基于游離氨抑制的中濃度模擬氨氮廢水亞硝化研究

＊袁延磊 周松偉 汪曉軍

（1.廣州市華綠環?？萍加邢薰?廣東 510670 2.佛山市化爾銨生物科技有限公司 廣東 528300 3.華南理工大學 環境與能源學院 廣東 510006）

厭氧氨氧化工藝在處理氨氮廢水上具有傳統生物脫氮技術無法比擬的優點，如運行成本低，處理效率高，污泥產量少等[1-2]。但對于許多中低濃度氨氮廢水，如電鍍廢水，稀土采礦廢水，生活污水目前仍未有穩定運行的厭氧氨氧化工程的報道，中低濃度氨氮廢水實現穩定亞硝化處理的研究，將是推動厭氧氨氧化技術在相關行業應用的關鍵因素。

近年來，許多學者針對中低氨氮濃度廢水亞硝化開展了大量的研究，錢姍等[3]采用低溶解氧的運行條件在SBR反應器中實現了穩定亞硝化。陳振國等[4]利用沸石吸附—加溫—再生的技術手段實現了中低濃度氨氮廢水的穩定亞硝化。但以上技術手段存在穩定性不足或者操作過于繁瑣難以實現工程應用。因此，本研究搭設了一生物膜反應器，利用調節pH調控FA為主，輔以臨時升溫的方法成功啟動了中濃度模擬氨氮廢水亞硝化反應器，以期推動中低濃度氨氮廢水亞硝化-厭氧氨氧化技術的工程應用。

1.材料與方法

（1）實驗裝置。本實驗所使用的實驗裝置為有機玻璃制作的圓柱體，外部設置有進水口，回流口，出水口，內部有放置曝氣石連接風機進行曝氣，內部填充組合填料作為亞硝化菌附著生長場所。整個反應器直徑5cm，高55cm，有效容積1L，該實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

（2）接種污泥。接種污泥取自實驗室培養成熟的硝化污泥，污泥質量濃度MLVSS為3500mg/L。

（3）實驗進水與分析方法。本實驗進水為人工配置的模擬廢水，通過投加氯化銨來控制模擬廢水氨氮濃度，采用碳酸鈉或者碳酸氫鈉提供堿度以及調節進水pH。氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的監測使用文獻[5]推薦的標準監測方法；pH、溶解氧分別使用PHS-3C型pH計和HQ30d溶解氧儀。

（4）實驗方案。亞硝化反應器運行參數如表1所示，亞硝化反應器分三個階段運行，第1階段為掛膜階段，接種污泥后內循環掛膜悶曝。第2階段開始連續泵入模擬廢水并連續曝氣運行。第3階段為升溫亞硝化階段。第4階段為常溫穩定亞硝化階段。

表1 高效亞硝化反應器不同階段下運行參數

2.實驗結果

（1）反應器啟動。亞硝化反應器接種了實驗室培養成熟的硝化污泥后，向反應器內配置了50mg/L氨氮內循環悶曝3天時間，出水硝氮迅速升高，表現出了良好的硝化活性（圖2），第4天開啟連續流進水，通過提高進水濃度與縮短停留時間的方法提高硝化負荷。第10天后，進水固定為100mg/L，停留時間固定6h，系統的氨氮去除率也達到了90%，但NAR依然保持30%的范圍浮動，這也說明了，中低氨氮濃度進水情況下普通的硝化反應器無法實現亞硝化。

圖2 亞硝化反應器啟動階段運行情況

圖3 亞硝化反應器第二階段運行濃度變化

圖4 亞硝化反應器第二階段pH與FA濃度變化

（2）pH調控。已有大量的研究表明，FA在一定濃度下可以實現對于NOB的選擇性抑制，這一方法也被廣泛地應用于高濃度氨氮廢水的亞硝化。從FA的計算公式[6]中可以看出，pH與溫度與FA濃度是成正相關的。第13天起將亞硝化反應器的進水pH提高，隨著進水pH從8.20提高至9.60后，NAR逐漸從15%逐漸提高至67%，平均出水亞硝氮濃度為33.6mg/L，平均出水硝氮從65.4mg/L降低至14.1mg/L。第34天進水pH進一步提高至9.90，出水亞硝氮和硝氮幾乎無法檢測出。這一現象的主要原因在于進水pH達到9.90后對于AOB的抑制較大。這也表明，單獨依靠調控進水pH的手段，雖然能實現對NOB的抑制，但pH超過一定限值后對于AOB的影響過大，使得亞硝化反應器難以維持運行。第35天降低進水氨氮濃度與進水pH運行亞硝化反應器，經過兩周后亞硝化反應器的活性基本恢復，出水氨氮降低至24.8mg/L，但NAR依然只有14%。從抑制期與恢復期的運行情況可以看出，亞硝化反應器在經歷嚴重的FA與pH抑制后，NOB的活性與AOB出現了同步抑制與同步恢復的情況，要想實現亞硝化的前提是實現對NOB的選擇性抑制。

（3）溫度調控。已有大量研究[7]表明，在高溫條件下更容易實現亞硝化，其主要原因在于高溫條件下AOB與NOB的比生長速率不同。而升溫也能提高系統中游離氨濃度，因此本研究的第三階段將進水pH提高至9.00～9.30后，通過加熱棒使反應器水溫維持38℃。

從圖5、圖6可以看出，反應器進水pH在9.00～9.50的范圍內時，升高反應器的溫度在38℃后，反應器的NAR開始迅速升高，升溫運行后的第8天NAR就超過了94%實現了亞硝化，出水硝氮也從28.8mg/L降低至2.5mg/L。從FA濃度圖可以看出，由于升高了反應器水溫，因此即使pH低于9.50時，進水FA也大于65.0mg/L，平均進水FA濃度為92.6mg/L。對比階段二的運行情況，當pH大于9.0時FA濃度才大于90mg/L，因此通過升溫能夠在更低的進水pH條件獲得更高的FA濃度加強對NOB的抑制，既能避免出現AOB抑制情況又可加強NOB抑制作用。

圖5 升溫后亞硝化反應器運行情況

圖6 升溫后亞硝化反應器pH與FA濃度變化

整個升溫運行階段，平均出水FA濃度為19.4mg/L也起到了對NOB持續抑制的作用，加上升溫使AOB比生長速率的提高，在兩周內亞硝化反應器實現了對NOB淘洗。考慮到絕大部分的中濃度氨氮廢水水溫都與室溫一致，因此本研究的第四階段取消了加熱。整個第四階段運行超過30天，平均NAR能夠穩定在95.6%，反應器平均出水硝氮僅為1.5mg/L，平均出水氨氮為48mg/L，平均出水亞硝氮為46mg/L，出水亞硝氮/氨氮約等于1。在第四階段，即使不再升高反應器溫度也能實現穩定的部分亞硝化，其原因在于升溫運行階段已將NOB完全淘洗出反應器，反應器中的NOB活性已經極其微弱，進出水FA濃度不需要再維持較高的水平，在常溫運行時的進出水FA濃度（52.16mg/L和9.04mg/L）已經足夠將反應器中殘留的極少數且活性極弱的NOB實現持續性地抑制，避免出現常溫運行后NOB處于低FA環境下活性開始恢復。本研究通過臨時的升溫與長期的提高進水pH獲得了較穩定的部分亞硝化出水，實現了將中濃度氨氮廢水厭氧氨氧化處理的前置條件。本研究實現亞硝化的基礎在于較高的FA濃度，控制氨氮去除率在40%～50%之間時有利于維持出水FA濃度，由于NAR較高，此時出水氨氮與亞硝氮的比例依然能夠維持在1.0～1.3左右，符合厭氧氨氧化反應器的進水要求。

3.結論

本研究通過升溫與調節進水pH的手段實現了中濃度氨氮廢水穩定亞硝化處理，在反應器水溫調節至38℃，進水pH為9.0～9.3的條件下一周內啟動了亞硝化（NAR超過90%），升溫狀態下運行兩周后恢復常溫，運行30天以上依然能夠實現穩定亞硝化。本研究實現穩定亞硝化的關鍵在于將反應器內的FA濃度盡可能地提高，提高進水pH與水溫的策略使得進水FA濃度升高實現了對NOB的抑制，氨氮去除率控制50%左右也提高了反應器內的FA濃度加強了對生物膜內NOB的持續抑制。在升溫運行的兩周內通過FA的抑制成功將NOB淘洗出反應器，因此解除高溫條件后依然能夠維持穩定亞硝化。