A-O工艺处理生活污水短程硝化反硝化的研究

2022-10-12胡紫燕刘少敏郭方磊黄裕涛

当代化工研究 2022年17期

＊胡紫燕刘少敏郭方磊黄裕涛

（安徽理工大学地球与环境学院安徽 232001）

传统的生物脱氮过程需要两个过程——硝化和反硝化过程。硝化过程首先由亚硝酸菌把氨氮氧化为亚硝酸盐氮，再由硝酸菌把亚硝酸盐氮。反硝化过程是通过反硝化菌将产生的硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，再进一步还原为氮气。亚硝酸盐氮是两个过程的中间产物。然而，事实上无论是硝酸盐氮还是亚硝酸盐氮均可作为最终的电子受体。

与传统的生物脱氮过程相比，短程硝化反硝化具有以下几个优点[1]：(1)亚硝酸型硝化比硝酸型硝化减少约20%左右需氧量。（2）亚硝酸盐硝化比硝酸盐硝化可减少34.9%的供氧量。（3）以NO2-为基质的反硝化比以NO3-为基质的反硝化节省40%左右的碳源。（4）硝化反应容积减少7.8%，反硝化反应容积减少32.9%。（5）可减少24%～33%的产泥量，在污泥处理系统可节约将近50%的能耗。（6）具有节能、高效、投资省等优点。短程硝化反硝化工艺尤其适用于处理高氨氮废水、垃圾渗滤液、低碳氮比废水。实现短程硝化反硝化的关键在于抑制亚硝酸盐氧化菌的增长，导致亚硝酸盐氮在硝化过程中的积累。根据目前国内外短程硝化反硝化的研究发现：能抑制亚硝酸盐氧化菌的增长，从而导致亚硝酸盐氮在硝化过程中积累的因素有[2-3]，温度、pH值、游离氨、溶解氧、污泥停留时间、污泥浓度、化学抑制剂、盐浓度、污泥龄等。

目前大部分对短程硝化反硝化的研究主要集中在高氨氮废水的处理、高pH废水的处理、高温废水的处理、而且大多数反应都是基于SBR反应器，很少有关于连续流实现短程硝化反硝化的研究。而一般的污水处理厂一般都采用连续流处理生活污水。因此研究常温下A-O短程硝化反硝化具有重要的实际意义。本试验基于短程硝化反硝化的实现理论，应用中试试验装置，研究了常温下连续流短程硝化反硝化的实现及稳定运行情况。

1.试验材料和方法

(1)中试试验装置

中试系统建于初沉池旁，池体由钢板焊制而成，A-O反应器的有效容积为5L，反应共有三个格室，分别为缺氧池、好氧池和二沉池，二沉池采用竖流式，各格室均用连通管相连。试验进水全部进入缺氧段，污泥回流由二沉池回流到缺氧段，混合液回流由好氧段回流到缺氧段，试验进水、污泥回流和混合液回流均采用蠕动泵控制，反应在常温下进行，温度范围在11～30℃，污泥浓度为2000～3000mg/L，污泥回流为满负荷运行，混合液回流比为1.5。反应器的好氧段采用鼓风机曝气，由转子流量计调节曝气量，从而控制好氧段中DO，缺氧段装有搅拌机，以提供充分的泥水混合，试验装置如图1。

图1 A-O工艺试验装置

(2)试验用水

试验用水来自淮南市八公山污水处理厂初沉池的水，由于一般生活污水的氨氮浓度都比较低，pH值一般在7左右，本试验在初沉池旁边建一配水箱，通过向其中加一定量的氯化铵和碳酸氢钠，使得试验进水的氨氮浓度在300mg/L左右，pH在8～8.5左右。试验用水水质如表1所示，平均进水COD浓度为260mg/L，氨氮浓度为300mg/L。

表1 试验进水水质

(3)分析项目及分析方法[4]

氨氮采用纳氏试剂分光光度法；硝酸盐采用紫外分光光度法测定；亚硝酸盐采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD采用重铬酸钾法；MLSS采用重量法；pH使用pH计，DO使用溶氧仪。

2.试验结果与分析

(1)短程硝化反硝化的实现

①短程硝化反硝化实现的控制手段

本试验主要分为两个阶段，第一阶段是亚硝酸盐的积累阶段，第二阶段是通过外加甲醇进行反硝化阶段。基于国内外目前的研究现状，控制硝酸菌生长从而使系统中亚硝酸盐得到积累的因素很多，如温度、pH值、氨浓度、氮负荷、DO、有害物质及污泥龄等[4-6]。本试验主要从溶氧和pH两个方面达到稳定的亚硝酸盐积累，从而实现短程硝化反硝化。大量研究表明，亚硝酸菌的氧饱和常数为0.3～0.5mg/L，硝酸菌的氧饱和常数为0.7～1.8mg/L[7]，所以亚硝酸菌对氧的亲和能力大于硝酸菌。另外大部分的研究还表明，硝酸菌和亚硝酸菌生长的最适宜pH范围不同，硝酸菌生长的最适宜pH范围为6.0～7.5，亚硝酸菌生长的pH范围为7.0～8.5[8]。综合上面两点，本试验开启阶段控制溶氧在0.5mg/L以下，pH范围在8以上。经过7、8两个月的运行，系统实现了亚硝酸盐氮的积累，短程硝化反硝化成功启动。图2为8月份运行22天氨氮的变化情况及亚硝氮和硝酸盐氮的变化情况，图3为亚硝酸盐氮的积累率。

图2 八月份含氮化合物浓度的变化

从图2可知，经过7月份的污泥驯化及培养，8月份有明显的亚硝盐氮累积过程。8月份的前8天，出水中硝氮高于亚硝氮，之后，由于系统中污泥经过之前1个多月的培养，驯化，并且严格控制系统中溶解氧在0.5mg/L以下，pH在8.5左右，系统中，硝酸菌基本被淘汰，亚硝酸菌占主导地位，从而使亚硝氮逐渐积累，硝氮逐渐变少，实现了明显的亚硝酸盐积累，即短程硝化反硝化得以实现。运行到22的时候，出水中亚硝酸盐达到164.22mg/L，氨氮为6.49mg/L，氨氮的去除率达到80%。从图3可知，亚硝酸盐氮的积累率达到85%左右。由于本实验的进水是来自八公山污水处理厂初沉池的水并加一定的氯化铵，使氨氮浓度很高的情况下进行，从图2中也知，进水的氨氮浓度不是很稳定，导致了出水中硝氮、亚硝氮及氨氮的变化情况也不是特别稳定。反应运行的前10天，即使系统的D0控制在0.5mg/L以下，也无法实现亚硝酸盐的稳定积累。因为较低的溶氧抑制了硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮的速率，与此同时，好氧段较高的水力停留时间为亚硝氮氧化为硝氮提供了足够的时间，从而无法实现亚硝酸盐氮的积累。在反应的第10天通过调节内回流比，来降低好氧段的水力停留时间，氨氮的去除率得到很大的提高，同时出水的亚硝酸盐氮逐渐上升。运行14～17天的时候，由于系统的混合液回流泵损坏，所以氨氮的去除率有所升高，之后恢复正常。

图3 八月份亚硝盐氮的积累率

②反硝化阶段

F经过两个月的亚硝酸盐累积，系统中亚硝酸盐氮特别高，从而使总氮的去除很少。由于进水的C/N比特别低，远远不能满足反硝化过程所需的碳源。所以本试验在实现了亚硝酸盐的累积并稳定运行后，通过外加甲醇进行反硝化作用。试验从10月8号开始外加甲醇，系统运行了25天，试验结果如图4、图5所示。

图4 反硝化阶段含氮化合物浓度随时间的变化规律

运行结果如图4所示，运行的前3天，由于系统长期处在硝化菌占优势，很少有亚硝化菌的状态，所以刚开始加入甲醇，并不能看到明显的亚硝酸盐氮下降过程。于是，从第4天开始接MBR反应池中好氧段的污泥放入到缺氧段中，经过几天的培养驯化，反应器中反硝化菌开始繁殖，所以，从第4天到12天能够看到明显的亚硝酸盐氮下降的过程，运行25天后，系统中亚硝酸盐氮几乎为零，硝酸盐氮也几乎为零，在前12天内，温度在15～20℃，氨氮的去除情况没有图2效果明显，只达到60%，之后，由于温度在15℃以下，氨氮去除率不到50%。

从图5可知，反应的刚开始阶段，由于系统中长期硝化菌占优势，很少有亚硝化菌，开始加甲醇后，亚硝酸盐氮并没有立马下降，所以总氮的去除率很低。随着反应的进行，由于外加MBR反应池中好氧段的污泥，经过几天的培养，亚硝酸盐氮逐渐减少，从而总氮的去除率逐渐升高，到12天时达到最大，最大可达76%，但是，随后由于温度的降低，只有15℃以下，氨氮的去除效果变差，导致总氮的去除效果整体呈降低趋势。

图5 反硝化阶段总氮的去除率随时间的变化情况

(2)短程硝化反硝化的影响因素分析

影响全程硝化系统转变为稳定的短程硝化系统的因素较多[9]，但一些影响因素并没有对本实验起直接的促进作用。本试验中成功启动短程硝化的因素主要有温度，溶解氧，污泥浓度等。

①温度

SHARON工艺是第一个成功实现短程硝化和反硝化技术并成功应用的工艺[10],它认为短程硝化反硝化工艺是在35℃的条件下运行[11]。从比增长速率的角度考虑，只有在温度高于25℃时，氨氧化菌在与亚硝酸盐氧化菌的竞争中才能胜出[12]。国内学者王淑莹等[13-14]通过控制水温（在30～32℃之间）成功实现了SCND工艺，较系统地分析了温度变化对SCND的影响。结果表明，水温保持在30℃时水中氨氮的转化类型为短程硝化过程；当水温在20.5～24.5℃时，硝化类型由短程硝化转化为全程硝化；随着温度再次升高，硝化类型又逐渐转变为短程硝化；当温度达到29～30℃时，硝化反应为稳定的亚硝酸型硝化。本试验期间温度在25～30℃左右，实现了稳定的亚硝酸盐累积。从图4，图5可知温度对氨氮的去除过程有比较大的影响，竟而影响总氮的去除率，所以要想使试验取得比较好的效果，温度必须控制温度在25℃以上。

②溶解氧

Laanbroek等[15]的研究表明，由于亚硝化细菌对DO的亲和力和耗氧速率均较硝化细菌强，因此在低DO浓度条件下，系统中硝酸菌被淘汰，亚硝酸盐将发生大量积累。试验开始阶段，系统中的D0控制在0.5mg/L以下，并且pH在8.0左右，亚硝酸盐发生了大量累积，但是在10月份，由于温度的降低，试验调节溶解氧在1.0～2.0mg/L，系统并没没有向全程硝化反硝化转化，这说明在实现了亚硝酸盐的累积并稳定运行一段时间后，只要维持较高的pH和氨氮浓度的情况下，可以适当通过提高溶解氧来提高氨氮的去除率。