低氧条件下反硝化氨氧化工艺污染物去除机理

刘平波，喻庆，杜胜蓝，陈玉龙，杜平

(1.中国城市建设研究院有限公司湖北分院，湖北 武汉 430040；

2.武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统是一种具有良好应用前景的污水处理新技术。有研究表明在低氧氨氧化过程中，能够直接以亚硝酸盐为电子受体，微生物在N2O 的存在下将氨氮转化为氮气并且无需外加的有机碳源，不仅可以节约60%的曝气量而且还能减少90%的剩余污泥产量[1]。根据低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统研究现状可知，目前主要是从工艺条件着手，探索低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统操作运行条件和污染物去除效率[2]。本实验重点探究低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统的性能及机理，初步阐述低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统的运行方法。通过对污水厂的内部曝气改造将传统污水处理工艺改造成低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统，将掌握低氧条件下反硝化氨氧化活性污泥系统工艺核心设计参数，有利于该工程的实际应用、推广与运行维护。因此该工艺在实际工程中拥有较大的应用潜力。

1 材料和方法

本实验用两种方法进行对比，装置如图1，有效容积为3 L，反应器为SBR 反应器，为了使其恒温运行和充分混合，于是利用恒温水浴系统和恒速搅拌系统，将反应器内温度控制在25 ℃，并设置其转速为175 r/min，换水比例50%，R1 在时间跨度上运用A2O工艺，好氧段：缺氧段：厌氧段时间比为1∶1∶2，具体的流程见相关研究。R2 在全程低氧情况下进行反硝化氨氧化，技术参数如表1 所示。

图1 反应装置

1.1 运行参数

本实验R1 在时间跨度上采用传统的A2O，将好氧段、缺氧段的溶氧量分别控制在7.5～7.8 mg/L，0.2～0.8 mg/L，为了满足厌氧，则厌氧段的溶氧量必须控制在0.2 mg/L 以下；R2 为了达到低氧条件，将其溶氧量控制在0.4～0.8 mg/L。R1、R2 具体运行方式如表2 所示。

表2 相关运行条件

1.2 分析方法

水质指标均采用国标测试方法，COD 采用快速消解分光光度法测定，NO4+-N 采用纳氏试剂分光光度法测定，NO2--N 采用 N-1(1-萘基)-乙二胺光度法测定，NO3--N 采用麝香草酚分光光度法测定[3]，TN 为过硫酸钾—紫外分光光度法，TP 为分光光度法[4]，pH 值采用雷磁PHS-3C pH 计测定。

2 结果和讨论

2.1 常规污染物去除

分别对A2O 工艺和反硝化氨氧化污泥系统工艺进行测定，其对COD、TN 及TP 的去除效果如表3 所示。

表3 污染物处理效果

根据表3 可知，两种工艺运行后R1 出水COD略大于50 mg/L，但R2 出水COD 小于50 mg/L，达到了城镇污水处理厂污染物排放1 级A 排放标准[4]，并且综合比对TN 和TP 的去除，可以发现R2 运行的工艺对污染的去除优于R1。

研究表明TN 及TP 浓度过高，将大量消耗水体中的DO，A2O 工艺脱氮除磷过程中所需的DO 不足，导致污染物的处理效果不佳[4]。并且实验中模拟城镇废水，导致COD 的去除效果较差。本次实验的进水COD 为180 mg/L，C/N 为3，属于低碳氮废水，COD浓度较低时，导致活性污泥中可用来生长繁殖的物质较少，微生物的活性受到抑制，并且由于COD 浓度较低以及COD/TN 较低，A2O 工艺脱氮除磷过程中所需的碳源不足，将导致脱氮除磷的处理效果不佳[4]，导致R1 对同等废水中污染物的去除率明显劣于R2。

R2 在低氧的条件下，活性污泥中的微生物能够利用污水中的有机物，其中反硝化异养菌能利用COD 获取能量从而将NO3-还原为NO2-；AOB 也能够将污水中的氨氮氧化为NO2-，最终利用过量存在的NH4+，完成部分厌氧氨氧化，并在系统中同时还存在反硝化过程，将一部分硝氮和亚硝氮转化为氮气，反硝化和氨氧化共存并协同提高脱氮效率，达90.53%，与传统脱氮技术相比，提高了脱氮效率，节约了碳源和曝气能量，减少了污泥产量。相比较而言反硝化氨氧化污泥系统工艺在低氧情况下依然能稳定运行且对低C/N 废水依然具有较好的处理效果。

2.2 脱氮机理分析

R1 和R2 脱氮动力学如图2 所示。

图2 脱氮动力学

R1 的好氧段：0～1 h；缺氧段：1～2 h；厌氧段：2～4 h，以此为周期循环。首先进入好氧段，由曝气装置提供氧气，在AOB 以及NOB 两种细菌的作用下氧化氨氮以及亚硝酸盐产生大量的硝酸盐，从而降低氨氮以及亚硝酸盐的含量，所以氨态氮以及亚硝态氮迅速下降；进入缺氧段后，在整个过程中氨氧化率和亚硝化率均呈现上升趋势[3]，是由于硝酸还原菌、亚硝酸还原菌以及反硝化聚磷菌等其能利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧生长[2]，所以导致氨氮下降变缓，亚硝氮甚至有少许上升。而厌氧段中，只进行反硝化作用，反硝化细菌迅速产生硝酸还原酶以及亚硝酸还原酶还原硝态氮，使NO3--N 浓度迅速下降。R1 通过上述过程实现稳定脱氮。

R2 中对曝气方式进行改造，改用微孔曝气，处于低氧环境，系统中硝氮的下降速度最快，亚硝氮的下降速度最慢，但都在持续快速稳定下降，说明该系统中同时存在氨氧化作用、硝化作用以及反硝化作用，即处于低氧条件下的同步硝化反硝化阶段[5]，该厌氧氨氧化综合了部分脱氮(NO3-N →NO2-N)和厌氧氨氧化(NH4+-N + NO2-N →N2)[6]。这一过程是硝酸盐呼吸的两种途径之一，另一种途径是氨氧化，即硝酸异化还原成铵盐[2]。这种耦合工艺能够有效处理高硝酸盐废水和城市生活污水，不仅操作简单，还能减少50% 曝气能耗、80% 有机物需求，脱氮效率高，污泥产量低[7]，通过调整适宜碳源投加量、碳源类型、运行溶解氧、排泥周期对工艺进行运行调试，使出水TN控制在10 mg/L 以下。

2.3 工艺比较

在低氧条件下运行反硝化氨氧化工艺具有诸多具有许多优点，例如，不需要额外的外加碳源、工艺运行占地面积小、脱氮负荷高、需要提供的氧气低、运行成本低等[8-10]，其根本原因是在溶解氧浓度较低的环境中发生短程反硝化，硝化细菌的活性得到抑制，控制溶解氧的浓度从而控制以NO2-为终产物，不发生进一步的还原，有研究表明β-变形菌纲中的陶厄氏菌(Thauera)在其中起主要作用[7]，与传统的的脱氮工艺相比，短程反硝化的外加碳源减少，降低了温室气体的排放，特别是N2O 和CO2的排放，并且其反应速率也更高[9]。短程反硝化产生的NO2-可作为厌氧氨氧化反应的底物参与下一步反应[11],即式(1)：

目前短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺已在废水的深度脱氮处理中运用并取得了一定的成效[12]。

通过两种工艺运行结果的对比，经过改造后的反硝化氨氧化污泥系统工艺处理污水的效果更加好，不仅出水水质好，而且R2 是在低氧条件下运行，相比于传统工艺，可以节省约50%的能耗，减少运行成本[13]，有研究表明传统硝化反硝化工艺理论上去除1 mol的 NH4+-N 需要消耗1.9 mol 的O2，而反硝化氨氧化工艺仅需消耗0.8 mol 的O2[14]。因此，反硝化氨氧化工艺相较于传统工艺极大程度的降低在曝气方面的能耗[15]。且相比于传统的A2O 工艺，不需要特定的运行周期，反应时间更加短，速率更快，水力停留时间短，非常适合大型污水处理厂，节约运行成本。

3 结语

通过本小试实验，通过对污水厂的内部曝气改造后的反硝化氨氧化污泥系统工艺和传统A2O 的对比，低氧反硝化氨氧化污泥系统工艺，在含氧量较低的情况下，厌氧氨氧化工艺能够直接利用亚硝酸盐以及氨氮，通过两者反应产生氮气，从而降低污水中的TN 含量，且该过程无需有机碳源，在曝气方面可节约60%的能耗，并且极大的减少的剩余污泥产量，从而降低在处理剩余方面的成本投入，不管是从出水水质还是能耗方面，反硝化氨氧化污泥系统工艺都具有更优良的效果。

但对于不同废水中NH4+、NO3-和有机C 源浓度不同，因此，为了获得该工艺稳定的性能和更高的N去除效率，同时提高微生物丰度，应适当优化操作条件，包括进水NH4+和NO3-负荷，以及C 源的类型和剂量，此外温度作为影响反硝化氨氧化污泥系统的一个重要因素，驯化在低温条件下具有稳定优良去除效果的反硝化氨氧化系统亦是未来的重点。