鄒文清，何松珉

海南綠境高科環(huán)保有限公司，海南 ?？?570311

活性污泥法是處理含碳和氮的污染物的廢水時(shí)最廣泛使用的生物處理方法之一[1-2]。生物脫氮是通過(guò)自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)反硝化來(lái)完成的。本文旨在研究顆粒污泥法中的微生物群落對(duì)污水排放中的氮素去除效率的影響；驗(yàn)證了通過(guò)控制污水處理系統(tǒng)中的固體保留時(shí)間（Solid Retention Time，SRT）和內(nèi)部循環(huán)比參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)出水口中總氮去除率的提高；同時(shí)研究了生物脫氮的微生物活性與顆粒污泥氮素去除效率變化的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 污水處理系統(tǒng)與污水樣本

本文的研究對(duì)象為海南某焦炭制造廠中的全規(guī)模污水處理系統(tǒng)，該污水處理系統(tǒng)由2 個(gè)缺氧罐、4個(gè)好氧罐和3 個(gè)硝化罐及配套設(shè)施組成，如圖1 所示。污水處理系統(tǒng)每小時(shí)處理的硝化廢水約350 m3，其中硝化廢水以650 m3/h 的速度從硝化罐循環(huán)至缺氧罐，然后經(jīng)二級(jí)澄清池收集其回流顆粒污泥，并以250 m3/h 的速度將顆粒污泥泵回缺氧罐。此外，好氧罐和硝化罐都進(jìn)行曝氣。曝氣過(guò)程中，強(qiáng)制注入的氧氣提供了微生物進(jìn)行有氧呼吸的必要條件，同時(shí)也使含氧量較高的水流可以更好地混合和懸浮污泥，使其與污水中的有機(jī)物充分接觸，從而提高污水處理效率。曝氣的同時(shí)，好氧微生物會(huì)消耗污水中的有機(jī)物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，從而減少污水中有機(jī)物質(zhì)的含量。硝化罐中的曝氣則有助于硝化作用的進(jìn)行，即將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。這是因?yàn)橄趸饔弥饕蓛深愖责B(yǎng)微生物完成，而這兩類微生物均需要氧氣來(lái)進(jìn)行生化反應(yīng)。本次試驗(yàn)過(guò)程中廢水中的污染物組成見(jiàn)表1。各罐的溫度范圍為33～36 ℃。進(jìn)水池、缺氧罐和硝化罐的pH 分別保持在9.0、7.5 和7.0。好氧罐和硝化罐的溶解氧濃度（Dissolved Oxygen，DO）需大于3.5 mg/L，而缺氧罐的DO 濃度則需保持在0.3 mg/L 以下。系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性通過(guò)總氮（total nitrogen，TN）的出口濃度來(lái)量化。試驗(yàn)的樣品從缺氧罐和硝化罐的底部進(jìn)行系統(tǒng)混液懸浮物（Mixed-Liquor Suspended Solids，MLSS）的采集，試驗(yàn)持續(xù)12 d。

表1 廢水污染物組成

圖1 污水處理系統(tǒng)

1.2 各成分化學(xué)分析法

將收集的樣品以3 500 r/min 的離心速率進(jìn)行分離，持續(xù)3 分鐘，對(duì)上層清液進(jìn)行分析[3]。根據(jù)美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)（APHA）的標(biāo)準(zhǔn)方法——一種通用的水質(zhì)分析方法，對(duì)COD（化學(xué)需氧量）和氨使用分光光度計(jì)測(cè)定濃度；對(duì)苯酚和SCN-（硫氰酸鹽）使用比色法測(cè)定濃度；對(duì)上層清液蒸餾后，通過(guò)吡啶-吡唑啉酮法（一種用于測(cè)定水中氰化物含量的化學(xué)分析方法）測(cè)定氰化物濃度；使用離子色譜儀測(cè)量亞硝酸根和硝酸根離子濃度；使用TOC（總有機(jī)碳）/TN（總氮）分析儀測(cè)量TOC 和TN 濃度[4]。

1.3 微生物活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了研究污水處理系統(tǒng)反應(yīng)罐中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的微生物活動(dòng)，可以使用含有硝酸鹽的合成介質(zhì)進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn)，每天估算一次硝化和反硝化速率。硝化和反硝化活性實(shí)驗(yàn)在含有100 mL 的氨（50 mg/L）和硝酸根離子（50 mg/L）的500 mL 錐形瓶中進(jìn)行。在沒(méi)有任何預(yù)處理的情況下，錐形瓶需要接種含有微生物群落的顆粒污泥（約2 000 mg/L），然后在35 ℃的恒溫振蕩器上以200 r/min 的速度進(jìn)行振蕩，并保持pH 為7.5。硝化和反硝化速率如公式（1）所示。

式中：FA 為游離氨；T 為溫度；pH 為pH 值，Total NH3為氨含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 全規(guī)模顆粒污泥法的廢水凈化性能

圖2 展示了全規(guī)模廢水處理系統(tǒng)的凈化性能。如圖所示，硝化罐的主要作用是將銨離子轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或硝酸鹽。進(jìn)水口中-N 的平均質(zhì)量濃度約為76～90 mg/L，這是因?yàn)榧?xì)胞裂解和SCN 在缺氧罐和好氧罐的降解過(guò)程中產(chǎn)生了氨。在穩(wěn)定運(yùn)行期間，硝化罐中-N的出水濃度保持在10 mg/L 以下，而NO2-N的出水濃度在15～20 mg/L，NO3-N的濃度小于3.0 mg/L，這是因?yàn)閬喯跛猁}/硝酸鹽再次循環(huán)至缺氧罐，促進(jìn)了反硝化反應(yīng)。到第11 天后，缺氧罐中始終進(jìn)行著反硝化反應(yīng)，TN 的平均進(jìn)水濃度為187 mg/L，TN 的平均出水濃度保持在36 mg/L 以下，TN 的平均去除效率為85%。此外，TN 的出口濃度低于40 mg/L，表明在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中該污水處理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 污水各指標(biāo)凈化性能

2.2 運(yùn)行參數(shù)對(duì)全規(guī)模顆粒污泥法脫氮性能的影響

廢水中苯酚、SCN、氨和氰化物等污染物的流入導(dǎo)致全規(guī)模顆粒污泥法的硝化作用一直不穩(wěn)定。因此，需要對(duì)廢水凈化系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以完成對(duì)排放濃度的調(diào)控。圖3 顯示了運(yùn)行參數(shù)對(duì)全規(guī)模顆粒污泥法脫氮的出水濃度的影響。由圖3 可知，第1 天TN 濃度低于規(guī)定排放水平（即65 mg/L），但硝化副產(chǎn)物NO2-N的濃度僅為7 mg/L，這表明系統(tǒng)的硝化性能不足。為了增加繁殖速度緩慢的硝化微生物量，減少多余污泥，將SRT 從15 小時(shí)延長(zhǎng)到了22 小時(shí)，從而提高了MLSS 濃度。第2 天，硝化罐中的MLSS 濃度從1 500 mg/L 增加到2 000 mg/L，硝化罐中氨的出水濃度低于20 mg/L，NO2-N的濃度增加至17.5 mg/L，TN 濃度始終保持在65 mg/L 以下，這可能是由于SRT 的時(shí)間變長(zhǎng)，硝化細(xì)菌增加，從而增加了系統(tǒng)的硝化性能。

圖3 運(yùn)行參數(shù)對(duì)氮素去除效率的影響

在第4 天后，硝化罐中氮的出水濃度急劇上升至40 mg/L 以上，從而使TN 濃度超過(guò)規(guī)定排放水平。與此同時(shí)，氨的進(jìn)水濃度急劇增加到140 mg/L，是正常負(fù)荷的兩倍多。同時(shí)，NO2-N的出水濃度沒(méi)有降低，說(shuō)明硝化性能沒(méi)有受到抑制。為了降低除氨濃度，不斷提高SRT，保持高濃度的MLSS 可以實(shí)現(xiàn)高容積負(fù)荷，在第4 天結(jié)束后，MLSS 濃度增加到了3 000 mg/L。由此可知，通過(guò)SRT 的增長(zhǎng)能夠提高系統(tǒng)中MLSS 的濃度，從而確保在氨濃度急劇增加期間全規(guī)模顆粒污泥工藝的穩(wěn)定硝化。因此，SRT 的參數(shù)選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)去氮效率至關(guān)重要。

然而，全規(guī)模顆粒污泥工藝的性能在第9 天突然變差，氨濃度增加到85 mg/L，NO2-N 的濃度在硝化罐中降低到3.5 mg/L?？赡苁且蛳趸饔檬艿揭种?，TN 濃度突然增加到140 mg/L。為了防止硝化性能因苯酚抑制而惡化[5]，內(nèi)部循環(huán)比應(yīng)控制在0.5～1.5，SRT 始終保持在20 h。通過(guò)降低內(nèi)部循環(huán)比，提高了缺氧罐中的苯酚去除性能。同時(shí)，較長(zhǎng)時(shí)間的SRT 阻止了硝化微生物群落的消失。第10 天后，苯酚的進(jìn)水濃度降至500 mg/L 以下，TN 去除效率提高，排放水平低于50 mg/L。

在第12 天時(shí)，雖然氨和TN 的出水濃度保持穩(wěn)定，但NO2-N的濃度下降到9 mg/L。盡管SRT 一致，但系統(tǒng)中的MLSS 濃度攀升至3 400～3 600 mg/L。原因可能是環(huán)境中有機(jī)物的增加導(dǎo)致了硝化罐中微生物的增殖，造成了微生物群落組成成分的改變，增加了它們生長(zhǎng)所需的氨吸收量。因此，全規(guī)模顆粒污泥工藝的脫氮性能可能容易受到環(huán)境因素的影響，從而造成微生物群落組成成分的改變。

2.3 微生物活性

對(duì)微生物活性進(jìn)行試驗(yàn)可以觀察顆粒污泥硝化和反硝化活性的變化。通過(guò)氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的變化，分析每天的硝化和反硝化速率，如圖4所示。在第4 天，由于MLSS 濃度突然增加，硝化速率降至3.8 mg-N/g-VSS·h；從第5～8 天，硝化速率逐漸增加到6.3 mg-N/g-VSS·h。全規(guī)模顆粒污泥的脫氮效率幾乎達(dá)到90%。由此可知，硝化細(xì)菌具有良好的潛在活性，但難以確定環(huán)境因素是否會(huì)影響其實(shí)際性能，從而導(dǎo)致硝化作用降低。此外，反硝化速率模式與硝化活性的變化相似，與硝化速率的變化一樣。反硝化速率在第4 天下降是由于MLSS 濃度顯著增加，逐漸增加到4.8 mg-N/g-VSS·h，但反硝化作用受環(huán)境因素的影響可能小于硝化作用[6]。無(wú)論全規(guī)模工藝的氮素去除性能如何，試驗(yàn)中的硝化和反硝化速率基本一致。因此，MLSS 濃度的降低并未導(dǎo)致微生物活性有任何損失，這可能與微生物中的活性細(xì)菌種群有關(guān)。

圖4 硝化和反硝化速率

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)微生物群落組成的研究，探究了顆粒污泥氮素去除效率的重要性。在全規(guī)模顆粒污泥的脫氮工藝中，選擇SRT 和內(nèi)部循環(huán)比作為主要控制參數(shù)，以增強(qiáng)TN 的去除效率。通過(guò)延長(zhǎng)SRT，提高了微生物量濃度，增強(qiáng)了氮素去除效率。特定的操作策略還可以改變顆粒污泥中的微生物群落組成。因此，應(yīng)制定適當(dāng)?shù)牟僮鞑呗?，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)微生物群落組成，保持較高的氮素去除效率。