A/O+Anammox工藝處理低C/N城市污水的脫氮性能

馬斌，張樹(shù)軍，王俊敏，常江，孟春霖，王淑瑩，彭永臻,

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱，150090；2. 北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京，100022；3. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100124)

城市污水現(xiàn)有脫氮工藝主要通過(guò)硝化和反硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而達(dá)到總氮(TN)去除的目的。反硝化過(guò)程是TN去除的關(guān)鍵步驟，需要充足的有機(jī)碳源來(lái)保證反硝化效果[1]。有機(jī)碳源被認(rèn)為是有機(jī)污染物，但從另外一個(gè)角度看有機(jī)碳源也可以通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，將其轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)[2]，因此，研究低碳污水脫氮工藝就顯得尤為重要。厭氧氨氧化技術(shù)的出現(xiàn)使自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)成為可能[3]。厭氧氨氧化菌(Anammox)利用亞硝酸鹽作為電子受體氧化氨氮，利用無(wú)機(jī)碳作為碳源，從而實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)生物脫氮的目的。但因Anammox菌世代周期比較長(zhǎng)[3-4]，所以，厭氧氨氧化主要用于高氨氮廢水處理，而隨著實(shí)際厭氧氨氧化工程的應(yīng)用和厭氧氨氧化顆粒污泥的研究不斷增多[5-6]，使得城市污水自養(yǎng)脫氮成為可能。基于以上分析，本文作者提出A/O+Anammox工藝實(shí)現(xiàn)城市污水自養(yǎng)脫氮，A/O工藝中主要實(shí)現(xiàn)半短程硝化，其出水進(jìn)入Anammox反應(yīng)器進(jìn)行厭氧氨氧化達(dá)到TN去除的目的。此工藝只需將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化相比，可節(jié)省 60%的耗氧量[7]；利用無(wú)機(jī)碳作為碳源，從而降低了生物脫氮對(duì)有機(jī)碳源的需求，從而可將水中的有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)(甲烷)[8]；同時(shí)，與常規(guī)反硝化工藝相比，厭氧氨氧化反應(yīng)器容積氮去除速率可高達(dá)76.7 kg/(m3·d)[9]，而反硝化濾池即使在投加甲醇為碳源時(shí)，容積氮去除速率僅為0.37~1.00 kg/(m3·d)[10-11]。本試驗(yàn)采用低C/N城市污水作為原水，考察A/O+Anammox工藝的脫氮性能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

A/O反應(yīng)器(見(jiàn)圖1)由有機(jī)玻璃制作。反應(yīng)器有效容積為24 L，等分成6個(gè)格室，其中前2個(gè)格室為缺氧區(qū)，后4個(gè)格室為好氧區(qū)。二沉池采用豎流式沉淀池，有效容積為12 L。試驗(yàn)進(jìn)水和污泥回流采用蠕動(dòng)泵控制，曝氣裝置采用砂頭曝氣，轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量氣量。Anammox反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制作，有效容積8 L，反應(yīng)器內(nèi)徑為8 cm，外裹黑色橡膠保溫材料，以避免光對(duì)厭氧氨氧化菌的負(fù)面影響[12]。Anammox反應(yīng)器內(nèi)裝有海綿填料(1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm)，其填充比為80%。

1.2 試驗(yàn)原水

本試驗(yàn)采用北京某城市污水廠初沉池出水，其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)Table 1 Characteristic of raw wastewater

1.3 分析項(xiàng)目與方法

SCOD的含量采用COD快速測(cè)定儀測(cè)定；NH4+-N的含量采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；NO3--N的含量采用麝香草酚分光光度法測(cè)定；NO2--N的含量采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定；TN的含量采用過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定；MLSS的含量采用濾紙稱重法測(cè)定；pH采用WTW 340i 在線監(jiān)測(cè)。水樣經(jīng)過(guò)0.45 μm濾紙過(guò)濾后測(cè)定以上各參數(shù)。

1.4 試驗(yàn)方法

圖1 A/O+Anammox工藝流程圖Fig.1 diagram of A/O+Anammox system

本試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)A/O反應(yīng)器處理實(shí)際城市污水，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化，本試驗(yàn)開(kāi)始前1月內(nèi)A/O反應(yīng)器出水亞硝酸鹽積累率η平均為76.9%，其中：η=ρ(NO2--N)/[ρ(NO2--N)+ρ(NO3--N)]×100%。Anammox反應(yīng)器已經(jīng)運(yùn)行2 a，本試驗(yàn)開(kāi)始前1月內(nèi)進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為(69.63±11.38) mg/L，NO2--N 質(zhì)量濃度為(73.65±9.18) mg/L。Anammox反應(yīng)器TN去除容積氮去除速率為(0.67±0.10) kg/(m3·d)。

本試驗(yàn)運(yùn)行期間，A/O反應(yīng)器運(yùn)行溫度為(28.9±1.3) ℃；好氧 4個(gè)格室 DO 質(zhì)量濃度依次為(1.96±0.48)，(0.95±0.36)，(0.52±0.18)和(0.50±0.18)mg/L；污泥回流比為50%，進(jìn)水量為4.14 L/h，水力停留時(shí)間(HRT)為5.79 h。通過(guò)控制剩余污泥排放量將污泥齡(SRT)控制為8 d左右。Anammox反應(yīng)器運(yùn)行溫度為(29.5±0.9) ℃，HRT 為 1.93 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 A/O+Anammox工藝對(duì)TN去除特性

A/O+Anammox工藝對(duì)TN的去除情況如圖2所示。系統(tǒng)進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為(62.01±3.81) mg/L，進(jìn)水ρ(SCOD)/ρ(TN)(C/N)平均值為 2.42，通過(guò)常規(guī)生物脫氮工藝很難達(dá)到較高的TN去除效果。A/O反應(yīng)器出水 TN 為(35.82±1.73) mg/L。A/O 反應(yīng)器出水進(jìn)入Anammox反應(yīng)器，其出水TN質(zhì)量濃度為(10.79±1.64)mg/L，可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。此工藝TN平均去除量為51.22 mg/L，其中A/O反應(yīng)器TN平均去除量為26.19 mg/L，占51.13%；Anammox反應(yīng)器TN平均去除量為25.03 mg/L，占48.87%。此工藝的提出主要基于自養(yǎng)生物脫氮，通過(guò)厭氧氨氧化作用達(dá)到TN的去除，而本實(shí)驗(yàn)有大部分 TN(51.75%)通過(guò) A/O反應(yīng)器去除。這主要是因?yàn)檫M(jìn)水中含有有機(jī)碳源，使得缺氧段發(fā)生充分的反硝化作用，同時(shí)在好氧段發(fā)生明顯的同步硝化反硝化作用。城市污水可通過(guò)預(yù)處理工藝使有機(jī)物得到回收利用，實(shí)現(xiàn)污水可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)，使得A/O反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)碳源質(zhì)量濃度降低，硝化反硝化去除的TN量減少，Anammox反應(yīng)器去除的TN量就會(huì)增加。

圖2 A/O+Anammox工藝對(duì)TN的去除效果Fig.2 TN removal in A/O+Anammox system

2.2 A/O反應(yīng)器對(duì)氮的轉(zhuǎn)化與去除

A/O反應(yīng)器進(jìn)出水氮濃度如圖3所示。由圖3可以看出：A/O 反應(yīng)器出水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)在 1.0左右，符合后續(xù) Anammox反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水的要求。同時(shí)，出水亞硝酸鹽積累率η較高，平均為83.73%，從而出水 NO3--N質(zhì)量濃度較低，為(3.03±0.85) mg/L，有利于后續(xù)Anammox反應(yīng)器對(duì)TN的去除。厭氧氨氧化不能利用NO3--N作為電子受體氧化NH4+-N，因此，A/O反應(yīng)器出水中NO3--N質(zhì)量濃度越低越好，即η越高越好。

在本試驗(yàn)進(jìn)行的第14天沿程取樣分析，水質(zhì)變化如圖4所示。原水與回流污泥(污泥回流比50%)進(jìn)入缺氧段，混合物懸浮固體(MLSS)的質(zhì)量濃度為3 471 mg/L，混合物揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)的質(zhì)量濃度為1 955 mg/L，回流污泥中攜帶的硝態(tài)氮在此通過(guò)反硝化作用去除。在好氧段發(fā)生硝化作用，將氨氮氧化為NO2--N和NO3--N，沿程亞硝酸鹽積累率η基本維持在88%左右，平均為88.19%。根據(jù)此次沿程取樣分析所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行氮物料守恒分析[13]，得出缺氧段氮去除量8.64 mg/L，占A/O反應(yīng)器TN去除的36.32%；好氧段同步硝化反硝化(SND)去除氮量為7.37 mg/L，占A/O反應(yīng)器TN去除量的30.94%；剩余污泥排放去除氮量為 7.79 mg/L，占 A/O反應(yīng)器 TN去除量的32.73%。本試驗(yàn)中A/O反應(yīng)器主要功能是進(jìn)行半短程硝化，因此，未設(shè)置硝化液回流，使得回流至缺氧段硝態(tài)氮量少，從而反硝化去除的氮量較低。此次沿程取樣時(shí)，好氧段DO質(zhì)量濃度平均為0.62 mg/L，這是好氧段SND現(xiàn)象較為明顯可能的原因，與以前的研究報(bào)道相一致[13-14]。

圖3 A/O反應(yīng)器進(jìn)出水氮濃度變化Fig.3 Variation of nitrogen concentration in A/O reactor

圖4 A/O反應(yīng)器沿程氮濃度變化(14 d)Fig.4 Variation of nitrogen concentration along A/O reactor (14 d)

2.3 Anammox反應(yīng)器對(duì)氮的去除

A/O反應(yīng)器出水經(jīng)中間水池進(jìn)入Anammox反應(yīng)器發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，從而達(dá)到自養(yǎng)脫氮的目的，Anammox反應(yīng)器出水氮濃度變化如圖5所示。從圖5可以看出：Anammox反應(yīng)器出水NH4+-N質(zhì)量濃度為(1.83±1.94) mg/L，基本可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)。反應(yīng)器出水中的 NO2--N質(zhì)量濃度比較高時(shí)，會(huì)對(duì)受納水體產(chǎn)生毒害作用，同時(shí)消耗水中的溶解氧[15]，因此，應(yīng)控制出水 NO2--N質(zhì)量濃度。本試驗(yàn)通過(guò)控制Anammox 進(jìn)水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)在 1.0 左右，低于文獻(xiàn)[3]報(bào)道的1.32，即進(jìn)水NO2--N質(zhì)量濃度不足，從而控制 Anammox反應(yīng)器出水 NO2--N質(zhì)量濃度較低。從圖 5還可以看出：Anammox反應(yīng)器出水中NO2--N質(zhì)量濃度僅為(0.76±0.48) mg/L。Anammox出水中主要是 NO3--N 質(zhì)量濃度較高，為(6.92±1.08)mg/L，可通過(guò)在Anammox反應(yīng)器上部設(shè)置反硝化區(qū)域，投加少量有機(jī)碳源(如甲醇)，將厭氧氨氧化產(chǎn)生的 NO3--N反硝化去除，從而進(jìn)一步降低該工藝出水TN質(zhì)量濃度，此措施有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

Anammox反應(yīng)器化學(xué)計(jì)量學(xué)關(guān)系如圖 6所示。ρΔ(NO2--N)和 ρΔ(NH4+-N)分別為反應(yīng)器中去除的NO2--N和NH4+-N的含量，ρΔ(NO3--N)為反應(yīng)中生成的 NO3--N 的含量。ρΔ(NO2--N)/ρΔ(NH4+-N)為 1.05±0.22，平均值為 1.05，低于文獻(xiàn)[3]報(bào)道的 1.32；ρΔ(NO3--N)/ρΔ(NH4+-N)為 0.28±0.07，平均值為 0.28，略高于文獻(xiàn)報(bào)道的0.26[3]。以上2個(gè)比值與文獻(xiàn)報(bào)道不一致，可能是因?yàn)锳nammox反應(yīng)器進(jìn)水含有溶解氧和少量SS(活性污泥)，使得Anammox反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生硝化作用，導(dǎo)致 ρΔ(NH4+-N)和 ρΔ(NO3--N)的含量增加，從而使得 ρΔ(NO2--N)/ρΔ(NH4+-N)降低，ρΔ(NO3--N)/ρΔ(NH4+-N)增加。

圖5 Anammox反應(yīng)器出水氮濃度變化Fig.5 Variation of nitrogen concentration in effluent of Anammox reactor

圖6 Anammox反應(yīng)器化學(xué)計(jì)量系數(shù)Fig.6 Stoichiometric ratio of Anammox reactor

3 結(jié)論

(1) A/O+Anammox工藝處理城市污水存在可行性，在進(jìn)水TN平均質(zhì)量濃度為62.01 mg/L，C/N為2.42的條件下，工藝出水 TN平均質(zhì)量濃度為 10.79 mg/L，NH4+-N平均質(zhì)量濃度為1.83 mg/L，基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

(2) A/O反應(yīng)器中主要通過(guò)缺氧反硝化作用、好氧同步硝化反硝化和剩余污泥排放達(dá)到 TN去除的目的，其TN去除量占工藝TN去除量的占51.13%；同時(shí)可將 A/O 反應(yīng)器出水 ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)控制在1.0左右，滿足后續(xù)Anammox反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水的要求。

(3) Anammox反應(yīng)器主要通過(guò)厭氧氨氧化作用脫氮，其去除TN量占工藝TN去除量的48.87%；厭氧氨氧化的實(shí)現(xiàn)是A/O+Anammox工藝高效處理低C/N城市污水的關(guān)鍵。

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