降温模式对不同污泥形态厌氧氨氧化系统的影响研究*

陈泽智 李柏林# 王 俊,2 余明星 王 恒 李 晔 黄 睿

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉市东西湖自来水公司，湖北 武汉 430040；3.生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，湖北 武汉 430010)

目前，我国许多水体都存在由氮素污染导致的富营养化问题[1-2]，因此对污染水体进行高效脱氮迫在眉睫。相比较于传统脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺具有耗氧量小、无需外加碳源、剩余污泥量少等优势[3-7]，引起广泛关注。其中，温度是影响厌氧氨氧化工艺脱氮效果的重要因素之一。研究表明[8-10]，厌氧氨氧化菌大多为中温菌，适宜的生长温度为30～40 ℃。而在实际工业废水处理中，水温基本在5～20 ℃[11]。温度较低时，厌氧氨氧化菌生长速率减慢，活性下降[12-13]，从而导致厌氧氨氧化系统出现失稳情况，更严重者甚至会导致系统崩溃[14-15]。因此，应用厌氧氨氧化工艺处理实际废水需应对低温带来的挑战。

目前，关于温度对厌氧氨氧化系统的影响研究已有报道[16]。然而，实验室规模的厌氧氨氧化污泥大多采用单一的颗粒污泥，实际污水处理过程中，颗粒污泥系统中仍会有一定比例的絮状污泥存在，而絮状-颗粒耦合污泥和单一颗粒污泥应对低温的能力可能不同。

因此，本研究构建絮状-颗粒耦合污泥的厌氧氨氧化系统(SBR1)和单一颗粒污泥厌氧氨氧化系统(SBR2)，对两个系统的脱氮性能进行对比分析，探讨不同降温模式对两系统的影响差异，以及降温后不同形态污泥的恢复能力，研究结果对日后厌氧氨氧化工艺在低温条件下的应用具有重要的参考意义。

1 材料与方法

1.1 试验装置及用水

利用圆柱形序批式活性污泥反应器构建SBR1和SBR2，SBR1、SBR2的工作体积分别为40、6 L，均设有3 cm厚的水浴层，并用遮光布包裹。

试验用水为人工配置的模拟废水，配置方法参考文献[17]。模拟废水pH维持在7.7±0.1，SBR1进水氨氮、亚硝态氮分别为80、106 mg/L，SBR2进水氨氮、亚硝态氮分别为130、169 mg/L。试验前，SBR1、SBR2分别运行385、224 d，对氨氮去除率分别为96.50%、90.93%，对亚硝态氮去除率分别为95.83%、97.93%，对氨氮的去除负荷分别为0.330、0.302 kg/(m3·d)，对亚硝态氮的去除负荷分别为0.430、0.462 kg/(m3·d)。

1.2 测定项目和方法

氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定；硝态氮采用酚二磺酸分光光度法测定；pH和温度采用多功能便携监测仪测定。

1.3 试验方案

SBR1每周期运行时间为4 h，分别为进水10 min、搅拌210 min、静置10 min、出水10 min，每周期换水比为50%。SBR2每周期运行时间为6 h，分别为进水10 min、搅拌330 min、静置10 min、出水10 min，每周期换水比为50%。

瞬时降温模式中，设置第1周期系统运行温度为35 ℃，进入第2个周期时，将运行温度瞬时降低至15 ℃，第3周期开始将运行温度调回至35 ℃，直至脱氮性能恢复至降温前的水平。梯度降温模式中，将系统运行温度逐步设定为35、30、25、20、15 ℃，每个温度停留12 h，当降温过程完成后，将系统运行温度调回至35 ℃继续运行一段时间，直至脱氮性能恢复至降温前的水平。

为考察降温对SBR1、SBR2脱氮性能的影响，测定不同运行温度下系统进出水氨氮、亚硝态氮浓度，计算氨氮、亚硝态氮去除率及总氮去除负荷(NRR)，为表征厌氧氨氧化系统的稳定性，计算亚硝态氮和氨氮的去除量之比(记为η)，η越接近理论值1.32，表明厌氧氨氧化系统的脱氮性能越稳定，反之则越不稳定。

2 结果与讨论

2.1 瞬时降温的影响

瞬时降温模式中，SBR1的脱氮性能变化见图1。可以看出，在第1周期35 ℃的运行温度下，SBR1对氨氮、亚硝态氮的去除率分别达到96.0%、98.3%，总氮的去除负荷(NRR)为0.536 kg/(m3·d)；此时，η为1.39，和理论值1.32基本一致[18]，说明35 ℃下SBR1运行稳定。

图1 瞬时降温模式下SBR1脱氮性能的变化Fig.1 Nitrogen removal performance of SBR1 in instantaneous cooling mode

第2周期15 ℃的运行温度下，SBR1对氨氮、亚硝态氮去除率分别下降至81.2%、88.7%，NRR降低为0.404 kg/(m3·d)，说明瞬时低温冲击会削弱SBR1的脱氮性能[19]。第2周期η增加至1.45，明显高于理论值，说明有反硝化过程发生，当进水中不存在有机碳源，无机碳也能够转化为细胞团中的有机碳，从而发生反硝化[20]。

第3周期回温至35 ℃后，SBR1对氨氮、亚硝态氮去除率分别升高到96.5%、98.3%，恢复到低温冲击前水平。由此表明，在瞬时低温冲击下，SBR1的脱氮性能在1个周期后即可恢复，恢复效果较好。

瞬时降温模式中，SBR2的脱氮性能变化见图2。可以看出，在第1周期35 ℃的运行温度下，SBR2对氨氮、亚硝态氮的去除率分别达到93.1%、93.0%，NRR为0.596 kg/(m3·d)，此时，η为1.32，系统运行十分稳定。第2周期15 ℃的运行温度下，SBR2对氨氮、亚硝态氮去除率分别陡降至72.0%、78.8%，NRR降至0.362 kg/(m3·d)，η升高至1.71，瞬时低温冲击下SBR2的脱氮性能被明显削减。第3周期SBR2对氨氮、亚硝态氮去除率分别升高到至82.1%、86.2%，未能恢复至降温前的脱氮水平，第4周期氨氮、亚硝态氮去除率分别升高到至92.2%、93.7%，和降温前的脱氮能力基本相同。同时，NRR提升至0.607 kg/(m3·d)，η降至1.26，至此，SBR2的脱氮性能已基本恢复。

图2 瞬时降温模式下SBR2脱氮性能的变化Fig.2 Nitrogen removal performance of SBR2 in instantaneous cooling mode

2.2 梯度降温的影响

梯度降温模式中，SBR1的脱氮性能变化见图3。由图3可以看出，35 ℃的运行温度下(第1～3周期)，SBR1对氨氮、亚硝态氮的去除率分别保持在97.3%、96.4%，NRR达到0.520 kg/(m3·d)，η稳定在1.32附近。运行温度降至30 ℃(第4～6周期)，系统脱氮参数变化不大，脱氮性能与35 ℃时相差无几。运行温度降至25 ℃(第7～9周期)，氨氮、亚硝态氮去除率分别下降到78.6%、87.1%，NRR降至0.417 kg/(m3·d)，η突增到1.49。可见，当运行温度降低到25 ℃后，SBR1的脱氮性能开始受到影响。运行温度降至20 ℃(第10～12周期)，SBR1对氨氮、亚硝态氮的去除率大幅下降到57.8%、70.7%，NRR也降低至0.373 kg/(m3·d)，η升高至1.75，SBR1的脱氮性能受到明显的削弱。运行温度降至15 ℃(第13～15周期)，η出现急剧升高，说明此时厌氧氨氧化反应的稳定状态已受到严重破坏，氨氮、亚硝态氮去除率分别降至35.6%、42.1%，NRR也逐渐下降到0.160 kg/(m3·d)。由此说明，虽然梯度降温给了反应器一定的缓冲时间，但厌氧氨氧化仍然受到了明显的抑制作用。当恢复到35 ℃后，SBR1连续运行4个周期后脱氮性能基本得到恢复，这与李祥等[21]的研究结果相符合。

图3 SBR1在梯度降温模式下脱氮性能的变化Fig.3 Nitrogen removal performance of SBR1 in gradient cooling mode

梯度降温模式中，SBR2的脱氮性能变化见图4。由图4可以看出，35 ℃的运行温度下(第1～2周期)，SBR2对氨氮、亚硝态氮的去除率均保持在90%以上，NRR为0.592 kg/(m3·d)，η稳定在1.32附近。运行温度降至30 ℃(第3～4周期)，SBR2对氨氮、亚硝态氮的去除率分别下降至83.7%、85.1%，NRR降至0.519 kg/(m3·d)，η升高至1.40。运行温度降至25 ℃(第5～6周期)，SBR2对氨氮、亚硝态氮的去除率分别下降至60.0%、64.2%，同时NRR降至0.348 kg/(m3·d)，随着运行温度逐渐下降至15 ℃(第9～10周期)，SBR2对氨氮、亚硝态氮的去除率降低至30.0%和45.0%，NRR降至0.152 kg/(m3·d)，η提高到1.91。由此可见，当温度降至15 ℃时，SBR2的运行效能大幅降低，对厌氧氨氧化反应产生明显抑制[22]。随后，当运行温度恢复到35 ℃后，SBR2连续运行3个周期后脱氮性能基本得到恢复。

2.3 系统稳定性对比分析

对SBR1、SBR2在不同阶段NRR的下降幅度进行统计，结果见表1。两种降温模式中，SBR1和SBR2的NRR均有较大程度的下降。瞬时降温模式下，运行温度从35 ℃降至15 ℃时，SBR1的NRR降幅为24.6%，远低于SBR2的31.5%，SBR2在受到水温突变的直接冲击下脱氮性能下降更加明显；梯度降温模式下，从35 ℃降至30 ℃，30 ℃降至25 ℃以及25 ℃降至20 ℃，均是SBR2的NRR降幅较大。由此可以看出，在同一种降温模式下，SBR2对温度的变化较SBR1敏感，多种污泥形态复合的SBR1系统对低温的冲击表现出更高的稳定性。这可能是因为絮状-颗粒耦合的厌氧氨氧化系统中，部分絮状污泥包裹在颗粒污泥外部，减缓了温度对厌氧氨氧化颗粒污泥的冲击，起到缓冲的作用，使得颗粒形态的污泥作为较成熟的厌氧氨氧化污泥仍然保有较高的脱氮活性[23]。

表1 不同降温模式下系统NRR的下降幅度

同一系统在不同降温模式下的稳定性也不同。SBR1、SBR2在瞬时降温模式下的NRR降幅分别为24.6%、31.5%，在梯度降温模式下的NRR降幅分别为53.6%、71.1%。由此可以看出，SBR1和SBR2均是在梯度降温模式下的NRR降幅更大。虽然SBR1和SBR2中的污泥形态不同，但不同低温冲击对系统所造成的影响趋势具有一致性。梯度降温模式在一定程度上延长了系统的低温运行时间，而低温的持续会导致厌氧氨氧化细菌的细胞膜向凝胶状转变，使得营养物质的跨膜运输受到阻碍，从而细胞的活性会因“饥饿”而降低[24]。

2.4 系统恢复性对比分析

降温结束后将系统运行温度调回至35 ℃，SBR1和SBR2的恢复情况见表2。在瞬时降温模式下，SBR1对氨氮和亚硝态氮的去除率分别降低了15.4%、9.8%，SBR2对氨氮和亚硝态氮的去除率分别降低了22.6%、18.4%，SBR2受瞬时低温冲击的影响较大。当温度回升35 ℃后，SBR1和SBR2分别耗时4、12 h恢复其原有脱氮性能，恢复时间相对较短，这与姚俊芹等[25]研究结果一致。在梯度降温模式下，当运行温度从35 ℃降至15 ℃，SBR1对氨氮和亚硝态氮的去除率分别降低了54.8%、43.4%，SBR2对氨氮和亚硝态氮的去除率分别降低了64.8%、47.6%。SBR1和SBR2分别在16、18 h后恢复系统原有脱氮性能，恢复时间相对较长。无论是瞬时降温模式还是梯度降温模式，SBR1的恢复时间均更短，可能是由于在这两种不同降温模式下，SBR1对氮素去除率的下降幅度均小于SBR2，两者对低温的抵御能力不同。无论是SBR1还是SBR2，均是梯度降温模式下系统恢复时间更长，说明系统在受到低温冲击后的脱氮性能恢复受冲击持续时间的影响，因此低温冲击的时间越长，系统所需的恢复时间越长。

3 结 论

(1) 低温会削弱甚至抑制厌氧氨氧化系统的脱氮效能，SBR1、SBR2在瞬时降温模式下的NRR降幅度分别为24.6%、31.5%，在梯度降温模式下的NRR降幅分别为53.6%、71.1%。

(2) 瞬时降温模式下，当运行温度调回至35 ℃后，SBR1、SBR2分别耗时4、12 h恢复原有脱氮水平；而梯度降温模式下，SBR1和SBR2的恢复时间分别为16、18 h。

(3) 两种降温模式下，均为SBR2对温度变化更敏感，升温后系统恢复时间也更长，这与SBR1中有絮状污泥包裹在颗粒污泥外部，可以减缓降温对厌氧氨氧化颗粒污泥的冲击有关；相比于梯度降温模式，瞬时降温对SBR1、SBR2脱氮性能影响更小，且系统恢复时间更短，这是因为梯度降温模式延长了反应器的低温运行时间，使系统微生物活性降低，系统恢复所需的时间也就更长。