劉平波，喻慶，杜勝藍(lán)，陳玉龍，杜平

(1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司湖北分院，湖北 武漢 430040；

2.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)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(tǒng)是一種具有良好應(yīng)用前景的污水處理新技術(shù)。有研究表明在低氧氨氧化過(guò)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(zhuǎn)化為氮?dú)獠⑶覠o(wú)需外加的有機(jī)碳源，不僅可以節(jié)約60%的曝氣量而且還能減少90%的剩余污泥產(chǎn)量[1]。根據(jù)低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統(tǒng)研究現(xiàn)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(tǒng)操作運(yùn)行條件和污染物去除效率[2]。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探究低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統(tǒng)的性能及機(jī)理，初步闡述低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行方法。通過(guò)對(duì)污水廠的內(nèi)部曝氣改造將傳統(tǒng)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(tǒng)，將掌握低氧條件下反硝化氨氧化活性污泥系統(tǒng)工藝核心設(shè)計(jì)參數(shù)，有利于該工程的實(shí)際應(yīng)用、推廣與運(yùn)行維護(hù)。因此該工藝在實(shí)際工程中擁有較大的應(yīng)用潛力。

1 材料和方法

本實(shí)驗(yàn)用兩種方法進(jìn)行對(duì)比，裝置如圖1，有效容積為3 L，反應(yīng)器為SBR 反應(yīng)器，為了使其恒溫運(yùn)行和充分混合，于是利用恒溫水浴系統(tǒng)和恒速攪拌系統(tǒng)，將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在25 ℃，并設(shè)置其轉(zhuǎn)速為175 r/min，換水比例50%，R1 在時(shí)間跨度上運(yùn)用A2O工藝，好氧段：缺氧段：厭氧段時(shí)間比為1∶1∶2，具體的流程見相關(guān)研究。R2 在全程低氧情況下進(jìn)行反硝化氨氧化，技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 反應(yīng)裝置

1.1 運(yùn)行參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)R1 在時(shí)間跨度上采用傳統(tǒng)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(dá)到低氧條件，將其溶氧量控制在0.4～0.8 mg/L。R1、R2 具體運(yùn)行方式如表2 所示。

表2 相關(guān)運(yùn)行條件

1.2 分析方法

水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)標(biāo)測(cè)試方法，COD 采用快速消解分光光度法測(cè)定，NO4+-N 采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，NO2--N 采用 N-1(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定，NO3--N 采用麝香草酚分光光度法測(cè)定[3]，TN 為過(guò)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(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 常規(guī)污染物去除

分別對(duì)A2O 工藝和反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)工藝進(jìn)行測(cè)定，其對(duì)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(jù)表3 可知，兩種工藝運(yùn)行后R1 出水COD略大于50 mg/L，但R2 出水COD 小于50 mg/L，達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放1 級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)[4]，并且綜合比對(duì)TN 和TP 的去除，可以發(fā)現(xiàn)R2 運(yùn)行的工藝對(duì)污染的去除優(yōu)于R1。

研究表明TN 及TP 濃度過(guò)高，將大量消耗水體中的DO，A2O 工藝脫氮除磷過(guò)程中所需的DO 不足，導(dǎo)致污染物的處理效果不佳[4]。并且實(shí)驗(yàn)中模擬城鎮(zhèn)廢水，導(dǎo)致COD 的去除效果較差。本次實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水COD 為180 mg/L，C/N 為3，屬于低碳氮廢水，COD濃度較低時(shí)，導(dǎo)致活性污泥中可用來(lái)生長(zhǎng)繁殖的物質(zhì)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(guò)程中所需的碳源不足，將導(dǎo)致脫氮除磷的處理效果不佳[4]，導(dǎo)致R1 對(duì)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(jī)物，其中反硝化異養(yǎng)菌能利用COD 獲取能量從而將NO3-還原為NO2-；AOB 也能夠?qū)⑽鬯械陌钡趸癁镹O2-，最終利用過(guò)量存在的NH4+，完成部分厭氧氨氧化，并在系統(tǒng)中同時(shí)還存在反硝化過(guò)程，將一部分硝氮和亞硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，反硝化和氨氧化共存并協(xié)同提高脫氮效率，達(dá)90.53%，與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，提高了脫氮效率，節(jié)約了碳源和曝氣能量，減少了污泥產(chǎn)量。相比較而言反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)工藝在低氧情況下依然能穩(wěn)定運(yùn)行且對(duì)低C/N 廢水依然具有較好的處理效果。

2.2 脫氮機(jī)理分析

R1 和R2 脫氮?jiǎng)恿W(xué)如圖2 所示。

圖2 脫氮?jiǎng)恿W(xué)

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(huán)。首先進(jìn)入好氧段，由曝氣裝置提供氧氣，在AOB 以及NOB 兩種細(xì)菌的作用下氧化氨氮以及亞硝酸鹽產(chǎn)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(tài)氮以及亞硝態(tài)氮迅速下降；進(jìn)入缺氧段后，在整個(gè)過(guò)程中氨氧化率和亞硝化率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[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(jìn)行缺氧生長(zhǎng)[2]，所以導(dǎo)致氨氮下降變緩，亞硝氮甚至有少許上升。而厭氧段中，只進(jìn)行反硝化作用，反硝化細(xì)菌迅速產(chǎn)生硝酸還原酶以及亞硝酸還原酶還原硝態(tài)氮，使NO3--N 濃度迅速下降。R1 通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫氮。

R2 中對(duì)曝氣方式進(jìn)行改造，改用微孔曝氣，處于低氧環(huán)境，系統(tǒng)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(xù)快速穩(wěn)定下降，說(shuō)明該系統(tǒng)中同時(shí)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(guò)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(jiǎn)單，還能減少50% 曝氣能耗、80% 有機(jī)物需求，脫氮效率高，污泥產(chǎn)量低[7]，通過(guò)調(diào)整適宜碳源投加量、碳源類型、運(yùn)行溶解氧、排泥周期對(duì)工藝進(jìn)行運(yùn)行調(diào)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(yùn)行反硝化氨氧化工藝具有諸多具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，不需要額外的外加碳源、工藝運(yùn)行占地面積小、脫氮負(fù)荷高、需要提供的氧氣低、運(yùn)行成本低等[8-10]，其根本原因是在溶解氧濃度較低的環(huán)境中發(fā)生短程反硝化，硝化細(xì)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(chǎn)物，不發(fā)生進(jìn)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(tǒng)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(yīng)速率也更高[9]。短程反硝化產(chǎn)生的NO2-可作為厭氧氨氧化反應(yīng)的底物參與下一步反應(yīng)[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(yùn)用并取得了一定的成效[12]。

通過(guò)兩種工藝運(yùn)行結(jié)果的對(duì)比，經(jīng)過(guò)改造后的反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)工藝處理污水的效果更加好，不僅出水水質(zhì)好，而且R2 是在低氧條件下運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)工藝，可以節(jié)省約50%的能耗，減少運(yùn)行成本[13]，有研究表明傳統(tǒng)硝化反硝化工藝?yán)碚撋先コ? 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(tǒng)工藝極大程度的降低在曝氣方面的能耗[15]。且相比于傳統(tǒng)的A2O 工藝，不需要特定的運(yùn)行周期，反應(yīng)時(shí)間更加短，速率更快，水力停留時(shí)間短，非常適合大型污水處理廠，節(jié)約運(yùn)行成本。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本小試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)污水廠的內(nèi)部曝氣改造后的反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)工藝和傳統(tǒng)A2O 的對(duì)比，低氧反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)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(guò)兩者反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?，從而降低污水中的TN 含量，且該過(guò)程無(wú)需有機(jī)碳源，在曝氣方面可節(jié)約60%的能耗，并且極大的減少的剩余污泥產(chǎn)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(zhì)還是能耗方面，反硝化氨氧化污泥系統(tǒng)工藝都具有更優(yōu)良的效果。

但對(duì)于不同廢水中NH4+、NO3-和有機(jī)C 源濃度不同，因此，為了獲得該工藝穩(wěn)定的性能和更高的N去除效率，同時(shí)提高微生物豐度，應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化操作條件，包括進(jìn)水NH4+和NO3-負(fù)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(tǒng)的一個(gè)重要因素，馴化在低溫條件下具有穩(wěn)定優(yōu)良去除效果的反硝化氨氧化系統(tǒng)亦是未來(lái)的重點(diǎn)。