與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比, 厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝具有能耗低、脫氮效率高及污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn), 成為最有前景的工藝之一. ANAMMOX工藝是指以NO2--N為電子受體, 以NH4+-N為電子供體直接反應(yīng)生成氮?dú)? 其化學(xué)計(jì)量式如下：

　　在生物處理工藝中, 水力停留時(shí)間(HRT)是個(gè)非常重要的參數(shù), 不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的處理效能, 還直接決定反應(yīng)器的大小, 從而影響整個(gè)系統(tǒng)的基建費(fèi)用.因此, 為了保證系統(tǒng)的處理效能及節(jié)省工程投資, 需確定合理的HRT.馬朝陽等研究發(fā)現(xiàn)HRT為6 h時(shí)厭氧氨氧化系統(tǒng)效果最佳.祁迪等發(fā)現(xiàn)HRT為12 h時(shí), 能較好地發(fā)揮厭氧氨氧化的活性.魏琛等考察了HRT對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)處理效果的影響, 發(fā)現(xiàn)HRT為10 d系統(tǒng)脫氮性能最佳.但上述研究主要是在高溫條件下, 考察以人工配水為研究對(duì)象時(shí)HRT對(duì)厭氧氨氧化脫氮的影響, 而對(duì)于常溫下以實(shí)際生活污水為研究對(duì)象, 考察HRT對(duì)厭氧氨氧化協(xié)同異養(yǎng)反硝化的影響研究鮮見報(bào)道.

　　針對(duì)以上問題, 本研究采用SBR處理實(shí)際生活污水, 在實(shí)現(xiàn)半亞硝化時(shí), 以其出水作為厭氧氨氧化的進(jìn)水, 控制溫度為24℃, 考察了HRT對(duì)NH4+-N、NO2--N及COD去除效果的影響, 以期為厭氧氨氧化工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的借鑒和指導(dǎo).

　　1 材料與方法1.1 試驗(yàn)裝置

　　ASBR反應(yīng)器采用圓柱形有機(jī)玻璃制成(圖 1), 直徑14 cm, 高45 cm, 有效容積5 L.在其側(cè)壁的垂直方向設(shè)置取樣口, 底部設(shè)有排泥口, 上部設(shè)有通氣口, 反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)水封瓶排出, 為防止光對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響, 反應(yīng)器外側(cè)用黑色塑料布覆蓋.

　　圖 1

1.ASBR反應(yīng)器; 2.排水口; 3.攪拌器; 4.水封瓶; 5.排泥口; 6.緩沖瓶; 7.pH、ORP檢測(cè)儀; 8.溫控儀圖 1 ASBR反應(yīng)器示意 Fig. 1 Schematic diagram of ASBR reactor

　　1.2 接種污泥

　　試驗(yàn)污泥取自成功啟動(dòng)的厭氧氨氧化中的活性污泥, 具有良好的脫氮性能, 其MLSS為3 380mg·L-1, VSS為2 530 mg·L-1.

　　1.3 試驗(yàn)用水水質(zhì)及檢測(cè)方法

　　實(shí)際生活污水取自蘭州交通大學(xué)家屬區(qū), 其水質(zhì)見表 1.試驗(yàn)采用SBR(處理實(shí)際生活污水)半亞硝化出水作為厭氧氨氧化進(jìn)水：COD為120 mg·L-1左右, NH4+-N平均濃度為37.27 mg·L-1, NO2--N平均濃度為39.97 mg·L-1, 即進(jìn)水NO2--N/NH4+-N≈1, NO3--N<1 mg·L-1, pH為7.2±0.2.

　　表 1 試驗(yàn)用水水質(zhì) Table 1 Quality of raw wastewater/mg·L-1

　　從反應(yīng)器中取100 mL水樣, 用定量濾紙過濾, 濾紙殘余物在105℃的烘箱內(nèi)烘至恒重, 冷卻后測(cè)量MLSS, 然后在600℃的馬弗爐內(nèi)烘至恒重, 冷卻后測(cè)量MLVSS.水樣經(jīng)過0.45 μm濾紙過濾后根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定：COD, 快速消解分光光度法; NH4+-N, 納氏試劑分光光度法; NO2--N, N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N, 麝香草酚法; pH和DO采用Multi3420儀測(cè)定.

　　1.4 計(jì)算方法

　　厭氧氨氧化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率A及反硝化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率D的計(jì)算, 參考魏思佳等[15]的公式; 總氮容積負(fù)荷(TNLR)及總氮去除負(fù)荷(TNRR)的計(jì)算參考周同等[16]的公式：

　　式中, NH4+-Nrem、NO2--Nrem分別為NH4+-N、NO2--N去除量(mg·L-1), ΔNO3--N為NO3--N變化量(mg·L-1), cinf表示進(jìn)水總氮濃度(mg·L-1), ceff表示出水總氮濃度(mg·L-1), HRT表示水力停留時(shí)間(HRT分別為36、33、30及27 h).

　　2 結(jié)果與討論2.1 不同HRT下氮素的變化特性

　　圖 2表示不同HRT條件下NH4+-N、NO2--N及NO3--N的變化.從中可知, 在整個(gè)試驗(yàn)過程中, 進(jìn)水NO2--N濃度有一定的波動(dòng), 但系統(tǒng)對(duì)其去除效果良好, NO2--N平均出水濃度均低于0.70 mg·L-1, 這是由于發(fā)生厭氧氨氧化后剩余的NO2--N發(fā)生了異養(yǎng)反硝化.

　　圖 2

圖 2 不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中氮素的去除特征

　　然而在NH4+-N平均進(jìn)水濃度為37.27 mg·L-1的條件下, 當(dāng)HRT由36 h縮短至27 h的過程中, 每次縮短HRT后, 出水NH4+-N濃度均增大, 隨著運(yùn)行周期數(shù)的增加, 出水NH4+-N逐漸減小, 發(fā)現(xiàn)HRT越短, 出水NH4+-N達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng).其中當(dāng)HRT為33 h時(shí), 前9周期出水NH4+-N濃度在1.57~8.98 mg·L-1之間波動(dòng), 運(yùn)行至第10周期之后平均出水濃度及去除率分別為1.36 mg·L-1和96.30%.當(dāng)HRT為30 h和27 h時(shí), 系統(tǒng)出水NH4+-N平均濃度分別為4.10mg·L-1和7.99 mg·L-1.綜合考慮, HRT為33 h時(shí), 系統(tǒng)脫氮效果最佳.李寧寧等在較短的HRT下, 也獲得了較好的脫氮的效果, 但是其控制的溫度較高(35±1)℃, 而本試驗(yàn)是在接近室溫的條件下進(jìn)行的.

　　厭氧氨氧化反應(yīng)過程中生成NO3--N, 導(dǎo)致出水NO3--N濃度高于其進(jìn)水濃度, 但是由于本試驗(yàn)采用實(shí)際生活污水, 其中含有一定量的有機(jī)物, 所以在異養(yǎng)反硝化的作用下, 生成的部分NO3--N還原為N2, 故出水NO3--N的平均濃度始終低于5.80 mg·L-1.然而胡永春等采用人工配水, 研究表明HRT越短, NO3--N日生成量越多, 其原因是當(dāng)HRT減小時(shí)水力負(fù)荷增大, 進(jìn)水中NH4+-N和NO2--N消耗后能得到快速補(bǔ)充, 導(dǎo)致生成物NO3--N濃度提高; 另一方面, 人工配水中不含COD, 故不能發(fā)生異養(yǎng)反硝化, 最終使NO3--N濃度積累.

　　馬朝陽等利用UAFB反應(yīng)器富集培養(yǎng)厭氧氨氧化細(xì)菌, 控制溫度為31℃, 發(fā)現(xiàn)HRT為6 h效果最佳.祁迪等采用UASB反應(yīng)器以模擬亞硝化進(jìn)水, 控制溫度為30~35℃, 當(dāng)HRT為12 h時(shí), 能較好地發(fā)揮厭氧氨氧化菌的活性, 得到較好的污水處理效果.本試驗(yàn)最佳HRT為33 h, 比上述研究者所得HRT都長(zhǎng), 分析原因：①本試驗(yàn)中以SBR半亞硝化處理過的實(shí)際生活污水為研究對(duì)象, 實(shí)際生活污水中所含成分比人工配水復(fù)雜; ②本試驗(yàn)是在接近常溫(24℃)的條件下進(jìn)行的, 比厭氧氨氧化菌最適溫度(32~37℃[9, 19])低, 故本試驗(yàn)中厭氧氨氧化菌活性可能受到一定的抑制, 但是本試驗(yàn)對(duì)于實(shí)際工程的應(yīng)用更有借鑒意義.然而魏琛等采用模擬亞硝化出水, 研究表明HRT為10 d最宜, 系統(tǒng)HRT過短會(huì)導(dǎo)致含氮污染物去除不完全, HRT過長(zhǎng)則污泥可能已經(jīng)解體, 與本試驗(yàn)相比HRT更長(zhǎng), 可能是由于本試驗(yàn)進(jìn)水基質(zhì)濃度較低, 且進(jìn)水中含有COD, 導(dǎo)致系統(tǒng)中發(fā)生厭氧氨氧化的同時(shí)存在異養(yǎng)反硝化.

　　2.2 不同HRT下化學(xué)計(jì)量關(guān)系

　　圖 3表示不同HRT條件下ANAMMOX系統(tǒng)中NH4+-N、NO2--N去除量和NO3--N生成量之比的變化.從中可知, HRT為36 h時(shí), ΔNO2--N/ΔNH4+-N的平均值為1.13, 較其理論值1.32小, 主要是因?yàn)榉磻?yīng)器中存在AOB, AOB率先將進(jìn)水中的NH4+-N氧化為NO2--N, 再發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng), 導(dǎo)致其值降低. HRT為33 h時(shí), ΔNO2--N/ΔNH4+-N的平均值為1.17, 該值較接近理論值, 說明此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)厭氧氨氧化脫氮效果較好.當(dāng)HRT分別縮短至30 h和27 h時(shí), 前幾周期內(nèi), ΔNO2--N/ΔNH4+-N分別為1.48和1.87, 都大于其理論值, 這是由于HRT過短, 總氮負(fù)荷提高, 導(dǎo)致NH4+-N無法完全去除, 同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)NO2--N發(fā)生了異養(yǎng)反硝化.隨著運(yùn)行周期的增加, ΔNO2--N/ΔNH4+-N逐漸地小于理論值, 這可能是因?yàn)橄到y(tǒng)中部分NH4+-N被氧化為NO3--N.當(dāng)HRT為36、33和30 h時(shí), ΔNO3--N/ΔNH4+-N的值都小于其理論值0.26.當(dāng)HRT為27 h時(shí), ΔNO3--N/ΔNH4+-N突然增大至0.34, 是因?yàn)镹H4+-N無法在該HRT下完全去除, 部分NO2--N被氧化為NO3--N, 隨后ΔNO3--N/ΔNH4+-N逐漸降低.具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 3

圖 3 不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中化學(xué)計(jì)量比關(guān)系

　　有研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)采用人工配水時(shí), ΔNO2--N/ΔNH4+-N都小于其理論值(1.32), 分析原因, 進(jìn)水中存在少量的DO, 將部分NH4+-N氧化NO2--N; 但是ΔNO3--N/ΔNH4+-N的值與理論值(0.26)也不符, 這可能是因?yàn)閰捬醢毖趸�菌自身繁殖及�?nèi)源反硝化所致.而本試驗(yàn)的ΔNO2--N/ΔNH4+-N和ΔNO3--N/ΔNH4+-N分別為1.17和0.15, 主要是因?yàn)? ①進(jìn)水中存在少量的DO, 將部分NH4+-N氧化為NO2--N; ②實(shí)際生活污水中存在COD, 發(fā)生了異養(yǎng)反硝化, 將NO3--N還原為N2, 這與孫艷波等的研究結(jié)果一致.

　　2.3 不同HRT下總氮容積負(fù)荷及其去除負(fù)荷的變化特征

　　圖 4表示不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中總氮容積負(fù)荷(TNLR)及總氮去除負(fù)荷(TNRR)的變化特征.當(dāng)HRT為36 h時(shí), TNLR的范圍為0.040~0.069 kg·(m3·d)-1, TNRR在0.039~0.064 kg·(m3·d)-1之間波動(dòng), 反應(yīng)運(yùn)行前12周期內(nèi), TNRR與TNLR相差較大, 主要是由于厭氧氨氧化反應(yīng)器處于運(yùn)行初期, 需要適應(yīng)一段時(shí)間.之后隨著運(yùn)行周期的增加及厭氧氨氧化的穩(wěn)定, TNRR逐漸接近TNLR, 說明HRT為36 h時(shí)厭氧氨氧化反應(yīng)協(xié)同反硝化去除系統(tǒng)中的TN效果良好. HRT減小至33 h時(shí), TNLR平均值為0.056 kg·(m3·d)-1, TNRR平均值為0.050 kg·(m3·d)-1, 說明在該HRT下系統(tǒng)脫氮效果良好. HRT為30 h時(shí), TNLR在0.048~0.083 kg·(m3·d)-1之間波動(dòng), 前20周期內(nèi)TNRR波動(dòng)較大, 因?yàn)? ①厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)代謝緩慢, 厭氧氨氧化菌沒有足夠的時(shí)間對(duì)剩余的NH4+-N去除; ②HRT減小系統(tǒng)出水中伴隨厭氧氨氧化菌流失的現(xiàn)象, 厭氧氨氧化菌的繁殖速度無法及時(shí)補(bǔ)充其流失量.隨著周期數(shù)的增加, TNRR逐漸接近TNLR. HRT縮短至為27 h時(shí), TNLR在0.054~0.092 kg·(m3·d)-1波動(dòng), 前22周期內(nèi), TNRR在0.040~0.069 kg·(m3·d)-1之間波動(dòng), 運(yùn)行至25周期時(shí), TNRR接近TNLR, 脫氮效果較好.說明HRT越短, 系統(tǒng)脫氮性能達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng).

　　圖 4

圖 4 不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中總氮負(fù)荷的變化特征

　　蔣軍等采用人工配水, 當(dāng)HRT為24 h時(shí), TNLR為0.140 kg·(m3·d)-1, TNRR為0.120 kg·(m3·d)-1.李寧寧等控制溫度為36℃, 發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)最佳HRT為24 h, TNLR平均為0.179 kg·(m3·d)-1, TNRR為0.125 kg·(m3·d)-1.而本試驗(yàn)中, 當(dāng)HRT為33 h時(shí), TNLR及TNRR較上述研究低, 這是因?yàn)? ①本試驗(yàn)采用SBR處理實(shí)際生活污水, 在實(shí)現(xiàn)半亞硝化時(shí), 以其出水作為厭氧氨氧化的進(jìn)水, 故厭氧氨氧化系統(tǒng)中含有一定量的AOB及DO, 且在有機(jī)物的沖擊負(fù)荷下, 厭氧氨氧化反應(yīng)協(xié)同反硝化去除系統(tǒng)中的TN; ②由于控制溫度為24℃, 可能抑制了厭氧氨氧化菌的活性, 但是該溫度下對(duì)實(shí)際工程有較大的指導(dǎo)意義.

　　2.4 不同HRT下厭氧氨氧化和異養(yǎng)反硝化對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率

　　圖 5表示不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中COD變化特征, 圖 6表示不同HRT下系統(tǒng)中厭氧氨氧化和異養(yǎng)反硝化對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率特征.

　　圖 5

圖 5 不同HRT下ANAMMOX系統(tǒng)中COD變化特征

　　圖 6

圖 6 不同HRT下系統(tǒng)中貢獻(xiàn)率的特征

　　由圖 5可知, 整個(gè)反應(yīng)運(yùn)行過程中, COD平均進(jìn)水濃度為120 mg·L-1, COD出水濃度隨著HRT的縮短逐漸減小, 分析其原因, 反應(yīng)器運(yùn)行初期主要是由于厭氧氨氧化反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì), 異養(yǎng)反硝化較弱, 反應(yīng)前期COD降解速率較慢, 隨著異養(yǎng)反硝化緩慢地增加, COD降解速率逐漸加快.

　　由圖 6可知, HRT為36 h時(shí), 厭氧氨氧化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮的平均貢獻(xiàn)率為79.36%, 異養(yǎng)反硝化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮平均貢獻(xiàn)率為20.64%, 此時(shí)厭氧氨氧化占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位.當(dāng)HRT縮短至27 h時(shí), 厭氧氨氧化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮的平均貢獻(xiàn)率降至67.12%, 反硝化在系統(tǒng)中的脫氮平均貢獻(xiàn)率升至32.88%.隨著HRT的逐漸縮短, 厭氧氨氧化對(duì)脫氮貢獻(xiàn)率緩慢降低, 反硝化在系統(tǒng)中對(duì)脫氮貢獻(xiàn)率逐漸增加, 主要是因?yàn)? 試驗(yàn)污泥取自成功啟動(dòng)的厭氧氨氧化中的活性污泥, 故剛開始反應(yīng)以厭氧氨氧化為主, 隨著系統(tǒng)的逐漸運(yùn)行, 反硝化菌利用進(jìn)水中的COD發(fā)生異養(yǎng)反硝化脫氮, 研究結(jié)果與李媛[21]的研究結(jié)果一致.還有研究證明, 厭氧氨氧化菌與反硝化菌能在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)共存, 反硝化菌利用有機(jī)物將反應(yīng)器內(nèi)的NO3--N轉(zhuǎn)化為N2, 可解除有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化的抑制作用; 同時(shí)反硝化產(chǎn)生的CO2還可為厭氧氨氧化提供無機(jī)碳源, 兩者可實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用.

　　3 結(jié)論

　　(1) 采用SBR處理實(shí)際生活污水, 在實(shí)現(xiàn)半亞硝化時(shí), 其出水作為ASBR厭氧氨氧化反應(yīng)器的進(jìn)水, 當(dāng)HRT為33 h時(shí)其脫氮性能最佳, 出水NH4+-N和NO2--N平均濃度分別為1.36 mg·L-1和0.67 mg·L-1, 去除率均值分別為96.30%和98.24%, 出水NO3--N平均值為5.76mg·L-1.總氮容積負(fù)荷和總氮去除負(fù)荷分別為0.056 kg·(m3·d)-1和0.050 kg·(m3·d)-1.

　　(2) 由于進(jìn)水中存在少量的DO和COD, HRT會(huì)影響ΔNO2--N/ΔNH4+-N和ΔNO3--N/ΔNH4+-N的值, 當(dāng)HRT為33 h時(shí), 二者比值分別為1.17和0.15, 均小于厭氧氨氧化的理論值.

　　(3) 在整個(gè)運(yùn)行過程中, COD出水濃度隨著HRT的縮短逐漸降低, 厭氧氨氧化反應(yīng)與異養(yǎng)反硝化協(xié)同除氮, 隨著HRT的逐漸縮短, 厭氧氨氧化對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率逐漸減小, 而異養(yǎng)反硝化對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)率逐漸增加.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：安芳嬌)