微氧条件下FA、FNA和pH对半短程硝化的影响

刘禹晟，朱 薇，端 允

(太原理工大学 环境科学与工程学院，太原 030024)

针对目前半短程硝化过程中存在的问题，本研究将微孔曝气与机械搅拌相结合，采用序批式反应器(SBR)运行工艺，在微氧条件下对比了进水中不同FA、FNA质量浓度和pH对半短程硝化过程的影响，通过探索pH与FA、FNA质量浓度及微生物活性之间的关系，以期降低碱度消耗，促进AOB活性并抑制NOB活性。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

实验所用模拟废水由以下物质配置：葡萄糖(C6H12O6)，NH4Cl，NaHCO3，KH2PO4，MgSO4·7H2O，CaCl3·7H2O，EDTA，FeSO4，ZnSO4·7H2O，CuSO4·5H2O，MnCl2·4H2O，NiCl2·6H2O，CoCl2·6H2O.

DHP-8503电热恒温培养箱；AQ-03E真空泵；PSH-3C pH计；QB8500溶氧仪；3H25RL离心机；731-120分光光度计；自组装SBR反应器。

1.2 实验装置与操作方法

微孔曝气与机械搅拌相结合的SBR反应装置如图1中SBR工艺图所示，主要由前置储水箱、SBR反应器、曝气设备、中央控制器四部分组成。反应器为圆柱形有机玻璃，有效容积为3 L，高径比为3，泥水质量比为1∶2.

投加适量的亚硫酸钠使得储水箱的溶解氧(DO)的质量浓度为0.3～0.5 mg/L.采用间歇式曝气，当ρ(DO)低于0.3 mg/L时启动曝气，高于0.5 mg/L时停止曝气。

反应分为进水、反应、静置、排水、闲置五个阶段，其中进水与排水时间均为5 min，静置沉淀时间为30 min。每个运行周期进出水1.5 L.恒温培养箱控制温度为(28±2) ℃。中央控制器监测反应器内ρ(DO)，pH及温度。

图1 SBR工艺图Fig.1 Schematic diagram of SBR

接种污泥来自正阳污水处理厂SBR曝气池内污泥，初始氨氮负荷为0.3 kg/(m3·d)，混合液悬浮固体浓度(MLSS)为15.74 g/L，混合液挥发性悬浮固体质量浓度(MIVSS)与MLSS比值约为0.7.污泥沉降比(SV)为25%，沉降性能良好，污泥容积指数(SVI)为60 mL/g，适合进行下一步实验。

1.3 分析方法

成都市幼儿园在户外游戏与体育活动方面想要发展，必须做到领导人员对幼儿体育教育价值有更高的认识，并正确树立起幼儿园体育教育价值观，另外，需要根据幼儿自身的发展特点建立起具备科学性的体育内容安排体系，同时，需要积极落实我国在幼儿教育方面所要求的规制制度，进而促使成都市幼儿园的教育体制向科学化发展。

采用公式(1)和(2)计算SBR反应器内ρ(FA)和ρ(FNA)：

(1)

(2)

采用公式(3)计算氨氧化速率：

(3)

采用公式(4)和(5)计算氨氮去除率(ARE，%)和(NAR，%)：

(4)

(5)

2 结果与讨论

根据工业废水、垃圾填埋渗滤液和餐厨废水等低C/N污水水质分别进行模拟，分为三个进水阶段，即阶段Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，见表1进水水质表。废水中NH3-N和化学需氧量(COD)由NH4Cl和葡萄糖配置，投加NaHCO3补充反应所需碱。此外，在阶段Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ投加0.04g/L KH2PO4，0.25 g/L MgSO4·7H2O，0.25 g/L CaCl2·7H2O，4.5 mg/L EDTA，4.5 mg/L FeSO4，0.43 mg/L ZnSO4·7H2O，0.25 mg/L CuSO4·5H2O，0.99 mg/L MnCl2·4H2O，0.19 mg/L NiCl2·6H2O，0.24 mg/L CoCl2·6H2O，0.014 mg/L H3BO4.具体进水参数如表1所示。

表1 进水水质Table 1 Characteristics of wastewater used in this experiment

2.1 ρ(FA)对半短程硝化的影响

图2 FA质量浓度及氨氧化速率Fig.2 FA concentration and ammonia nitrogen conversion rate

图3 出水成分含量图Fig.3 Concentration of effluent components

图4 ARE及NAR变化趋势Fig.4 Changes of ARE and NAR

表2 碱度消耗Table 2 Alkalinity consumption

(6)

2.2 ρ(FNA)与pH对半短程硝化的影响

图5 pH及ρ(FNA)变化Fig.5 Changes of pH and ρ(FNA)

2.3 单个周期内水质参数分析

图6 20周期底物浓度(a)及ρ(FA)和ρ(FNA)(b)随反应时间变化Fig.6 The changes of substrate concentration in (a), ρ(FA) and ρ(FNA) in (b) with reaction time in 20th cycle

图7 50周期底物质量浓度(a)及ρ(FA)和ρ(FNA)(b)随反应时间变化Fig.7 The changes of substrate concentration in (a), ρ(FA) and ρ(FNA) in (b) with reaction time in 50th cycle

图8 80周期底物质量浓度(a)及ρ(FA)和ρ(FNA)(b)随反应时间变化Fig.8 The changes of substrate concentration in (a), ρ(FA) and ρ(FNA) in (b) with reaction time in 80th cycle

2.4 种群结构分析

表3 genus水平上各样本主要rank reads数目Table 3 The number of major rank reads for each sample at the genus level

3 结论

1) 在三种进水ρ(FA)和pH条件下均稳定实现了半短程硝化，且氨氧化速率由40 mg/(L·h)上升到115 mg/(L·h)，提升了2.8倍，说明AOB在不断增加的同时呈现出良好的抗冲击能力。其中，阶段Ⅱ中，进水pH为8.0，ρ(FA)为40 mg/L时，半短程硝化最为稳定，NAR达到95%左右。

2) 当反应中ρ(FA)下降到5 mg/L，pH下降到7.4，ρ(FNA)上升至0.034 mg/L时，可有效抑制NOB的活性。

3) 在三个阶段分别一次性投加2 905，4 980，7 470 mg NaHCO3，可使pH在反应结束时处于抑制NOB的阈值之上，即大于7.4，与文献报道的不断投加碱度维持恒定pH相比，三个阶段碱量节约40%左右，并简化了实验操作。

4) 通过高通量测序发现，经过94天的运行，亚硝化单胞菌的比例由32%上升到39%，为Nitrospira的100～200倍，保证了半短程硝化稳定进行。其中在阶段II的反应条件下更适合亚硝化单胞菌生长。当ρ(FA)高于40 mg/L时会明显降低AOB的增长速率并导致Nitrospira数量增多。