間歇曝氣模式下曝氣量對短程硝化恢復影響

　　硝化細菌具有生長(cháng)速率低、生物量小和對環(huán)境因子敏感等生理特征, 導致城鎮污水處理廠(chǎng)硝化系統比較脆弱, 受負荷沖擊后硝化系統很難穩定運行甚至崩潰, 導致出水不達標.而硝化菌在短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝對于脫氮能力起著(zhù)決定性作用, 它所包含的AOB(氨氧化菌)在維持穩定的短程硝化階段成為優(yōu)勢菌種, 從而保證短程硝化的穩定和除碳脫氮的能力.在實(shí)際運行過(guò)程中, 由于設備的閑置, 儀器的調試等等原因, 導致污泥失去活性, 而使得系統解體, 因此對于短程硝化污泥擱置后, 活性能否迅速恢復至關(guān)重要, 而國內外關(guān)于硝化菌活性恢復主要集中在硝化菌富集培養、固定化技術(shù)應用的研究, 這些方法可以使得硝化菌得到高密度的培養, 能夠在短時(shí)間內提供大量硝化細菌, 但純菌培養難以抵抗負荷的沖擊, 而不能應用于實(shí)際, 因此采用簡(jiǎn)單快捷的方式恢復硝化菌的活性至關(guān)重要.王新華等將擱置2個(gè)月后好氧硝化顆粒污泥, 采用較高的曝氣量和較長(cháng)的循環(huán)時(shí)間, 運行第65 d時(shí), 硝酸菌活性得到完全恢復.而對于擱置較長(cháng)時(shí)間的短程硝化污泥活性恢復的研究較鮮見(jiàn), 本文在交替好氧/缺氧模式下, 采用不同曝氣量對擱置2個(gè)月的短程硝化污泥進(jìn)行恢復, 實(shí)現氨氮高效去除和亞硝氮穩定積累, 以期為短程硝化污泥活性恢復在實(shí)際工程應用中提供依據.

　　1 材料與方法 1.1 試驗裝置

　　SBR反應器采用有機玻璃柱制成(圖 1), 直徑15 cm, 高40 cm, 有效容積5 L.其側壁設有取樣口, 采用攪拌器攪拌, 利用時(shí)間控制器實(shí)現間歇曝氣, 采用溫度控制器調節溫度.

 　　1.2 接種污泥

　　接種污泥取自擱置2個(gè)月的短程硝化污泥, 濃度為3 000 mg ·L-1左右, 污泥MLVSS/MLSS(f值)為0.46.

　　1.3 試驗用水水質(zhì)及檢測方法

　　試驗用水取自蘭州交通大學(xué)家屬區實(shí)際生活污水, 其水質(zhì)指標見(jiàn)表 1.

 　　取100 mL混合污泥置于量筒中, 靜置30 min, 測定SV30.從反應器中取100 mL水樣, 用定量濾紙過(guò)濾, 濾紙殘余物在105℃的烘箱內烘至恒重, 冷卻后測量MLSS.然后在600℃的馬弗爐內烘至恒重, 冷卻后測量MLVSS.水樣經(jīng)濾紙過(guò)濾后根據國家標準方法測定COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N.

　　1.4 運行模式

　　溫度控制在25℃, 運行工況如表 2所示, 單周期交替好氧:缺氧=30 min :30 min模式, 最后一次交替好氧后不再進(jìn)行缺氧反應, 之后沉淀30 min后排水, 排水比為75%.

 　　1.5 計算方法

　　氨氮去除率、亞硝酸鹽氮積累率、硝酸鹽氮積累率、比氨氮氧化速率(SAOR)、比亞硝酸鹽氮產(chǎn)生速率(SNiPR)和比硝酸鹽氮產(chǎn)生速率(SNaPR)的計算參考孫洪偉等的公式進(jìn)行.

　　1.5.1 AOB和NOB的活性計算

　　AOB活性的計算：

 　　式中, ηAOB活性為AOB活性, %; SAORn為第n周期曝氣結束時(shí)SAOR(以N/VSS計), g ·(g ·d)-1; SAORm為整個(gè)試驗階段SAOR的平均值(以N/VSS計), g ·(g ·d)-1.

　　NOB活性的計算：

 　　式中, ηNOB活性為NOB活性, %; SNaPRn為第n周期曝氣結束時(shí)SNaPR(以N/VSS計), g ·(g ·d)-1; SNaPRm為整個(gè)試驗階段SNaPR的平均值(以N/VSS計), g ·(g ·d)-1.

　　1.5.2 同步硝化反硝化計算

　　根據張建華等提出的同步硝化反硝化(SND)率計算方法, 在此公式中忽略了反應過(guò)程微生物的同化作用和細胞死亡的影響, 計算公式如下：

 　　式中, CSND率為同步硝化反硝化率, %; (NOx--N)進(jìn)-出表示系統曝氣前后NOx--N(NO2--N+NO3--N)的增加量, mg ·L-1; (NH4+-N)進(jìn)-出為系統曝氣前后NH4+-N的減少量, mg ·L-1.

　　2 結果與討論 2.1 曝氣量對氨氮去除及比氨氧化速率恢復變化特性

　　在城市污水生物脫氮過(guò)程中, 硝化反應是生物脫氮的關(guān)鍵步驟, 硝化菌對活性污泥的脫氮性能和穩定性起著(zhù)決定性的作用.由硝化菌占優(yōu)勢的活性污泥會(huì )比傳統異養菌占優(yōu)勢的好氧活性污泥有更好的穩定性和同時(shí)去除氮的能力.圖 2為不同曝氣量下氨氮去除及比氨氧化速率恢復變化特性, 在進(jìn)水氨氮濃度維持在50~80 mg ·L-1時(shí), 出水氨氮濃度都呈現逐漸遞減的趨勢, 分別在12、18、21和21周期以后穩定在5 mg ·L-1以下, 滿(mǎn)足《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》GB 18918-2002一級A排放標準, 而氨氮的去除率都高達95%左右; 郭秀麗等的研究發(fā)現, 顆粒污泥儲存25 d經(jīng)過(guò)37個(gè)周期的活化, 氨氮去除效果才得到恢復; 儲存30 d的污泥經(jīng)過(guò)51個(gè)周期活化, 氨氮去除效果得到恢復; 儲存35 d的污泥經(jīng)過(guò)39個(gè)周期的活化運行, 氨氮去除率仍小于40%, 并且觀(guān)察到此時(shí)顆粒污泥的表面有絲狀菌, 無(wú)法實(shí)現活性的恢復, 而本試驗中對于擱置2個(gè)月的短程硝化污泥進(jìn)行恢復, 恢復周期均小于45周期, 氨氮去除率高到95%以上.

 　　4種曝氣量下, 比氨氧化速率都呈現先增加后逐漸趨于穩定的狀態(tài), 最終平均值分別穩定在0.31、0.27、0.20和0.15 g ·(g ·d)-1.賀亮利用中試規模的倒置A/O工藝, 在溫度為20℃、HRT為24 h、SRT為16 d時(shí), 富集活性污泥的最大比氨氧化速率(以NH4+-N/VSS計)為26.87 mg ·(g ·h)-1; 王正富利用高氨氮濃度的污泥在O/A反應器(側流系統)中, 控制SRT為10 d時(shí), 富集培養硝化菌, 最大比氨氧化速率為26.08 mg ·(g ·h)-1, 與本試驗比氨氧化速率差異較大, 但與劉宏等實(shí)現短程硝化時(shí)的比氨氧化速率接近.分析原因可能是由于：①富集培養可以得到高活性硝化污泥, 而且密度較大, 從而產(chǎn)生的比氨氧化速率也較高, 而本研究所得到的硝化污泥有較高的硝化活性, 但是硝化菌沒(méi)有進(jìn)行富集培養, 使得所占的比重較小, 引起速率的變化相對較低. ②倒置A/O工藝和O/A反應器(側流系統)都屬于連續曝氣, 而本試驗采用的是間歇曝氣, 從而產(chǎn)生差異.結果表明, 4種曝氣量恢復污泥活性都可以得到氨氮較高的去除, 曝氣量為120 L ·h-1時(shí), 所用總曝氣時(shí)間為120 min, 而曝氣量為60 L ·h-1時(shí), 所用總曝氣時(shí)間為210 min, 相對來(lái)說(shuō)曝氣量越大, 所需的曝氣時(shí)間越少, 氨氮達到穩定出水所需的運行周期較短, 而比氨氧化速率相對較高.

　　2.2 曝氣量對短程硝化、比亞硝態(tài)氮/硝態(tài)氮產(chǎn)生速率及SND恢復的影響

　　圖 3為短程硝化、比亞硝態(tài)氮/硝態(tài)氮產(chǎn)生速率恢復變化, 整個(gè)試驗過(guò)程中, 亞硝氮和硝氮進(jìn)水濃度均較低(見(jiàn)表 1), 亞硝氮出水濃度隨著(zhù)運行周期的增加均呈現增加的趨勢, 而后趨于穩定, 由于接種污泥取自成功實(shí)現短程硝化擱置2個(gè)月的活性污泥, 使得在整個(gè)運行過(guò)程中, 硝氮濃度呈現先增加后逐漸減少的趨勢, 但出水硝氮濃度均維持在5 mg ·L-1以下, 第30、35、38和42周期時(shí), 亞硝氮積累濃度分別達到20.83、22.81、21.50和20.73 mg ·L-1, 硝氮出水濃度分別為0.06、0.06、0.47和0.22 mg ·L-1, 亞硝積累率分別高達99.79%、99.81%、99.77%和99.72%, 表明短程硝化得到成功恢復; 高春娣等采用間歇曝氣比為30 min :30 min, 控制總間歇曝氣時(shí)間為240 min, 亞硝酸鹽氮積累率達到90.00%以上.劉洪濤采用間歇曝氣比為30 min :30 min, 總間歇曝氣時(shí)間控制在360 min, 亞硝酸鹽氮積累率91.20%, 短程硝化活性恢復比實(shí)現短程硝化的亞硝積累率高, 證明活性恢復試驗成功. 4種曝氣量條件下, 比亞硝態(tài)氮產(chǎn)生速率都呈現先增加后逐漸穩定為0.11、0.10、0.07和0.05 g ·(g ·d)-1, 而比硝氮產(chǎn)生速率均先增大后逐漸趨于零, 4種曝氣量的長(cháng)短導致產(chǎn)生速率略有差異.根據劉宏等實(shí)現短程硝化過(guò)程中, 亞硝氮積累濃度穩定為20 mg ·L-1左右, 亞硝積累率達到95%, 比亞硝態(tài)氮產(chǎn)生速率穩定在0.06~0.08 g ·(g ·d)-1, 與本試驗研究結果基本一致, 短程硝化污泥活性得到完全恢復.

 　　在短程硝化恢復過(guò)程中, 進(jìn)水總氮(以氨氮、亞硝氮和硝氮計)濃度維持在50~80 mg ·L-1, 出水總氮濃度均在20~30 mg ·L-1, 發(fā)生了明顯的氮損失.如圖 4所示, 4種曝氣量下SND率的變化, 這可能是由于發(fā)生同步硝化反硝化(SND)所導致, 同時(shí)污泥中的微生物生長(cháng)繁殖也會(huì )同化一部分含氮污染物.

 　　2.3 曝氣量對AOB和NOB活性恢復的影響

　　前期試驗成功實(shí)現短程硝化的污泥, AOB已成為優(yōu)勢菌種, 而NOB逐漸被淘汰.圖 5為擱置兩個(gè)月后的該污泥在不同曝氣量下對AOB和NOB活性恢復影響, 可以看出4種曝氣量下AOB活性初期呈現波動(dòng)但活性較高, 最終均穩定在100%左右, 這是由于間歇曝氣實(shí)現了DO在時(shí)間和空間上的變化, 能夠經(jīng)受住“飽食饑餓”特性, 從而保持穩定的活性.曝氣量為120 L ·h-1時(shí), 1~12周期, NOB活性逐漸增大, 增幅明顯高于A(yíng)OB, 最高達到239.66%, 而后逐漸遞減, 25周期之后NOB活性才低于A(yíng)OB活性, AOB完全占據優(yōu)勢.曝氣量為100 L ·h-1時(shí), 15周期前, AOB和NOB活性基本持平, 由于間歇曝氣的作用, 后期NOB活性逐漸被抑制, 17周期之后AOB活性完全占據主動(dòng).曝氣量為80 L ·h-1和60L ·h-1時(shí), NOB活性恢復基本都低于A(yíng)OB, 運行前期, NOB活性增幅都較小, 5周期之后基本均呈現逐漸遞減的趨勢, 分別在第9和15周期之后AOB活性基本超過(guò)NOB活性, AOB成為優(yōu)勢菌種.間歇曝氣實(shí)現了DO在時(shí)間和空間上的變化, AOB能夠經(jīng)受住“飽食饑餓”特性, 從而保持穩定的活性, 而NOB逐漸被淘汰.曾薇等采用SBR工藝處理低C/N實(shí)際生活污水, 接種全程硝化污泥, 通過(guò)控制曝氣量為40 L ·h-1, 歷經(jīng)60 d、180個(gè)周期的運行可以在全程硝化污泥系統中成功啟動(dòng)短程硝化, 而曝氣量為100~200 L ·h-1時(shí), NOB與AOB依然保持共生關(guān)系, NOB的活性也無(wú)法成功抑制, AOB相對于NOB不能形成明顯的競爭優(yōu)勢.有研究也表明, 間歇曝氣模式可以抑制NOB生長(cháng), 但是對AOB的生長(cháng)沒(méi)有影響.本試驗表明, 通過(guò)間歇曝氣模式在不同曝氣量下都可以實(shí)現AOB活性的恢復.

 　　2.4 不同曝氣量對污泥性能的影響

　　污泥活性和沉降性能的好壞影響著(zhù)短程硝化的恢復及穩定性, 其中污泥容積指數(SVI)和f值(MLVSS/MLSS)是影響反應穩定運行的重要參數.反應過(guò)程中控制MLSS為2 000~3 000 mg ·L-1, 曝氣量為120 L ·h-1時(shí), SVI一直呈現下降的趨勢, 而其他3種曝氣量下均先增加后逐漸減少, 運行周期結束時(shí), SVI值均穩定在60~80 mL ·g-1(圖 6), 污泥具有良好的沉降性能. f值均呈現先增加后逐漸趨于穩定的趨勢, 16周期之間基本都呈現線(xiàn)性增長(cháng)的趨勢, 最后穩定在0.82~0.83(圖 6).張為堂等通過(guò)二次啟動(dòng)發(fā)現, 反應器內污泥的SVI值逐漸降低, 試驗末SVI值均穩定在82 mL ·g-1左右, 具有了非常好的沉降性能, 與本研究結果一致.本研究結果表明, 不同曝氣量下都能夠實(shí)現污泥的活性恢復, 污泥都具有較高的活性和良好的沉降性能.

  　　3 結論

　　(1) 在間歇曝氣模式下, 4種曝氣量下都能使擱置2個(gè)月的短程硝化污泥得到恢復, 氨氮得到較高的去除, 去除率維持在95%以上.亞硝積累率高達95%以上, 成功實(shí)現亞硝的穩定積累.

　　(2) 間歇曝氣可以使得溶解氧經(jīng)歷周期性的好氧/缺氧交替, AOB具備的“飽食饑餓”特性, 為其成為優(yōu)勢菌群創(chuàng )造條件, 而NOB不具備該特點(diǎn), 其活性受到抑制.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　(3) 從恢復時(shí)間角度考慮, 采用曝氣量為120 L ·h-1, 污泥活性恢復較快, 且具有良好的沉降性能.