短程硝化反硝化快速啟動及穩定運行研究

周 露，郎 建，李 橋

（1.重慶大學a.建筑城規學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400030；2.中國水電顧問集團 成都勘測設計研究院，成都610072）

短程硝化反硝化反應，無論是在經濟上，還是在技術上都具有較高的可行性，尤其是在高氨氮濃度和低碳氮比的污水處理技術上［6－7］。成功實現短程硝化反硝化技術并被實際應用的第1個工藝是SHARON（Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite process），但是，高溫、高氨氮濃度等運行條件限制了其發展和應用。目前，快速發展的水處理技術，使研究人員找到了多種實現短程硝化反硝化反應的方法［8－16］，如：DO、抑制劑、運行方式、污泥齡、pH值、溫度、基質濃度以及負荷等。根據氧半飽和常數、污泥齡、活化能和抗毒性物質的能力不同，篩洗淘汰硝化菌（NOB），累積亞硝化菌（AOB）。盡管如此，還是存在如何快速實現短程硝化反硝化、實現短程硝化反硝化后如何穩定運行的技術性難題。

為了研究短程硝化反硝化的快速啟動和穩定運行的影響因素，采用了低DO條件下實時控制的技術手段，為實際工程中短程硝化反硝化的快速啟動以及保持穩定運行提供了借鑒。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用水來源和水質

試驗原水取自重慶大學家屬區的生活污水，活性污泥取自唐家沱污水處理廠并進行接種。生活污水的水質情況見表1。

表1 試驗用水水質

1.2 試驗裝置和方法

試驗采用上部圓柱形，下部為圓錐形的SBR反應器，SBR反應器采用有機玻璃材質制成。SBR反應器高為700mm，直徑為200mm，總的有效容積為12L，每個周期末排水體積為2.5～3L，充水比為0.2～0.25。在SBR反應器壁側壁上設置一排間隔10cm用于取樣和排水的取樣口。在反應器的底部設有用于放空和排泥的放空管。在反應器內部下方設曝氣頭，曝氣量由反應器外部的轉子流量計調節。pH、DO、ORP（氧化還原電位）探頭置于反應器內支架上，在線監測pH、DO、ORP指標的變化。整個試驗期間溫度穩定維持在30℃±1℃。試驗裝置圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖

實驗采用好氧／缺氧（O／A）的運行方式，試驗共運行90d，每天運行3個周期，每周期為8h，分別為瞬時進水、好氧曝氣2h、缺氧攪拌0.5h（缺氧初期外加乙酸鈉作為碳源）、沉淀2h、其余時間為排水和待機。好氧末期排放一定體積的混合液，控制系統的污泥齡在10～15d，MLSS控制在2 800～3 200mg／L。

1.3 檢測分析項目

具體分析檢測項目和方法，見表2。

表2 監測項目和方法

2 實驗結果和分析

2.1 短程硝化反硝化的啟動

2.1.1 短程硝化反硝化啟動控制手段 通過對轉子流量計的控制，使得反應器內DO的平均值控制在0.5～0.7mg／L，充分利用低DO條件下亞硝化細菌（AOB）的生長速度大于硝化細菌（NOB）的特點，逐步實現AOB富集。同時保持反應器水溫穩定在30℃±1℃，通過低DO與溫度的協同作用，快速地啟動短程硝化反硝化。

在氨氧化結束時，pH曲線上出現“氨氮突躍點”；而在氨氮氧化接近結束的時侯，pH值會出現低谷—“氨谷”，即由下降曲線變為上升曲線。因此，可以利用在反應器曝氣過程中pH曲線上的氨谷轉折點和DO曲線上的突躍點來控制反應器的曝氣過程，反應過程中SBR典型周期上的控制節點如圖2和圖3所示。

圖2 短程硝化SBR典型周期的DO變化曲線

圖3 短程硝化SBR典型周期的pH變化曲線

在低DO條件下（0.5～0.7mg／L），AOB菌增速殖速率加快，通過這種增殖作用補償由低DO造成的代謝能力下降，使得AOB的氧化能力受到影響很小。同時NOB的增殖速率沒有變化，通過DO的控制，可導致NO2－－N的大量積累。

在SBR反應器的反應過程中，pH曲線上“由下降變上升”拐點出現時，表明氨氮氧化過程剛剛結束。在此拐點馬上停止曝氣，可防止曝氣過度DO升高導致NO2－－N進一步氧化為NO3－－N。以pH值作為控制參數的實時控制，是快速啟動和穩定維持短程硝化反硝化的必要條件。因此通過實時控制的手段，可增強AOB在活性污泥菌群中的優勢，削弱NOB的的生長優勢，從而將NOB從SBR反應器中逐漸淘汰，以盡可能短的時間實現短程硝化反硝化的快速啟動。

2.1.2 短程硝化反硝化啟動效果 將SBR反應器的溫度維持在30℃±1℃，MLSS濃度維持為3 000mg／L左右，通過轉子流量計控制曝氣量在30L／h，對已經具有良好硝化效果的成熟污泥進行馴化，考察短程硝化反硝化啟動效果。具體效果見圖4。

從圖4中可看出，SBR運行了25d左右，亞硝化積累率達到50%，從而進入短程硝化。繼續采用2.1.1的控制方法，亞硝化積累率一直保持上升趨勢。在43d的培養后，亞硝化率上升到85%并一直保持穩定。此時SBR短程硝化已經成功啟動并且達到了穩定狀態，SBR系統曝氣結束后出水中硝酸鹽含量低于1.5mg／L。

圖4 短程硝化進出水氨氮和亞硝酸鹽積累情況

2.2 短程硝化反硝化的穩定運行

生物系統硝化過程中，AOB的反應速度是整個反應的限制步驟。短程硝化反硝化的控制方法，可以利用AOB和NOB這2類微生物動力學參數的不同，實現AOB和NOB的優先選擇。通常當NH4＋－N氧化為 NO2－－N時，由 NO2－－N氧化為NO3－－N的速度很快。采取控制溫度、pH值、投加抑制劑等控制方法，即使實現了NO2－－N的啟動，短程硝化穩定維持也比較困難。此時控制系統DO濃度是十分重要的。

2.2.1 短時過度曝氣對短程硝化的影響 當短程硝化反硝化啟動成功后，為考察曝氣量對短程硝化反硝化穩定性的影響，將本文圖2和圖3中的控制點延后1h，考察曝氣時間對短程硝化反硝化穩定性影響效果，如圖5所示。

圖5 過度曝氣對短程硝化影響

從圖5中可看出，在短時過度曝氣的過程中，隨著曝氣時間的增加NO2－－N的積累率呈下降趨勢，影響了短程硝化反硝化的穩定性。SBR系統中活性污泥中仍然存在一定量的NOB，在過度曝氣的過程中，NOB有適宜的反應條件和充足的底物，經過5～7d后NOB活性可以完全恢復。因此，活性污泥中AOB和NOB的菌群數量是一個動態的變化過程，隨著外界條件的變化，AOB和NOB的菌群數量不斷發生變化，從而導致短程硝化和全程硝化過程的相互轉換的。

2.2.2 恢復實時控制策略后對短程硝化的影響實驗中重新應用實時控制在上述過度曝氣的反應系統中。一段時間后，將pH的“氨谷點”和DO的“突躍點”準確控制，試驗結果發現全程硝化過程又轉化為短程硝化過程，如圖6所示。

圖6 恢復實時控制對短程硝化影響

從圖6中可以看出，在實時控制過程中，避免過度曝氣，控制適宜的DO濃度和適度的曝氣時間，在第5d后SBR系統中NO2－－N累積率逐步穩定升高，到第11d后SBR系統完全恢復短程硝化。

采用實時控制策略，在氨氮剛剛氧化完成時停止曝氣，此時SBR系統中NO2－－N累積率高，可保證氨氮完全氧化，同時防止NO2－－N繼續氧化，這是短程硝化反硝化工藝可以穩定維持的重要條件。合理控制曝氣時間、保持適宜的DO濃度對于短程硝化反硝化生物脫氮工藝起到至關重要的作用，短時過度曝氣會導致NOB活性提高，SBR工藝系統由短程硝化轉向全程硝化。

因此，控制準確的曝氣時間、實時控制DO的突躍點和pH的“氨谷點”，可使得SBR工藝系統恢復短程硝化反硝化，并可保持穩定運行。實時控制策略是實現短程硝化反硝化生物脫氮工藝穩定性的重要手段。

3 結 論

1）實現短程硝化反硝化快速啟動，可以通過對DO和pH實時控制，溫度與低DO的協同作用來實現。

2）在短時過度曝氣的過程中，經過5d～7d后NOB活性可以完全恢復。隨著外界條件的變化，AOB和NOB的菌群數量不斷發生變化，從而導致短程硝化和全程硝化過程的相互轉換的。

3）采用實時控制策略，在氨氮剛剛氧化完成時就停止曝氣，可保證氨氮完全氧化，同時防止NO2－－N繼續氧化，這是短程硝化反硝化工藝可以穩定維持的重要條件。

4）控制準確的曝氣時間、實時控制DO的突躍點和pH的“氨谷點”，可使得SBR工藝系統恢復短程硝化反硝化，并可保持穩定運行。實時控制策略是實現短程硝化反硝化生物脫氮工藝穩定性的重要手段。

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