氧化溝短程SND技術識別

周永莉，左椒蘭，李 娟，蘇子杰，徐明俊，付四立

（華中科技大學 環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

短程硝化－反硝化 （short－cut nitrification and denitrification，SND）主要通過氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化菌在生理特性方面的差異實現控制。由于短程硝化－反硝化的核心是氨氧化菌的富集，因此研究的重點就在于如何實現亞硝酸鹽的積累。

游離氨和低氧可以保證短程硝化反硝化的順利進行［1］，這便是常常提到的pH值和進水氨氮濃度控制方法，其中游離氨控制方法，被證實能較有效地實現亞硝酸鹽積累［2］。影響亞硝酸鹽積累的因素較多，如溫度、溶解氧（DO）、pH值、進水的氨氮濃度、污泥齡以及游離羥基濃度等。現有的研究大都認為亞硝酸鹽的積累是短程硝化－反硝化實現的標志，但如果有足夠的缺氧區，反硝化效果好，加之亞硝酸鹽的反硝化速率快，那么亞硝酸鹽的累積就無法表現出來，實現短程硝化－反硝化就沒有必要一味追求“表觀的亞硝酸鹽積累”。

1 實驗裝置

氧化溝裝置（見圖1）由PVC材料制成，有效容積為25L，通過曝氣來保持一定體積的好氧區和缺氧區；過渡池采用豎流式沉淀池，有效容積為9.5L；沉淀池采用輻流式沉淀池，有效容積為11L。

實驗進水全部進入缺氧區，同時回流污泥也進入缺氧區，實驗進水和回流污泥均采用蠕動泵控制；氧化溝內置2臺推流泵，并在轉角處放置曝氣頭；反應器出水流入過渡池，過渡池上清液流入沉淀池，下部沉淀物用作回流污泥，蠕動泵從過渡池抽取污泥。

圖1 氧化溝工藝實驗裝置

2 材料與方法

2.1 實驗用水及污泥

采用某食堂廢水作為實驗用水，并在污水中投加碳酸氫銨作為氮源，磷酸氫二鉀作為磷源。該實驗用水屬于低碳氮比值（C／N）污水，平均C／N僅為3.23。每日水質范圍如表1所示。表1中：ρ為質量濃度；NH＋－N為氨氮；TN為總氮；TP為總磷；COD為化學需氧量。實驗接種污泥來自武漢市龍王嘴污水廠。

表1 原水水質

2.2 分析方法

實驗測試用的主要方法和儀器如表2所示。

實驗進水水樣取自原水箱，出水水樣取自沉淀池上清液，檢測次數為啟動后的運行天數（每天檢測1次）。

表2 水質指標及檢測方法

3 實驗結果

實驗分2個階段：反應器在階段Ⅰ接種好氧污泥，并控制好氧區平均DO從5.81mg／L逐漸降至1.0 mg／L以下，目的是讓好氧污泥逐漸適應水質及低DO環境；階段Ⅱ接種缺氧污泥，并控制好氧區DO平均在0.2～0.4mg／L，目的是啟動低氧脫氮過程。反應器內水溫通過溫控裝置控制在（24±1）℃，通過二沉池排泥，控制污泥停留時間（SRT）在20d左右，反應器內混合液懸浮固體濃度（MLSS）為（2 200±500）mg／L。反應器啟動運行參數如表3所示，表中HRT為水力停留時間，AHRT為實際水力停留時間。

表3 反應器啟動模式及相關參數

污水中有氧化還原反應，有好氧供氧關系，所以DO、氧化還原電位（ORP）、pH的變化規律可以間接反映污水處理過程，它們可以用作控制參數［3］。實驗結果表明，反應器有較好的脫氮效果，第16天穩定后，脫氮率一直為70%以上，pH、ORP、DO的變化規律相似，重復實驗，得到的結果相同，表明了各參數在實驗中的指示作用。圖2曲線顯示，溶解氧較高時，異氧菌占優勢，而后期好氧區穩定較低的溶解氧是SND實現的條件，也是標志之一。由于餐飲廢水呈酸性，本實驗前3天加入碳酸氫鈉調節pH值（調整至大于7，以便淘汰磷酸鹽菌（NOB）［4］之后，指示硝化結束的特征點“氨谷”［5－6］和硝酸鹽峰交替出現，出現硝酸鹽峰和亞硝酸鹽峰 ，經過較大波動后（可能是亞硝酸鹽反應速度快于硝酸鹽反硝化速度的原因，pH曲線斜率增加所致），pH值穩定下來，并一直保持7.0～8.0之間，說明SND實現。實際上，系統中還有少量硝酸鹽存留，是由回流污泥帶來，所以不存在硝酸鹽弓，SND消耗和產生堿度，pH值就能一直保持穩定［7］。

從圖3中曲線趨勢可以看出，好氧區ORP與缺氧區ORP變化趨勢一致，前期好氧區、缺氧區ORP和pH值凹凸點相關，數據的重現性較好，ORP的反應較pH值稍前；反應后期，ORP（穩定在60mV左右，此處指好氧區的平均值）指示SND實驗的進程，在這個過程中，原水進水水質較穩定，有機物含量變化不大，溶解氧穩定 ，系統SND實現后，ORP一直穩定，和其他反應器中的結果一樣［8］。

圖2 pH和DO變化規律

圖3 pH和ORP變化規律

對反應后期的ORP和DO（穩定在0.2～0.4mg／L）進行線性分析，求得相關性曲線ORP＝58.498Ln（DO）＋152.08，相關性系數R2＝0.9079。ORP與DO表現了很好的相關性（和傳統的脫氮模式相似［9］），同時也說明，溶解氧或ORP的控制有一致性［10］。

圖4 COD去除量與TN去除量比

圖4為COD去除量與TN去除量之間的關系圖。可以看出，第16天C／N值開始穩定，21天的突躍點為曝氣頭被堵時的狀況，COD去除量與TN去除量之比平均值為1.70，與之前研究相同［11］，比常規SND的去除1kg TN所需要的2.86kg COD的值要低［12］，以此認為，氧化溝內發生了短程SND現象。氧化溝具有較好的實現同步硝化－反硝化的條件［13－14］，重復實驗，直接將氧化溝溶解氧控制在較低水平可得到相同的結論。

4 結論

（1）短程SND技術的實現，可以通過ORP、DO、pH、C／N來指示，四者均穩定，說明SND技術實現，而碳氮比值說明該工藝為短程脫氮。

（2）ORP穩定在60mV附近，溶解氧穩定在0.2～0.4之間，兩者具有良好的相關性，相關性系數為0.907 9。

（

）

［1］Chung J，Bae W.Nitrite reduction by a mixed culture under conditions relevant to shortcut biological removal［J］.Biodegradation，2002（13）：163－170.

［2］支霞輝，黃霞，李朋.污水短程脫氮工藝中亞硝酸鹽積累的影響因素［J］.中國環境科學，2009，29（5）：486－492.

［3］高景峰，彭永臻，王淑瑩 .SBR法反硝化模糊控制參數pH和ORP的變化規律［J］.環境科學，2002，23（1）：39－44.

［4］蘇子杰，左椒蘭，康建雄.短程生物脫氮技術研究進展［J］.水處理技術，2011（10）：15－20.

［5］Chang C H，Hao O J.Sequencing batch reactor system for nutrient removal： ORP and pH profiles ［J］. Journal of Chemical＆Biotechnology，1996，67（1）：27－38.

［6］Ai－Ghusain I A，Hao O J.Use of pH as control parameter for aerobic／anaerobic sludge digestion［J］.Journal of Environ Engineer ASCE，1995，121（3）：225－235.

［7］高景峰，彭永臻，王淑瑩.以pH作為SBR法硝化過程模糊控制參數的基礎研究［J］.應用環境生物學報，2003，9（5）：549－553.

［8］史旭東，榮宏偉，張朝升.pH對SBBR工藝亞硝酸型SND及過程控制的影響［J］.環境工程，2011，29（4）：61－66.

［9］高景峰，彭永臻，王淑瑩.以DO、ORP、pH控制SBR法的脫氮過程［J］.中國給水排水，2001，17（4）：6－11.

［10］汪慧貞，陳鵬，李彩斌.CAST工藝中曝氣控制的研究［J］.給水排水，2008，34（2）：56－59.

［11］周少奇.生物脫氮的生化反應計量學關系式［J］.華南理工學學報：自然科學版，1998，26（3）：124－126.

［12］張忠祥，錢易.廢水生物處理新技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［13］高廷耀，周增炎，朱曉君.生物脫氮工藝中的同步硝化反硝化現象［J］.城市給排水，1998，24（12）：6－9.

［14］劉艷臣.Carrousel氧化溝單溝脫氮優化條件及其控制策略研究：［D］.北京：清華大學，2008.