降温和曝气时长对序批式活性污泥反应器部分亚硝化效能的影响研究*

王丽媛 李 行 李 军

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺作为一种低能耗、无需补充碳源的新型工艺，一经出现就广受业内人士的好评[1-2]。该联合工艺是指废水先在氨氧化细菌(AOB)的作用下发生亚硝化反应，将一部分的氨氮转化为亚硝酸盐氮；之后剩余的氨氮与生成的亚硝酸盐氮发生厌氧氨氧化反应，产生氮气和硝酸盐氮[3-4]。如何维持出水亚硝酸盐氮与氨氮质量浓度比(简称出水亚硝酸盐氮/氨氮)，即部分亚硝化的稳定运行是保证该联合工艺脱氮效果的重要问题。现阶段，通过控制pH、DO、温度、游离氨等因素[5-6]促进AOB的增长、抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB)生长可达到部分亚硝化反应的稳定运行[7]。然而，LOCHMATTER等[8]、KOUBA等[9]认为，部分亚硝化是一个会受到限制的步骤，因为在主流条件下很难抑制NOB活性，而且NOB具有很强的适应性，运行一段时间后NOB活性恢复，将生成的亚硝酸盐氮转化成硝酸盐氮，导致难以实现稳定的亚硝酸盐累积，另外运行中一旦条件发生变化，NOB很容易大量增长[10]。因此，确定适当的操作条件以抑制NOB活性对于最大限度去除氮和废水达标排放至关重要[11]。

在实际水处理过程中，由于北方冬天气温低，低温很难保持部分亚硝化的出水稳定[12-13]。ZHANG等[14]认为，低温对AOB生长的影响大于NOB。张琼等[15]研究表明，当温度从20 ℃降为12 ℃时，序批式活性污泥反应器(SBR)内NOB为优势菌种使反应向硝化过程前进，而不利于部分亚硝化。降温时，污泥的流失量会比污泥的生长速度大得多[16]，不能通过排泥的方式来减少NOB的增长，因此在逐渐降温的情况下保持部分亚硝化效能成为一个亟待解决的问题。本研究在逐渐降温过程中，通过控制曝气时长，使得部分亚硝化效能维持在最佳状态，同时观察了污泥活性及胞外聚合物(EPS)的分泌情况，以更好了解降温过程中部分亚硝化过程的变化。

1 材料与方法

1.1 试验装置

采用自制的SBR，由曝气头、恒温水浴桶、加热棒、温度控制器等组成，有效体积为5 L，换水率70%。

1.2 试验废水及接种污泥

采用人工配制的模拟废水，成分为22 mg/L KH2PO4、20 mg/L MgSO4·7H2O、100 mg/L CaCl2、500 mg/L NH4Cl及1 mL/L微量元素。

接种沈阳北部某污水处理厂二沉池回流污泥，经过培养驯化后颗粒污泥粒径约0.8 mm，大于0.8 mm的颗粒污泥湿密度约1 005 kg/m3，属于成熟的亚硝化颗粒污泥，测得混合液悬浮固体(MLSS)约3 300 mg/L、污泥沉降比(SV)为30%、污泥体积指数(SVI)约90.9 mL/g。

1.3 试验方法

前期培养的亚硝化颗粒污泥在30 ℃稳定培养一段时间后，开始逐渐降温处理，降温分为3个阶段，即阶段Ⅰ：由30 ℃降低至25 ℃；阶段Ⅱ：由25 ℃降低至20 ℃；阶段Ⅲ：由20 ℃逐渐降低至15 ℃。每个阶段降温10 d，降温速率0.5 ℃/d。降温采用水浴加热装置，加热棒上连接温度控制器，通过设置温度来实时控制加热棒的开和关。每个阶段都重新确定最佳的曝气时长，使SBR达到最佳部分亚硝化效能并稳定运行一段时间，再继续降温。比较不同温度下污泥性能及水质处理效果，分析降温对SBR内颗粒污泥效能的影响和曝气时长的调节作用。

1.4 主要分析方法

水样中三氮和MLSS均按照国家规定的标准方法[17-18]进行检测；温度采用电子温度控制器(WK-SM3A)测量；多糖采用蒽酮-硫酸法测量[19]；蛋白质应用考马斯亮兰法(Bradford法)[20]。

2 结果与讨论

2.1 逐渐降温下污泥特性的变化

部分亚硝化启动成功后，SBR内温度维持在30 ℃，MLSS稳定在3 164 mg/L左右。从第200天开始降温，研究不同温度下SBR内MLSS的变化，结果见图1。

图1 不同温度下MLSS的变化

阶段Ⅰ，MLSS明显下降。第210～230天，温度稳定在25 ℃时，MLSS变化不明显。这是由于降温过程导致亚硝化颗粒污泥解体，结构不稳定的颗粒污泥会在曝气形成的水力剪切作用下被吹落，并随出水排出。当25 ℃下稳定运行时，MLSS由2 788 mg/L升到2 832 mg/L，可能的原因是NOB生长弥补了AOB活性减弱造成的污泥解体。

阶段Ⅱ，MLSS由2 832 mg/L直线降至1 761 mg/L。这可能由于温度的持续降低，使得AOB和NOB都不适应此时的温度，两者增长缓慢，颗粒污泥黏性降低，粒径变小，不易沉降，部分污泥随出水排出，导致MLSS下降，240 d后，MLSS小幅度上升。

阶段Ⅲ，MLSS逐渐上升，温度稳定在15 ℃时MLSS高达2 053mg/L，这种现象产生的原因可能是SBR内的颗粒污泥已适应了低温，并产生一定的抵抗作用，使AOB和NOB以此为基础逐渐增长，颗粒粒径增大，沉降性能好。

2.2 逐渐降温下EPS变化

EPS是微生物表面产生的代谢物，主要由蛋白质和多糖组成，蛋白质占较大比例。SBR的逐渐降温阶段共运行80 d，不同温度下EPS的变化见图2，同时计算蛋白质和多糖质量浓度比(简称蛋白质/多糖)。当温度由30 ℃降低至25 ℃时，蛋白质增加较大，这是由于前期培养形成的好氧颗粒污泥出现解体，形成的絮状污泥为适应低温，分泌了大量的EPS，使得此时蛋白质由14.13 mg/g增加到23.37 mg/g。当温度继续降低至20 ℃时，MLSS明显降低，絮状污泥由于沉降性能差会排出SBR，使此时的蛋白质迅速降为11.56 mg/g。当温度再次降低到15 ℃时，SBR内蛋白质继续下降至7.41 mg/g，说明此时颗粒污泥的结构更稳定，已能适应低温。多糖的变化规律与蛋白质类似，随温度降低多糖略微先增大后减小，在0～2 mg/g内变化。同时，蛋白质/多糖稳定在10左右。

图2 不同温度下EPS的变化

2.3 逐渐降温对部分亚硝化效能的影响

在逐渐降温过程中，控制进水氨氮约140 mg/L，出水水质和部分亚硝化效能变化分别见图3和图4。第190～200天内，温度稳定在30 ℃，出水氨氮先升后降，出水亚硝酸盐氮则与之相反，出水硝酸盐氮开始逐渐上升，出水亚硝酸盐氮/氨氮由1.16先下降后回升至1.04，各参数变化幅度总体不大，基本维持在部分亚硝化状态。阶段Ⅰ，出水亚硝酸盐氮基本与之前保持一致，出水氨氮下降，出水硝酸盐继续上升，出水亚硝酸氮/氨氮逐渐上升，最高至1.31。第210～220天，出水三氮浓度变化幅度较大，出水硝酸盐氮急剧上升，出水氨氮和亚硝酸盐氮明显下降，可能因为25 ℃是NOB适宜生长的温度，其活性较高，作用于亚硝酸盐氮使其转化为硝酸盐氮。但与此同时，亚硝酸盐氮浓度的减少刺激了AOB，使得AOB也活跃了起来，氨氮去除率增加，但亚硝酸盐氮累积率降低较多，由阶段Ⅰ的平均77.45%降低至平均20.38%。为实现部分亚硝化效能的稳定，需要抑制NOB的生长和对亚硝酸盐氮的消耗，所以考虑降低DO来抑制NOB活性。于是，第221天时将曝气量降低至0.2 L/min，出水硝酸盐氮迅速下降，经一段时间运行，稳定在20 mg/L左右。由于曝气量的降低，出水亚硝酸盐氮回升，出水亚硝酸盐氮/氨氮由0.12上升至0.82。

图3 逐渐降温时出水水质的变化

图4 逐渐降温时部分亚硝化效能的变化

阶段Ⅱ，SBR内出水氨氮逐渐升高，氨氮去除效率变差，AOB可能不适应低温，使得氨氮降解速率变慢，氨氮去除率和亚硝酸盐氮累积率总体减少，部分亚硝化效能很差。经过20 ℃的稳定驯化阶段，出水中AOB逐渐适应该温度，AOB开始利用水中的DO，出水亚硝酸盐氮开始回升。20 ℃的出水氨氮最终稳定在60 mg/L左右，出水亚硝酸盐氮/氨氮为0.75。但出水中NOB很难去除，使得反应不是很理想。

阶段Ⅲ，氨氮降解能力变差导致氨氮去除率总体下降，出水亚硝酸盐氮波动相对于阶段Ⅱ较小，由44 mg/L降低至33 mg/L，这可能是由于NOB活性下降，使得亚硝酸盐氮不能很好转化为硝酸盐氮，从而使得亚硝酸盐氮实现累积。15 ℃稳定运行时，出水亚硝酸盐氮/氨氮上升稳定在0.50左右。同时，颗粒污泥对低温具有一定抵抗作用，氨氮去除率相比20 ℃时并无多大变化。

2.4 逐渐降温下曝气时长的变化

在整个降温过程中，在25、20、15 ℃时，对曝气时长进行调节，分析不同曝气时长时三氮的变化情况，结果见图5至图7。当25 ℃时，整个曝气阶段，氨氮降解速率几乎不变；3 h前，亚硝酸盐氮直线上升，硝酸盐氮几乎不增长；3～6 h时，硝酸盐氮直线增长，亚硝酸盐氮下降，导致部分亚硝化性能不理想，出水亚硝酸盐氮/氨氮逐渐减小。根据出水亚硝酸盐氮/氨氮最高值，选取曝气时长为3.4 h。因此，25 ℃时，调整SBR运行周期为4 h，即进水、曝气、沉淀、出水、静置时间分别为10、204、6、6、14 min，直到降温至20 ℃都以该周期运行。这里需注意的是，由于降温会使部分污泥出现解体情况，形成的絮状污泥粒径小，亚硝化效果差，会随出水排出SBR，而剩下的颗粒污泥由于较强的适应性会对低温产生抵抗作用，沉降性好，亚硝化性能也好，所以沉淀6 min已可使大部分亚硝化性能好的颗粒污泥完成沉降。

图5 25 ℃时三氮的变化

图6 20 ℃时三氮的变化

图7 15 ℃时三氮的变化

当降温至20 ℃后，AOB和NOB的生长都受到抑制，2 h内，氨氮降解速率基本等于亚硝酸盐氮生成速率，硝酸盐氮几乎不增长；2～3 h时，NOB开始反应，将生成的亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，根据出水亚硝酸盐氮/氨氮最高值，选取曝气时长为2.4 h。20 ℃时，调整SBR运行周期为3 h，进水、曝气、沉淀、出水、静置时间分别10、144、6、6、14 min。直到降温至15 ℃都以该周期运行。

当降到15 ℃时，氨氮降解速率逐渐减慢，AOB活性较低，当曝气2.5 h时，SBR内亚硝酸盐氮达到峰值，所以选择最适曝气时长为2.5 h，可维持出水亚硝酸盐氮/氨氮达到最高值(0.51)。所以，调整SBR运行周期为3 h，进水、曝气、沉淀、出水、静置时间分别10、150、6、4、10 min。

综合分析认为，降温导致SBR部分亚硝化效能下降，但单周期运行过程中可通过缩短曝气时长加以改善。其中，20、15 ℃时可能由于亚硝化颗粒污泥具有一定的抵抗性造成两者部分亚硝化效能变化不明显。

3 结 论

(1) 当温度逐渐降为25、20、15 ℃时，MLSS总体下降，尤其当温度由25 ℃降至20 ℃时，MLSS由2 832 mg/L降至1 761 mg/L，污泥活性明显变差；EPS中蛋白质与多糖均先增大后减小。

(2) 降温导致SBR部分亚硝化效能下降，但单周期运行过程中可通过缩短曝气时长加以改善，逐渐降温至25、20、15 ℃时，曝气时长相应调整为3.4、2.4、2.5 h。