A/O+Anammox工藝處理低C/N城市污水的脫氮性能

馬斌，張樹軍，王俊敏，常江，孟春霖，王淑瑩，彭永臻,

(1. 哈爾濱工業大學 城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱，150090；2. 北京城市排水集團有限責任公司，北京，100022；3. 北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京，100124)

城市污水現有脫氮工藝主要通過硝化和反硝化作用將氨氮轉化為氮氣，從而達到總氮(TN)去除的目的。反硝化過程是TN去除的關鍵步驟，需要充足的有機碳源來保證反硝化效果[1]。有機碳源被認為是有機污染物，但從另外一個角度看有機碳源也可以通過厭氧發酵產甲烷，將其轉化為能源物質[2]，因此，研究低碳污水脫氮工藝就顯得尤為重要。厭氧氨氧化技術的出現使自養生物脫氮技術成為可能[3]。厭氧氨氧化菌(Anammox)利用亞硝酸鹽作為電子受體氧化氨氮，利用無機碳作為碳源，從而實現自養生物脫氮的目的。但因Anammox菌世代周期比較長[3-4]，所以，厭氧氨氧化主要用于高氨氮廢水處理，而隨著實際厭氧氨氧化工程的應用和厭氧氨氧化顆粒污泥的研究不斷增多[5-6]，使得城市污水自養脫氮成為可能。基于以上分析，本文作者提出A/O+Anammox工藝實現城市污水自養脫氮，A/O工藝中主要實現半短程硝化，其出水進入Anammox反應器進行厭氧氨氧化達到TN去除的目的。此工藝只需將部分氨氮轉化為亞硝酸鹽氮，與傳統硝化相比，可節省 60%的耗氧量[7]；利用無機碳作為碳源，從而降低了生物脫氮對有機碳源的需求，從而可將水中的有機碳源轉化為能源物質(甲烷)[8]；同時，與常規反硝化工藝相比，厭氧氨氧化反應器容積氮去除速率可高達76.7 kg/(m3·d)[9]，而反硝化濾池即使在投加甲醇為碳源時，容積氮去除速率僅為0.37~1.00 kg/(m3·d)[10-11]。本試驗采用低C/N城市污水作為原水，考察A/O+Anammox工藝的脫氮性能。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

A/O反應器(見圖1)由有機玻璃制作。反應器有效容積為24 L，等分成6個格室，其中前2個格室為缺氧區，后4個格室為好氧區。二沉池采用豎流式沉淀池，有效容積為12 L。試驗進水和污泥回流采用蠕動泵控制，曝氣裝置采用砂頭曝氣，轉子流量計計量氣量。Anammox反應器用有機玻璃制作，有效容積8 L，反應器內徑為8 cm，外裹黑色橡膠保溫材料，以避免光對厭氧氨氧化菌的負面影響[12]。Anammox反應器內裝有海綿填料(1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm)，其填充比為80%。

1.2 試驗原水

本試驗采用北京某城市污水廠初沉池出水，其水質指標如表1所示。

表1 試驗原水水質Table 1 Characteristic of raw wastewater

1.3 分析項目與方法

SCOD的含量采用COD快速測定儀測定；NH4+-N的含量采用納氏試劑分光光度法測定；NO3--N的含量采用麝香草酚分光光度法測定；NO2--N的含量采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定；TN的含量采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定；MLSS的含量采用濾紙稱重法測定；pH采用WTW 340i 在線監測。水樣經過0.45 μm濾紙過濾后測定以上各參數。

1.4 試驗方法

圖1 A/O+Anammox工藝流程圖Fig.1 diagram of A/O+Anammox system

本試驗開始時A/O反應器處理實際城市污水，已經實現穩定的短程硝化，本試驗開始前1月內A/O反應器出水亞硝酸鹽積累率η平均為76.9%，其中：η=ρ(NO2--N)/[ρ(NO2--N)+ρ(NO3--N)]×100%。Anammox反應器已經運行2 a，本試驗開始前1月內進水NH4+-N質量濃度為(69.63±11.38) mg/L，NO2--N 質量濃度為(73.65±9.18) mg/L。Anammox反應器TN去除容積氮去除速率為(0.67±0.10) kg/(m3·d)。

本試驗運行期間，A/O反應器運行溫度為(28.9±1.3) ℃；好氧 4個格室 DO 質量濃度依次為(1.96±0.48)，(0.95±0.36)，(0.52±0.18)和(0.50±0.18)mg/L；污泥回流比為50%，進水量為4.14 L/h，水力停留時間(HRT)為5.79 h。通過控制剩余污泥排放量將污泥齡(SRT)控制為8 d左右。Anammox反應器運行溫度為(29.5±0.9) ℃，HRT 為 1.93 h。

2 實驗結果與討論

2.1 A/O+Anammox工藝對TN去除特性

A/O+Anammox工藝對TN的去除情況如圖2所示。系統進水TN質量濃度為(62.01±3.81) mg/L，進水ρ(SCOD)/ρ(TN)(C/N)平均值為 2.42，通過常規生物脫氮工藝很難達到較高的TN去除效果。A/O反應器出水 TN 為(35.82±1.73) mg/L。A/O 反應器出水進入Anammox反應器，其出水TN質量濃度為(10.79±1.64)mg/L，可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準。此工藝TN平均去除量為51.22 mg/L，其中A/O反應器TN平均去除量為26.19 mg/L，占51.13%；Anammox反應器TN平均去除量為25.03 mg/L，占48.87%。此工藝的提出主要基于自養生物脫氮，通過厭氧氨氧化作用達到TN的去除，而本實驗有大部分 TN(51.75%)通過 A/O反應器去除。這主要是因為進水中含有有機碳源，使得缺氧段發生充分的反硝化作用，同時在好氧段發生明顯的同步硝化反硝化作用。城市污水可通過預處理工藝使有機物得到回收利用，實現污水可持續發展，同時，使得A/O反應器進水有機碳源質量濃度降低，硝化反硝化去除的TN量減少，Anammox反應器去除的TN量就會增加。

圖2 A/O+Anammox工藝對TN的去除效果Fig.2 TN removal in A/O+Anammox system

2.2 A/O反應器對氮的轉化與去除

A/O反應器進出水氮濃度如圖3所示。由圖3可以看出：A/O 反應器出水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)在 1.0左右，符合后續 Anammox反應器對進水的要求。同時，出水亞硝酸鹽積累率η較高，平均為83.73%，從而出水 NO3--N質量濃度較低，為(3.03±0.85) mg/L，有利于后續Anammox反應器對TN的去除。厭氧氨氧化不能利用NO3--N作為電子受體氧化NH4+-N，因此，A/O反應器出水中NO3--N質量濃度越低越好，即η越高越好。

在本試驗進行的第14天沿程取樣分析，水質變化如圖4所示。原水與回流污泥(污泥回流比50%)進入缺氧段，混合物懸浮固體(MLSS)的質量濃度為3 471 mg/L，混合物揮發性懸浮固體(MLVSS)的質量濃度為1 955 mg/L，回流污泥中攜帶的硝態氮在此通過反硝化作用去除。在好氧段發生硝化作用，將氨氮氧化為NO2--N和NO3--N，沿程亞硝酸鹽積累率η基本維持在88%左右，平均為88.19%。根據此次沿程取樣分析所得數據，進行氮物料守恒分析[13]，得出缺氧段氮去除量8.64 mg/L，占A/O反應器TN去除的36.32%；好氧段同步硝化反硝化(SND)去除氮量為7.37 mg/L，占A/O反應器TN去除量的30.94%；剩余污泥排放去除氮量為 7.79 mg/L，占 A/O反應器 TN去除量的32.73%。本試驗中A/O反應器主要功能是進行半短程硝化，因此，未設置硝化液回流，使得回流至缺氧段硝態氮量少，從而反硝化去除的氮量較低。此次沿程取樣時，好氧段DO質量濃度平均為0.62 mg/L，這是好氧段SND現象較為明顯可能的原因，與以前的研究報道相一致[13-14]。

圖3 A/O反應器進出水氮濃度變化Fig.3 Variation of nitrogen concentration in A/O reactor

圖4 A/O反應器沿程氮濃度變化(14 d)Fig.4 Variation of nitrogen concentration along A/O reactor (14 d)

2.3 Anammox反應器對氮的去除

A/O反應器出水經中間水池進入Anammox反應器發生厭氧氨氧化反應，從而達到自養脫氮的目的，Anammox反應器出水氮濃度變化如圖5所示。從圖5可以看出：Anammox反應器出水NH4+-N質量濃度為(1.83±1.94) mg/L，基本可以滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級 A標準。反應器出水中的 NO2--N質量濃度比較高時，會對受納水體產生毒害作用，同時消耗水中的溶解氧[15]，因此，應控制出水 NO2--N質量濃度。本試驗通過控制Anammox 進水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)在 1.0 左右，低于文獻[3]報道的1.32，即進水NO2--N質量濃度不足，從而控制 Anammox反應器出水 NO2--N質量濃度較低。從圖 5還可以看出：Anammox反應器出水中NO2--N質量濃度僅為(0.76±0.48) mg/L。Anammox出水中主要是 NO3--N 質量濃度較高，為(6.92±1.08)mg/L，可通過在Anammox反應器上部設置反硝化區域，投加少量有機碳源(如甲醇)，將厭氧氨氧化產生的 NO3--N反硝化去除，從而進一步降低該工藝出水TN質量濃度，此措施有待進一步驗證。

Anammox反應器化學計量學關系如圖 6所示。ρΔ(NO2--N)和 ρΔ(NH4+-N)分別為反應器中去除的NO2--N和NH4+-N的含量，ρΔ(NO3--N)為反應中生成的 NO3--N 的含量。ρΔ(NO2--N)/ρΔ(NH4+-N)為 1.05±0.22，平均值為 1.05，低于文獻[3]報道的 1.32；ρΔ(NO3--N)/ρΔ(NH4+-N)為 0.28±0.07，平均值為 0.28，略高于文獻報道的0.26[3]。以上2個比值與文獻報道不一致，可能是因為Anammox反應器進水含有溶解氧和少量SS(活性污泥)，使得Anammox反應器內發生硝化作用，導致 ρΔ(NH4+-N)和 ρΔ(NO3--N)的含量增加，從而使得 ρΔ(NO2--N)/ρΔ(NH4+-N)降低，ρΔ(NO3--N)/ρΔ(NH4+-N)增加。

圖5 Anammox反應器出水氮濃度變化Fig.5 Variation of nitrogen concentration in effluent of Anammox reactor

圖6 Anammox反應器化學計量系數Fig.6 Stoichiometric ratio of Anammox reactor

3 結論

(1) A/O+Anammox工藝處理城市污水存在可行性，在進水TN平均質量濃度為62.01 mg/L，C/N為2.42的條件下，工藝出水 TN平均質量濃度為 10.79 mg/L，NH4+-N平均質量濃度為1.83 mg/L，基本達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準。

(2) A/O反應器中主要通過缺氧反硝化作用、好氧同步硝化反硝化和剩余污泥排放達到 TN去除的目的，其TN去除量占工藝TN去除量的占51.13%；同時可將 A/O 反應器出水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)控制在1.0左右，滿足后續Anammox反應器對進水的要求。

(3) Anammox反應器主要通過厭氧氨氧化作用脫氮，其去除TN量占工藝TN去除量的48.87%；厭氧氨氧化的實現是A/O+Anammox工藝高效處理低C/N城市污水的關鍵。

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