異，只是運(yùn)行周期不同，但間歇曝氣比是否會(huì)對(duì)菌種有影響，還有待進(jìn)一步進(jìn)行分子生物學(xué)探究。有研究表明[18]120，在交替運(yùn)行模式中反復(fù)出現(xiàn)缺氧條件會(huì)抑制NOB 生長(zhǎng)，并且這種抑制作用與缺氧時(shí)間成正比，但是對(duì)AOB 的活性基本沒(méi)有影響，只是增長(zhǎng)速率受到了短暫的限制。

圖9 A模式下AOB和NOB活性的變化Fig.9 Changes of AOB and NOB activity in mode A

圖10 B模式下AOB和NOB活性的變化Fig.10 Changes of AOB and NOB activity in mode B

3 結(jié) 論

(1) 間歇曝氣可以實(shí)現(xiàn)短程硝化，間歇曝氣比越小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定短程硝化的周期越短。

(2) 間歇曝氣模式可以實(shí)現(xiàn)好氧/缺氧的交替，在一定的間歇曝氣比范圍內(nèi)，由于AOB具有 “飽食饑餓”的特性，而NOB不具備這種特性，所以AOB活性維持穩(wěn)定而NOB活性持續(xù)下降；間歇曝氣時(shí)間比越小，NOB活性被抑制所需周期越短。

(3) 在間歇曝氣模式下，由于DO分布不均勻?qū)е潞醚跷h(huán)境和缺氧微環(huán)境并存，為同步硝化反硝化提供了條件。

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Effectoftheratioofintermittentaerationonactivityofnitrifyingbacteriainshortcutnitrification

LIUHong1,PENGYongzhen2,LUJiongyuan1,NANYanbin1,ZENGLiyun1,CHENYongzhi1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，LanzhouGansu730070;2.NationalEngineeringLaboratoryofUrbanSewageAdvancedTreatmentandResourceUtilizationTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)

Under the condition of temperature of (25.0±0.5) ℃,real domestic sewage was treated with sequencing batch reactors (SBR),ratios of aerobic and anoxic (the ratio of intermittent aeration) were 30 min∶30 min (mode A) and 40 min∶20 min (mode B), and its effects on the stability of nitrite nitrogen accumulation,sludge performance parameters,the rates of reaction (ammonia oxidation rate,nitrate nitrogen production rate,nitrite nitrogen production rate) and activity of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) were investigated. After working 64 cycles under mode A,the effluent of nitrite nitrogen was 19.04 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was up to 99.21%. After working 75 cycles under mode B,the effluent of nitrite nitrogen was 19.42 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was 95.47%. The results show that the longer the anoxic time，the more beneficial to the realization of shortcut nitrification. During the shortcut nitrification,activity of AOB exceeds NOB after 38 cycles for mode A and after 34 cycles for mode B.

the ratio of intermittent aeration; shortcut nitrification; activity of AOB and NOB; SBR

劉 宏， 男，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂评碚撆c技術(shù)。#

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51668033)；甘肅省高等學(xué)校特色專(zhuān)業(yè)(No.101004)；蘭州交通大學(xué)教改重點(diǎn)項(xiàng)目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.007

2017-03-07)