生活污水厭氧氨氧化脫氮工藝研究

孫亞男

（呂梁市生態(tài)環(huán)境局，山西 呂梁 033000）

2021 年，全國水污染物氨氮排放總量為103.34 萬t，總氮排放總量為304.14 萬t，生活污水在這之中占有非常大的比例[1]。近年來，厭氧氨氧化工藝被認為是最科學(xué)最環(huán)保的污水脫氮技術(shù)。厭氧氨氧化過程無需將NH4+-N 徹底氧化為NO3--N，只需要將部分NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，理論上節(jié)約62.5%的曝氣能耗；此外，厭氧氨氧化細菌作為自養(yǎng)菌，無需外加碳源便能發(fā)生脫氮反應(yīng)，節(jié)約了處理成本；在工藝上，厭氧氨氧化反應(yīng)中理論上不產(chǎn)生N2O，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。厭氧氨氧化技術(shù)作為一種新型的生物脫氮途徑，改變了人們對傳統(tǒng)氮循環(huán)理論的認識，其在高氨氮廢水如污泥厭氧消化液、垃圾滲濾液等處理中獲得了較好研究基礎(chǔ)，并實現(xiàn)了初步工程應(yīng)用，因此本文對污水應(yīng)用厭氧氨氧化工藝進行脫氮研究[2-3]。

1 厭氧氨氧化工藝原理

厭氧氨氧化是指在厭氧條件下以亞硝酸鹽氮為電子受體將氨氮轉(zhuǎn)化成氮氣的過程，反應(yīng)原理見式（1）。1997 年VandeGraaf 等通過同位素示蹤提出厭氧氨氧化反應(yīng)可能的代謝途徑，在該代謝途徑中，亞硝酸鹽還原酶將NO2--N 還原為羥胺（NH2OH），之后羥胺與NH4+-N 在水解酶的作用下反應(yīng)生成肼（N2H4），最后N2H4發(fā)生氧化反應(yīng)生成N2，完成厭氧氨氧化過程。厭氧氨氧化工藝主要受到溫度、溶解氧（DO）、碳源及碳氮比（C/N）的影響[4-5]。

2 厭氧氨氧化工藝影響因素

2.1 溫度

厭氧氨氧化細菌最適宜的生長溫度為25～40 ℃，這主要與參與微生物代謝的酶活性有關(guān)，而酶的活性與溫度緊密相關(guān)，只有在適合的溫度下厭氧氨氧化細菌才能表現(xiàn)出良好的活性。當溫度從30 ℃降至20 ℃和10 ℃，厭氧氨氧化細菌的活性分別降低至原活性的39%和14%。但是一般城鎮(zhèn)生活污水的溫度為10～25 ℃，厭氧氨氧化細菌在這個溫度下活性較低，反應(yīng)變慢，脫氮效果更差。

2.2 溶解氧（DO）

厭氧氨氧化細菌為厭氧（缺氧）菌，氧氣濃度的變化對細菌的活性有著重要的影響，當氧氣含量較低時，細菌的反應(yīng)速度會加快，活性也會增高，而生活污水中的溶解氧濃度受環(huán)境影響較大，因此需要對污水中的溶解氧濃度進行嚴格控制，避免污水中的氧氣濃度過高。

2.3 碳源

厭氧氨氧化細菌需要碳源來提供能量，二氧化碳等碳源物質(zhì)在生活污水中可以為厭氧氨氧化細菌提供必須的能量以及所需的生存環(huán)境，因此需要在生活污水中保持適量的碳源。

2.4 碳氮比（C/N）

在生活污水中除了溫度與溶解氧為必要物質(zhì)外，碳氮比也會對厭氧氨氧化細菌的活性有重要影響。生活污水中的碳氮比一般為2～5，而厭氧氨氧化細菌適宜生存環(huán)境中的碳氮比為<0.5，較高的碳氮比不利于厭氧氨氧化細菌進行脫氮反應(yīng)，因此需要對生活污水中的碳氮比采取一定的方法進行降低，為厭氧氨氧化細菌提供適宜的生存條件。

3 亞硝化-厭氧氨氧化耦合工藝

由圖1 可知，亞硝化-厭氧氨氧化耦合工藝設(shè)計為兩個反應(yīng)器，第一個反應(yīng)器為A/O 反應(yīng)器，第二個反應(yīng)器為UASB 反應(yīng)器，反應(yīng)器之間用水池連接。在A/O 反應(yīng)器中，設(shè)置了缺氧區(qū)以及好氧區(qū)，采用恒溫水浴，水溫控制在31 ℃，污泥從底部回流至反應(yīng)器。UASB 反應(yīng)器中溫度控制在37 ℃左右，出水通過回流至A/O 反應(yīng)器中，并且采用循環(huán)泵提高回流效果。

圖1 反應(yīng)裝置圖

4 部分亞硝化-厭氧氨氧化耦合工藝研究

4.1 部分亞硝化反應(yīng)器的快速啟動

在亞硝化反應(yīng)器的快速啟動中首先向A/O 反應(yīng)器接種活性污泥，將污泥質(zhì)量濃度保持在2 g/L，然后加入磁混凝生活污水，開始連續(xù)進水。維持曝氣區(qū)域DO質(zhì)量濃度為0.4 mg/L 左右，非曝氣區(qū)域DO 質(zhì)量濃度為0.05 mg/L 左右，pH 為7.2～7.4，溫度31 ℃。啟動階段，每天監(jiān)測部分亞硝化反應(yīng)器進水TN 和NH4+-N濃度，測定出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N 濃度，工藝啟動及運行效果如圖2 所示。

圖2 部分亞硝化啟動階段運行結(jié)果

1～5 d，進水TN、NH4+-N 質(zhì)量濃度分別為42.6 mg/L和35.18 mg/L，經(jīng)好氧區(qū)曝氣反應(yīng)后，部分亞硝化反應(yīng)器出水TN 質(zhì)量濃度為22.79 mg/L，NH4+-N 質(zhì)量濃度為15.30 mg/L，NO2--N 質(zhì)量濃度為7.36 mg/L，NO2--N/NH4+-N 質(zhì)量濃度為0.48 mg/L，遠低于適于厭氧氨氧化反應(yīng)發(fā)生的理論計量比1.32 mg/L。這主要是由于曝氣階段DO 質(zhì)量濃度較低，如此低的溶解氧濃度會造成氨氧化速率降低，氨氮硝化效果較差，導(dǎo)致出水亞硝酸鹽濃度較低，同時低曝氣量也會造成混合液攪拌不足，導(dǎo)致污泥沉降于池底。因此將曝氣流量由0.4～ 0.6 L/min 提高到0.6～0.8 L/min，同時將曝停比（時間比，min）由5∶30 提高到5∶20，進一步提高亞硝酸鹽積累率。

6～17d，部分亞硝化反應(yīng)器出水氨氮質(zhì)量濃度降低至8.99 mg/L，亞硝酸鹽質(zhì)量濃度上升至9.17 mg/L，硝酸鹽質(zhì)量濃度維持在0 mg/L，NAR 達到100%，實現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝化，出水NO2--N/NH4+-N 質(zhì)量濃度增大至1.25 mg/L，該出水水質(zhì)有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的進行。分析原因，該階段DO 質(zhì)量濃度增大到0.6～0.8 mg/L，氨氧化效果得到明顯提升，但DO 濃度仍然處于較低水平，在較低DO 質(zhì)量濃度下，AOB 比NOB更具備競爭優(yōu)勢，從而出現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累，同時大量研究表明在高溫（30～35 ℃）時有利于部分亞硝化的穩(wěn)定運行，反應(yīng)器通過水浴控制在31 ℃的高溫，利于AOB 的增殖，也有利于部分亞硝化的啟動。

4.2 不同運行階段氮的去除

如圖3 所示，反應(yīng)器成功啟動后，階段Ⅰ中的總氮去除了79%，大部分的污染氮物質(zhì)得到了去除，在階段Ⅱ中，由于提高了污水中溶解氧的濃度，厭氧氨氧化細菌的活性得到了提高，因此氨氮去除率較第一階段提高了13%，在階段Ⅲ中，由于進入反應(yīng)器中的含氮鹽物質(zhì)相對較低，所以氨氮去除率較低，相比較，階段Ⅱ中的氨氮去除率最高，因此在保持適宜溫度、碳源以及碳氮比的條件下，提高污水中溶解氧濃度對于NH4+-N 的去除有促進作用。

圖3 各階段氮質(zhì)量濃度

5 結(jié)論

本研究中厭氧氨氧化反應(yīng)器與常規(guī)生化反應(yīng)器（A/O）串聯(lián)，在常規(guī)生化反應(yīng)器實現(xiàn)亞硝化。厭氧氨氧化工藝作為深度脫氮工藝，進一步將氨氮和亞氮轉(zhuǎn)化為氮氣。在基本不額外增加運行成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了排水的提質(zhì)增效。該工藝的控制參數(shù)對現(xiàn)有污水處理廠提標、降耗具有一定借鑒意義。