高濃度氨氮廢水的短程硝化研究
摘 要：采用6 L的完全混合式反應器(CSTR)進行了高濃度氨氮廢水的短程硝化研究。在溫度為35℃、反應器內平均DO濃度為0.5～2.5mg/L、pH值為7～7.8的條件下連續運行141d的試驗結果表明：在第26天時實現了短程硝化，從第73天開始出水中檢測不出NO3-；在增加了連續污泥回流的情況下，反應器出水中也一直檢測不到NO3-；在進水氨氮容積負荷達到1.2kgNH3-N/(m3•d)時，氨氮去除率仍保持在95%以上。掃描電鏡的觀察結果表明污泥中的細菌以短桿菌和球菌為主。
1、試驗裝置、材料與方法
試驗裝置及工藝流程如圖1所示。
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廢水經由進水泵從水箱中提升進入反應器底部，經反應后從出水口進到沉淀池中，沉淀后的上清液排走，污泥則經污泥泵回流進入反應器底部。空氣通過氣泵，經氣體流量計控制氣量后進入反應器。反應器置于恒溫水浴[(35±1) ℃]中。試驗中采用了pH在線控制，通過自動投加Na2CO3溶液將pH值控制在7.0～7.8。
CSTR反應器由有機玻璃加工而成，呈圓柱狀，高45cm，內徑為14cm，有效容積為6L。進水口位于反應器底部，曝氣管從中部取樣口(距底部19cm)進入反應器，出水口距反應器底部39cm。
原水的配制：在自來水中加入一定量的氯化銨作為基質，同時加入一定量的磷酸二氫鉀和微量元素。
接種顆粒污泥取自北京紅牛維他命飲料有限公司的曝氣池(污泥的SS為14.2g/L，VSS為11.4g/L，VSS/SS＝0.8)。在反應器中接種約2.5L污泥后的SS和VSS分別為6.3和4.7g/L。
分析時，COD測定：COD速測儀；pH值：Ph計；SS和VSS：標準稱重法；氨氮：納氏試劑分光光度法；NO2--N和NO3--N：離子色譜法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法；溶解氧：溶解氧儀。
2 試驗結果
2.1 運行結果
根據反應器的運行情況，可將試驗過程分為兩個階段：啟動期(第1～23天)和提高負荷期(第24～141天)。在提高負荷期又可分為無回流階段(第24～40天)、間歇回流階段(第41～93天)和連續回流階段(第94～141天)。
整個運行過程中進、出水氨氮濃度及出水NO2--N和NO3--N濃度的變化如圖2所示。
從圖2可以看出，在整個運行過程中多數情況下出水的氨氮濃度＜800mg/L，而在第125～139天時則基本保持在50mg/L以下。此外，出水NO2--N濃度在第84天以前一直保持上升趨勢，后期則由于受進水氨氮濃度下降的影響，也相應地有所下降，而出水中的NO3--N先是逐漸升高，然后再下降，到第26天時出水中的NO3--N濃度已經低于NO2--N濃度，NO2--N濃度與NO2--N、NO3--N濃度之和的比值達到了0.57，說明此時該反應器已成功實現了短程硝化。此后，NO3--N濃度一直在持續下降，到第73天時已經檢測不到NO3--N，在試驗后期即使增加了污泥回流，出水中也沒有檢測到NO3--N，這表明反應器中幾乎完全淘汰了硝化細菌。
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氨氮去除率和容積負荷的變化如圖3所示。
由圖3可以看出，隨著反應器運行時間的延長，容積負荷也逐漸提高，啟動初期容積負荷僅為0.02kgNH3-N/(m3·d)，到啟動期結束時(第23天)達到了0.1kgNH3-N/(m3·d)左右；在第72～123天基本保持在0.6～0.8kgNH3-N/(m3·d)；此后進一步提升負荷，最高時達到了1.4kgNH3-N/(m3·d)。從圖3可以看出，氨氮去除率出現了4次較大的下降，分別出現在第37天、第68天、第86天以及第111～117天之間，其原因主要是反應器內污泥濃度的降低導致了生物活性下降。
反應器內MLSS的變化如圖4所示。
從圖4可以看出，反應器內的MLSS波動較大。在反應器運行過程中污泥的增長量始終跟不上污泥的流失量，所以在沒有污泥回流(第41天以前)的情況下，反應器中污泥濃度呈下降趨勢，MLSS從接種時的6300mg/L一直降到了300mg/L。為保證反應器內具有足夠的污泥量，在第41～93天改按人工間歇回流污泥的方式運行。反應器外排的污泥都被收集起來并加以培養，當反應器內的MLSS＜1000mg/L時再把這些污泥補充到反應器中以保證反應器內的污泥濃度。從第94天開始增加了沉淀池和污泥回流系統(如圖1中虛線部分所示)，反應器的運行改為連續污泥回流，所以從第41～141天反應器內平均MLSS基本維持在2000mg/L。
反應器內平均DO濃度變化見圖5。
從圖5可以看出，反應器中DO濃度主要控制在兩個水平，即在第121天以前反應器內DO為1mg/L左右，從第122～141天則主要控制在2mg/L左右。進、出水總氮的變化見圖6。
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由圖6可以看出，在反應器運行的141d中進、出水總氮濃度始終存在一定的差異，這說明并非所有被氧化的氨氮都轉化成了NO2--N。其相差部分可能是被用于合成新的細胞物質，但計算表明用于合成的氨氮非常少，仍有部分氨氮以其他方式消失了，由于反應器內DO濃度較低，消失的這部分氨氮有可能與其他氮素轉化途徑有關，比如好氧反硝化、由自養硝化細菌引起的反硝化或同時硝化反硝化(SND)等，這些仍有待進一步證實。
2.2 污泥狀況
反應器運行到第87天時從排泥中取樣進行掃描電鏡觀察，發現泥中細菌數量較多(以短桿菌和球菌為主)，但其表面似乎包裹著一層粘性物質。從細菌形態看，球菌可能是亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)的細菌，而桿菌則可能是亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)的細菌。
3 討論
有、無污泥回流的運行試驗結果均表明，泥齡的長短并不影響短程硝化的實現，即使在比1. 5d更長的泥齡條件下硝化細菌仍逐漸被淘汰出反應器，從而實現了NO2--N的穩定積累。在連續進行污泥回流的情況下仍能夠穩定地實現短程硝化，表明該工藝有望進一步直接應用于處理低濃度氨氮廢水中。
4 結論
①以自行配制的高氨氮廢水為進水，以普通活性污泥為種泥，在溫度為35℃、CST R反應器平均DO濃度為0.5～2.5mg/L、pH值為7～7.8的條件下連續運行，在無污泥回流的狀況下從第26天開始出水中的NO2--N濃度超過了NO3--N濃度，成功地實現了短程硝化；
②反應器在增加間歇污泥回流的條件下運行，出水中NO3--N濃度仍一直呈下降趨勢，約30d后出水中檢測不出NO3--N；當反應器采用連續污泥回流的方式運行時，反應器出水中也一直檢測不到NO3--N，表明在泥齡較長的運行條件下也能夠成功地實現短程硝化；
③反應器在進水氨氮容積負荷達到1.2kg/(m3·d)時，氨氮去除率仍保持在95%以上；
④掃描電鏡的觀察結果表明污泥中的細菌以短桿菌和球菌為主。
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