常溫下A/O工藝的短程硝化反硝化
　

1　試驗(yàn)裝置與設(shè)備 

1.1　試驗(yàn)流程及設(shè)備
　　 A/O工藝模型主要由合建式缺氧—好氧反應(yīng)器和豎流沉淀池組成，如圖1所示。 

　　合建式反應(yīng)器分為3個(gè)廊道，總有效容積為85L；沿池長(zhǎng)方向設(shè)置若干成對(duì)的豎向插槽，配以相應(yīng)大小的插板，可以將整個(gè)反應(yīng)器沿池長(zhǎng)方向分成若干個(gè)小格，在每個(gè)插板上開(kāi)一個(gè)25mm的圓孔，安放時(shí)使相鄰圓孔上下交錯(cuò)以防止發(fā)生短流；在反應(yīng)器頂部布置環(huán)狀曝氣干管，并設(shè)置若干個(gè)小閥門，由橡膠管連接燒結(jié)砂頭作為微孔曝氣器，氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量；根據(jù)缺氧段所占比例，選擇安放若干攪拌器用于保持泥水混合均勻；在距池底20cm的高度上設(shè)置若干取樣口。進(jìn)水、污泥回流和內(nèi)循環(huán)流量分別用3臺(tái)蠕動(dòng)泵控制。沉淀池的沉淀區(qū)呈圓柱形，直徑為30cm；污泥斗為截頭倒錐體，傾角為60°；采用中心管進(jìn)水、周邊三角堰出水方式。
1.2　原水
　　采用由黃豆粉、葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4和NaHCO3與自來(lái)水配制的模擬生活污水。 
1.3　分析項(xiàng)目與方法
　　COD：重鉻酸鉀法；MLSS：濾紙稱重法；DO、溫度：WTWDO測(cè)定儀及探頭；pH值：WTWi nolab pH level2和NTC30電極；NO2--N,：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3--N,：麝香草酚分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法。 

2　結(jié)果及分析 

2.1　對(duì)NH3-N的去除率和NO2--N的積累率
　　試驗(yàn)期間測(cè)得進(jìn)水平均NH3-N濃度為40.21mg/L，對(duì)NH3-N的平均去除率為90.78%，出水中NO2--N,占TN的比例平均為75.29%。
　　在前51天，出水中NO2--N,含量占TN的50%以上(平均為87.36%)，維持了穩(wěn)定的NO2--N積累。第50～53天配制原水時(shí)以Na2CO3代替NaHCO3來(lái)提供堿度，使硝化類型發(fā)生顯著變化，轉(zhuǎn)化為全程硝化反硝化。從第54天開(kāi)始配制原水時(shí)仍然以NaHCO3提供堿度，又出現(xiàn)了NO2--N,積累現(xiàn)象，但是在其后的試驗(yàn)中NO2--N,積累率不穩(wěn)定。
2.2　溫度的影響
　　試驗(yàn)啟動(dòng)后未進(jìn)行溫度控制，水溫隨室溫的日變化為(±0.5)℃。在溫度為18～25℃的變化區(qū)間內(nèi)反應(yīng)器NO2--N的積累比較穩(wěn)定，說(shuō)明A/O工藝可實(shí)現(xiàn)常溫硝化反硝化。
　　Balmelle等認(rèn)為在10～20℃時(shí)硝化菌屬很活躍，無(wú)論游離氨(FA)濃度多大，NO2--N的積累率都很低，此條件下溫度對(duì)硝化菌活性的影響比FA對(duì)其抑制作用大。當(dāng)溫度為20～25℃時(shí)硝化反應(yīng)速率降低而亞硝化反應(yīng)速率增大。當(dāng)溫度＞25℃時(shí)FA對(duì)硝化菌的 抑制作用大于溫度的作用，可能因FA的抑制造成NO2--N的積累［1］。此外，由SHARON工藝機(jī)理可知，亞硝化菌在數(shù)量上可能形成優(yōu)勢(shì)的溫度范圍為30～36℃［2］，而筆者試驗(yàn)中在18～25℃實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化并不符合上述文獻(xiàn)中的觀點(diǎn)。試驗(yàn) 結(jié)果表明，即使溫度＜25℃，F(xiàn)A、HRT、堿度類型以及反硝化是否充分等因素也會(huì)對(duì)硝化菌活性產(chǎn)生影響。
2.3　pH值和FA的影響
　　在試驗(yàn)前期配制原水時(shí)沒(méi)有補(bǔ)充堿度，原水pH值一般在7.1左右。第23～28天由于室溫升高和原水在配水箱內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，水解酸化比較嚴(yán)重，pH值降到6.48。為了不影響硝化效率，同時(shí)更真實(shí)地模擬生活污水，配制原水時(shí)投加了NaHCO3，將pH值調(diào)至7.00～7.29。在第50～53天改投Na2CO3提供堿度。雖然pH值提高至7.62～8.44，但是NO2--N積累率銳減，硝化菌的活性迅速恢復(fù)、數(shù)量增加，造成了硝化類型的轉(zhuǎn)變。第54天后重新投加NaHCO3提供堿度，在第55天NO2--N積累率上升，但是在其后的試驗(yàn)中NO2--N積累率不穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了向全程硝化類型的轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)結(jié)果表明，在較低的pH值下也可能發(fā)生短程硝化反硝化，而堿度類型對(duì)硝化類型也有影響。
　　據(jù)文獻(xiàn)介紹，F(xiàn)A是對(duì)NO2--N積累有重要影響的因素之一。一般認(rèn)為硝化桿菌屬比亞硝化單胞菌 屬更易受FA的抑制，而關(guān)于FA的抑制濃度的說(shuō)法不盡相同，一種是FA對(duì)硝化菌 的選 擇性抑制發(fā)生在0.1～10mg/L［3］。試驗(yàn)中短程硝化反硝化呈比較穩(wěn)定時(shí)期的原水中FA為0.06～1.02mg/L，平均為0.25mg/L。在投加Na2CO3后原水中FA增至1.31～3.22mg/L，反而沒(méi)能抑制硝化菌的活性。原水進(jìn)入反應(yīng)器后被內(nèi)循環(huán)流量稀釋，同時(shí)伴隨著NH3-N的降解，反應(yīng)器中的FA降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，硝化菌屬對(duì)外界環(huán)境很敏感，即使FA濃度很低(0.06mg/L)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用，此外FA濃度不會(huì)單獨(dú)成為NO2--N積累的主要影響因素。
2.4DO的影響
　　Celcen和Gonenc［4］認(rèn)為在硝化反應(yīng)階段當(dāng)(DO∶FA)＜5時(shí)會(huì)產(chǎn)生NO2--N的大量積累，因而抑制了NO2--N的生成，當(dāng)(DO∶FA)＞5時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)NO2--N。本試驗(yàn)為保證好氧段的泥水混合均勻而采用較大的曝氣量，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度較高(在好氧段始端DO＞1.5 mg/L)，同時(shí)原水的平均FA為0.25mg/L，DO∶FA值較高，故可認(rèn)為DO不是發(fā)生短程硝化的主要原因。
2.5　反硝化的程度
　　在試驗(yàn)的第6、11、13、24、28天，在缺氧段末端檢測(cè)到一定濃度的NO2--N，說(shuō)明反硝化不徹底。同期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)原水在配水箱中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，水解嚴(yán)重而造成COD下降，影響了反硝化效果，造成缺氧段末端和好氧段始端積累較多的NO2--N，抑制了亞硝化反應(yīng)，并為硝化菌提供大量的底物。一般在其后第2天出水中NO2--N的積累率下降，說(shuō)明這種響是滯后的，而且短期內(nèi)可以恢復(fù)。
　　此外，反硝化不徹底會(huì)造成出水中殘余NO2--N濃度較高，這會(huì)影響后續(xù)**效果和**劑用量。因此，對(duì)于A/O工藝有必要監(jiān)測(cè)原水的水質(zhì)、水量變化以判斷有機(jī)碳源是否充分，并及時(shí)調(diào)整內(nèi)循環(huán)比來(lái)實(shí)現(xiàn)比較徹底的反硝化。
2.6HRT的影響
　　在試驗(yàn)的第23天和35天，出水中NO2--N含量?jī)H占TN的40%左右，這是由于HRT增至12h造成的，說(shuō)明NO2--N的積累與HRT相關(guān)。因硝化反應(yīng)存在滯后現(xiàn)象，故控制較短的HRT有助于NO2--N的積累。同時(shí)，延時(shí)曝氣可以減少NO2--N的積累。試驗(yàn)中A/O工藝的HRT為6～8h，這既可保證NH3-N的充分硝化，又能促進(jìn)NO2--N的積累。
　　設(shè)計(jì)傳統(tǒng)脫氮工藝時(shí)通常不考慮HRT對(duì)硝化類型的影響，認(rèn)為亞硝化菌在常溫下的數(shù)量和活性在硝化系統(tǒng)中都不占優(yōu)勢(shì)。如果僅控制HRT且使其值較小，則可能存在NO2--N的積累，但NO2--N的積累率很難達(dá)到50%以上。
2.7　污泥濃度和泥齡的影響
　　試驗(yàn)啟動(dòng)后測(cè)得初期反應(yīng)器內(nèi)MLSS約為1287mg/L(不排泥)，到第17天的MLSS達(dá)到2122mg/L，但隨后由于蠕動(dòng)泵故障又導(dǎo)致MLSS迅速下降到1014mg/L，之后仍然不排泥，到MLSS濃度達(dá)3412g/L時(shí)泥齡已達(dá)35d以上。由于長(zhǎng)期不排泥，泥齡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常溫下亞硝化菌和硝化菌的世代時(shí)間，二者在反應(yīng)器內(nèi)都可能形成優(yōu)勢(shì)菌種。試驗(yàn)階 段曾出現(xiàn)過(guò)NO2--N積累率的波動(dòng)，也說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)硝化菌和亞硝化菌長(zhǎng)期共存，而發(fā)生短程硝化反硝化主要是因?yàn)橄趸幕钚允艿揭种?，使得硝化反?yīng)滯后于亞硝化反應(yīng)的時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)控制HRT可使A/O工藝通過(guò)短程硝化反硝化途徑實(shí)現(xiàn)脫氮。 

3　結(jié)論 

　?、貯/O工藝在常溫(18～25℃)下可以發(fā)生比較穩(wěn)定的短程硝化反硝化。
　?、谠趐H＜7.5時(shí)也可能發(fā)生短程硝化反硝化，這對(duì)生活污水的處理具有重要意義。
　?、巯趸鷮賹?duì)外界環(huán)境很敏感，即使FA很低(0.06mg/L)也會(huì)產(chǎn)生抑制作用，但FA濃度不會(huì)單獨(dú)成為影響亞硝酸鹽積累的主要因素。
　?、芊聪趸欠駨氐讓⒂绊懴趸愋汀７聪趸煌耆珪r(shí)硝化類型向全程硝化轉(zhuǎn)化，一旦反硝化比較徹底則可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)短程硝化反硝化。
　?、菀蛳趸磻?yīng)存在滯后現(xiàn)象，故控制較短的HRT有助于NO2--N的積累。同時(shí)，延時(shí)曝氣可以減少NO2--N的積累。
　　⑥反應(yīng)器內(nèi)的泥齡≥35d時(shí)硝化菌和亞硝化菌長(zhǎng)期共存。發(fā)生短程硝化反硝化主要因?yàn)橄趸幕钚允艿揭种贫皇菙?shù)量少。

　　圖4氨氮濃度變化

　　3.2  pH影響

　　如圖5所示pH值影響試驗(yàn)的結(jié)果。在酸性范圍pH值7.85-6.45內(nèi)(低于7.85)對(duì)硝化沒(méi)有影響，但低于6.35硝化完全抑制。酸性范圍研究結(jié)束后，反應(yīng)器在pH值7.85運(yùn)行，為了恢復(fù)微生物的活性?；謴?fù)活性階段結(jié)束后，在正常pH值范圍里研究pH值對(duì)亞硝酸鹽積累影響，可以觀察到在pH值7.85-8.95內(nèi)pH值沒(méi)有影響（見(jiàn)圖5），盡管在pH值在8.65和8.95發(fā)生了亞硝酸鹽短暫積累。在pH值9.05，完全抑制硝化反應(yīng)的發(fā)生，沒(méi)有亞硝酸鹽積累。

　　圖5 pH值對(duì)亞硝酸鹽積累的影響的示意圖

　　　　那些結(jié)果顯示在大的pH值范圍（pH6.45－8.95）內(nèi)研究完全硝化會(huì)發(fā)生。在pH低于6.45和高于8.95時(shí)，完全抑制硝化反應(yīng)，沒(méi)有亞硝酸鹽的積累。圖6總結(jié)了研究pH對(duì)亞硝酸鹽積累的結(jié)果。

　　圖6 pH值對(duì)氨氮氧化百分率和亞硝酸鹽積累的影響。（X）氨氮消耗百分率，

　?。ā瘢﹣喯跛猁}積累百分率。

　　在正常PH值內(nèi)PH值的影響被預(yù)料到了，由于自由氨氮對(duì)氨氮和亞硝化氧化菌的抑制，正如以前報(bào)道。同行工作者解釋說(shuō)在酸性PH值僅有亞硝酸鹽氧化菌被自由氮酸抑制。但是在本研究中兩菌種均受到抑制。這意味著自由氮酸能產(chǎn)生抑制氨氮氧化菌的物質(zhì)，但是以前還沒(méi)報(bào)道。

　　Suthersan 和 Ganczarcczyk發(fā)現(xiàn)在高的pH值亞硝酸鹽積累可以取得，建議通過(guò)控制pH可以引起亞硝酸鹽積累。在我們的研究中，短程亞硝酸鹽積累發(fā)生，龍其改變了pH設(shè)定值后，但是由于微生物的適應(yīng)，在幾天后完全硝化發(fā)生了（如圖5）。連續(xù)培養(yǎng)和足夠的時(shí)間適應(yīng)可以解釋在每個(gè)pH值試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不能取得亞硝酸鹽積累的原因。這意味著長(zhǎng)期用pH值作為一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)不可能取得亞硝酸鹽的積累。

　　3.3 DO影響

　　如圖7所示本系統(tǒng)在DO值連續(xù)變化中系統(tǒng)的特征，可以發(fā)現(xiàn)DO濃度在5.7－2.7mg/L對(duì)亞硝酸鹽積累沒(méi)有影響。在DO值為1.7mg/L亞硝酸鹽短暫積累發(fā)生了。在DO值為1.4mg/L和0.7mg/L時(shí)，氨氮消耗相同，亞硝酸鹽積累增加。在DO值為0.5mg/L時(shí)，亞硝酸鹽積累和氨氮消耗量都減少了。

　　圖7 DO濃度對(duì)亞硝酸鹽積累影響的示意圖

　　圖8概要了那些結(jié)果。每一點(diǎn)在各個(gè)條件下穩(wěn)定運(yùn)行取得的值?？梢灾纴喯跛猁}在DO值為1.7mg/L時(shí)亞硝酸鹽積累開(kāi)始，在DO值為0.7mg/L時(shí)*大，氨氮完全消耗了。

　　圖8 DO濃度對(duì)氨氮氧化和亞硝酸鹽積累百分?jǐn)?shù)的影響

　?。ā酰┌钡陌俜直龋ā瘢﹣喯跛猁}積累百分比，每個(gè)值在各個(gè)條件下穩(wěn)定運(yùn)行取得的。

　　那些結(jié)果顯示在本研究條件下，長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)12天（超過(guò)50個(gè)水力停留時(shí)間周期）在DO值為0.7mg/L,至少65％的NLR以亞硝酸鹽形成積累和98％的氨氮消耗。根據(jù)化學(xué)計(jì)量法這個(gè)積累意味著著在硝化階段氧需求量減少17％（對(duì)照完全硝化需要2莫爾每莫爾氨氮消耗1.67莫爾氧），它將減少曝氣量。正如前面所述，亞硝酸鹽積累意味著反硝化進(jìn)一步節(jié)約了COD量。

　　4 結(jié)論

　　在pH值大范圍（在pH 6.45和8.95之間）內(nèi)，完全硝化有可能發(fā)生。在pH值低于6.45和高于8.95硝化突然下降，氨氮氧化和亞硝酸氧化菌完全受到抑制。

　　DO值在5.7～1.7mg/L硝化不受影響，但DO為1.4mg/L亞硝酸鹽積累發(fā)生，并且隨DO濃度減少逐漸增加，但不會(huì)影響全部氨氮轉(zhuǎn)化。在DO值研究?jī)?nèi)，*大亞硝酸鹽積累發(fā)生在DO濃度為0.7mg/L時(shí)。在DO值為0.5mg/L時(shí)氨氮轉(zhuǎn)化受影響，意味著氨氮積累發(fā)生。

　　在本研究的條件下，至少65％NLR以亞硝酸鹽形式積累，98％氨氮轉(zhuǎn)化（保持12天DO值為0.7mg/L）。根據(jù)化學(xué)計(jì)量法這意味著硝化階段可以減少17％氧需求量。這個(gè)減少將節(jié)約曝氣量和在反硝化時(shí)進(jìn)一步節(jié)約COD需求量。