間歇曝氣比在短程硝化中對硝化活性的影響*

劉 宏 彭永臻 盧炯元 南彥斌 曾立云 陳永志#

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.北京工業大學城鎮污水深度處理與資源化利用技術國家工程實驗室，北京 100124)

間歇曝氣比在短程硝化中對硝化活性的影響*

劉 宏1彭永臻2盧炯元1南彥斌1曾立云1陳永志1#

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.北京工業大學城鎮污水深度處理與資源化利用技術國家工程實驗室，北京 100124)

采用序批式間歇反應器(SBR)處理生活污水，溫度控制在(25.0±0.5) ℃，研究好氧曝氣與缺氧攪拌時間比(間歇曝氣比)分別為30 min∶30 min(A模式)和40 min∶20 min(B模式)對亞硝酸鹽氮積累、污泥性能參數、反應速率(比氨氮氧化速率、比硝酸鹽氮產生速率、比亞硝酸鹽氮產生速率)、氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)活性的影響。A模式下運行64個周期時，出水亞硝酸鹽氮質量濃度為19.04 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達99.21%；B模式下運行75個周期時，出水亞硝酸鹽氮質量濃度為19.42 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達95.47%；研究表明缺氧時間所占比例越大越有利于短程硝化的實現。在實現短程硝化過程中，A模式在38個周期之后AOB活性超過NOB活性；B模式在34個周期之后AOB活性超過NOB活性。

間歇曝氣比 短程硝化 AOB和NOB活性 序批式間歇反應器

短程硝化—厭氧氨氧化工藝由于其耗能低、無需投加額外碳源及運行成本低等優點被國內外學者所廣泛研究[1-2]，實現短程硝化是該工藝穩定運行的關鍵。研究發現，氨氧化菌(AOB)和硝酸鹽氧化菌(NOB)在生理特性機制及動力學方面都存在著明顯的差異，利用這種差異可以實現菌種的篩選[3],[4]85,[5]。通過控制DO、游離氨、溫度、pH及污泥停留時間等因素都可以實現短程硝化[6-7]，但是這些參數的控制相對復雜，同時也制約著實際工程的應用。有研究表明，相對于連續曝氣而言，間歇曝氣可以更好地利用菌種之間的生理差異，促進短程硝化的實現[8]。間歇曝氣可以實現好氧/缺氧快速交替，有利于AOB的富集和活性表達，而NOB的生長和活性受到抑制[9]。好氧曝氣與缺氧攪拌時間比(以下簡稱間歇曝氣比)是影響短程硝化的重要因素，延長好氧時間有利于COD 去除和硝化反應進行，而延長缺氧攪拌時間可以抑制NOB 的活性，實現亞硝化的穩定運行[10-11]，但最佳間歇曝氣比對短程硝化的穩定和硝化活性(AOB、NOB活性)的影響研究較少見。本研究采用序批式間歇反應器(SBR)，研究了不同的間歇曝氣比對于氨氮的去除效果、亞硝酸鹽氮的積累、污泥性能、反應速率及同步硝化反硝化率、AOB和NOB活性變化的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

SBR實驗裝置見圖1。SBR(2個，A、B模式各用1個)采用有機玻璃柱制成，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，利用時間控制器實現間歇曝氣。

1—曝氣泵；2—氣體流量計；3—攪拌器；4—曝氣頭；5—排泥口；6—取樣口圖1 SBR實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of SBR process

1.2 接種污泥

接種污泥取自穩定運行反應器中全程硝化污泥，污泥混合液懸浮固體質量濃度約為3 000.00 mg/L，污泥混合液揮發性懸浮固體濃度占污泥混合液懸浮固體濃度的比值(f值)分別為0.67(A模式)和0.65(B模式)，污泥具有良好的脫氮性能。

1.3 實驗用水水質及檢測方法

實驗用水取自蘭州交通大學家屬區生活污水，其水質指標見表1。

表1 實驗用水水質

取100 mL污泥混合液置于量筒中，靜止30 min，測定污泥沉降比。從反應器中取100 mL污泥混合液，用定量濾紙過濾，濾紙殘余物在105 ℃的烘箱內烘至恒質量，冷卻后測量污泥混合液懸浮固體濃度。然后在600 ℃的馬弗爐內烘至恒質量，冷卻后測量污泥混合液揮發性懸浮固體濃度。水樣經濾紙過濾后根據文獻[12]測定COD、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度。

1.4 運行模式

兩種模式(A、B模式)下溫度均控制在(25.0±0.5) ℃，進出水瞬時完成，曝氣量為80 L/h，排水量為有效容積的75%；A模式間歇曝氣比為30 min∶30 min，間歇曝氣時間比為1，運行4次后，接著進行30 min的好氧曝氣，曝氣結束后污泥進行30 min靜止沉降，然后進行排水，單周期總時間為300 min。B模式間歇曝氣比為40 min∶20 min，間歇曝氣時間比為2，運行2次后，接著進行40 min的好氧曝氣，曝氣結束后污泥進行30 min靜止沉降，然后進行排水，單周期總時間為190 min。

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、比亞硝酸鹽氮產生速率和比硝酸鹽氮產生速率的計算參考文獻[13]的公式進行。

AOB和NOB活性計算參考文獻[14]，計算方法如下：

ηAOB=Sn/Sm×100%

(1)

ηNOB=Pn/Pm×100%

(2)

式中：ηAOB為AOB活性，%；Sn為第n個周期曝氣結束時比氨氮氧化速率，d-1；Sm為整個實驗階段比氨氮氧化速率的平均值，d-1；ηNOB為NOB活性，%；Pn為第n個周期曝氣結束時比硝酸鹽氮產生速率，d-1；Pm為整個實驗階段比硝酸鹽氮產生速率的平均值，d-1。

[15]提出的同步硝化反硝化率計算方法，并忽略反應過程微生物的同化作用和細胞死亡的影響，同步硝化反硝化率計算公式如下：

C=(1—c1/c2)×100%

(3)

式中：C為同步硝化反硝化率，%；c1為曝氣前后亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的增加量之和，mg/L；c2為系統曝氣前后氨氮的減少量，mg/L。

2 結果與討論

2.1 不同間歇曝氣比條件下氨氮的去除特性

圖2、圖3分別為兩種模式下間歇曝氣比對氨氮的去除特性，進水氨氮質量濃度維持在50.00～80.00 mg/L，出水質量濃度分別在35、42個周期之后基本達到5.00 mg/L以下，氨氮去除率穩定在95.00%左右，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，未因間歇曝氣比的影響而變化；但A、B模式單周期總的曝氣時間分別為150、120 min，這是由于A模式的缺氧時間相對B模式較長，AOB的增長速率較緩慢，氨氮不能及時被氧化，使得所需的曝氣時間較長。蔣軼鋒等[4]89研究結果表明間歇曝氣相對于連續曝氣可以增加AOB的產率系數并降低其衰減系數，可以達到更好的氨氮去除效果。

圖2 A模式下間歇曝氣比對氨氮的去除特性Fig.2 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode A

圖3 B模式下間歇曝氣比對氨氮的去除特性Fig.3 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode B

2.2 不同間歇曝氣比對亞硝酸鹽氮積累的影響

圖4、圖5為不同間歇曝氣比對亞硝酸鹽氮積累的影響。由于污泥屬于全程硝化污泥，反應開始時，A、B模式下亞硝酸鹽氮積累率基本為零，出水硝酸鹽氮質量濃度分別高達21.81、28.47 mg/L。隨著間歇曝氣的進行，A、B模式分別在39、33個周期后，亞硝酸鹽氮積累率基本穩定在50.00%以上，一般認為，亞硝酸鹽氮積累率達到50.00%以上即實現了短程硝化[16]，此時出水亞硝酸鹽氮質量濃度分別為7.37、11.81 mg/L，兩種條件下均實現了短程硝化；但由于A模式缺氧時間較長，反硝化得以充分進行，使得A模式出水亞硝酸鹽氮濃度較低。A、B兩種模式下分別運行到64、75個周期時，出水硝酸鹽氮基本接近于零，亞硝酸鹽氮出水質量濃度分別為19.04、19.42 mg/L，亞硝酸鹽氮積累率高達99.21%、95.47%。分析原因：隨著反應的進行，間歇曝氣模式使得DO在時間和空間上發生變化，而NOB不具備“飽食饑餓”特性，活性逐漸受到抑制；而A模式缺氧時間相對較長，對NOB的抑制程度較高；因此在一定的間歇曝氣比范圍內，缺氧時間所占的比例越大越有利于亞硝酸鹽氮的積累，此現象與蘇東霞等[17]1154的研究結果一致。高春娣等[18]119采用間歇曝氣比為30 min∶60 min和30 min∶30 min，控制總間歇曝氣時間分別為270、240 min，亞硝酸鹽氮積累率均達到90.00%以上。劉洪濤[19]采用間歇曝氣比為30 min∶30 min，總間歇曝氣時間控制在360 min，亞硝酸鹽氮積累率為91.20%。很多學者對不同間歇曝氣比的短程硝化效果進行研究發現，間歇曝氣時間比為0.55～6.16均能夠成功實現短程硝化[20-22]，本實驗采用的間歇曝氣時間比也在此范圍之內，也實現了穩定的短程硝化。

圖4 A模式下間歇曝氣比對亞硝酸鹽氮積累的影響Fig.4 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode A

圖5 B模式下間歇曝氣比對亞硝酸鹽氮積累的影響Fig.5 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode B

2.3 不同間歇曝氣比對污泥性能參數的影響

在整個反應過程中污泥具有良好的活性，這就保證了在反應過程中氨氮具有較高的去除率。圖6為A、B模式下間歇曝氣比對污泥性能參數的影響，反應開始時，f值分別為0.67、0.65，隨著反應的進行，f值基本都呈現先增長后趨于穩定的趨勢，在反應運行結束時f值穩定在0.80和0.85左右，污泥都具有良好的活性，可見不同間歇曝氣比對污泥活性影響不大。SVI隨著污泥活性的提高，也呈現增長的趨勢，最終基本都穩定在100.00 mL/g，污泥沒有發生膨脹；有研究表明，間歇曝氣中好氧與缺氧的交替可以抑制專性好氧絲狀菌的過量繁殖[23]。本實驗中間歇曝氣可以實現DO的變化，能形成缺氧環境，可以很好地抑制絲狀菌的生長，與蘇東霞等[17]1157對控制污泥膨脹的原因分析一致。

注：SVI為污泥容積指數。圖6 間歇曝氣比對污泥性能參數的影響Fig.6 Effect of sludge performance parameters by intermittent aeration ratio

2.4 不同間歇曝氣比對反應速率及同步硝化反硝化率的影響

比氨氮氧化速率可以表征活性污泥系統中好氧自養菌的活性狀態[24]，而比亞硝酸鹽氮產生速率和比硝酸鹽氮產生速率是污泥硝化能力及硝化活性的重要指標。圖7、圖8為在整個實驗過程中間歇曝氣比對反應速率(比氨氮氧化速率、比硝酸鹽氮產生速率、比亞硝酸鹽氮產生速率)及同步硝化反硝化率的影響。反應開始時污泥具有良好的活性，A、B模式在反應過程中比氨氮氧化速率均值分別維持在0.23、0.28 d-1。反應開始時比硝酸鹽氮產生速率最大，分別為0.10、0.17 d-1，而比亞硝酸鹽氮產生速率基本為零，此時亞硝酸鹽氮積累率接近零(見圖4、圖5)；隨著反應的進行，比硝酸鹽氮產生速率基本呈現逐漸下降的趨勢，比亞硝酸鹽氮產生速率基本呈現上升的趨勢，比硝酸鹽氮產生速率分別在64、75個周期時接近于零，而比亞硝酸鹽氮產生速率則分別增加到0.08、0.10 d-1。

圖7 A模式下間歇曝氣比對反應速率及同步硝化反硝化率的影響Fig.7 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate by intermittent aeration ratio in mode A

圖8 B模式下間歇曝氣比對反應速率及同步硝化反硝化率的影響Fig.8 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate rate by intermittent aeration ratio in mode B

整個實驗運行過程中，進水氮濃度(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)遠遠大于出水氮濃度，分析原因可能是由于發生了同步硝化反硝化，在間歇曝氣模式下，由于DO在裝置中分布不均勻，造成裝置微觀環境中存在好氧和缺氧微環境并存，為同步硝化反硝化提供了反應條件；在兩種間歇曝氣比下，同步硝化反硝化率均基本達到60.00%左右。從而減少了系統中的亞硝酸鹽氮的積累，使得亞硝酸鹽氮的質量濃度維持在20.00 mg/L左右，因此，同步硝化反硝化是導致氮損失的主要原因。

2.5 AOB、NOB活性變化

圖9、圖10分別為實驗過程中，A、B模式下AOB和NOB活性的變化。在整個反應過程中，由于污泥具有良好的脫氮性能，氨氮去除率較高，AOB活性都維持在100.00%左右。NOB活性隨著反應的進行都呈現遞減的趨勢，A模式和B模式在第1個周期時NOB的活性基本為最高，分別為248.60%、320.92%，此時亞硝酸鹽氮積累率基本為零(見圖4、圖5)；兩種模式分別在第38個、第34個周期之后，AOB活性超過NOB活性，AOB成為優勢菌種，之后NOB活性基本呈遞減趨勢，A模式在64個周期時NOB活性基本被完全抑制，而B模式則在75個周期時NOB活性基本被完全抑制。通過不同模式的間歇曝氣，可以很好地抑制NOB活性，而AOB具有“飽食饑餓”特性，可以保持穩定的活性。兩種間歇曝氣比下，AOB和NOB活性的變化趨勢基本沒有較大的差異，只是運行周期不同，但間歇曝氣比是否會對菌種有影響，還有待進一步進行分子生物學探究。有研究表明[18]120，在交替運行模式中反復出現缺氧條件會抑制NOB 生長，并且這種抑制作用與缺氧時間成正比，但是對AOB 的活性基本沒有影響，只是增長速率受到了短暫的限制。

圖9 A模式下AOB和NOB活性的變化Fig.9 Changes of AOB and NOB activity in mode A

圖10 B模式下AOB和NOB活性的變化Fig.10 Changes of AOB and NOB activity in mode B

3 結 論

(1) 間歇曝氣可以實現短程硝化，間歇曝氣比越小，實現穩定短程硝化的周期越短。

(2) 間歇曝氣模式可以實現好氧/缺氧的交替，在一定的間歇曝氣比范圍內，由于AOB具有 “飽食饑餓”的特性，而NOB不具備這種特性，所以AOB活性維持穩定而NOB活性持續下降；間歇曝氣時間比越小，NOB活性被抑制所需周期越短。

(3) 在間歇曝氣模式下，由于DO分布不均勻導致好氧微環境和缺氧微環境并存，為同步硝化反硝化提供了條件。

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Effectoftheratioofintermittentaerationonactivityofnitrifyingbacteriainshortcutnitrification

LIUHong1,PENGYongzhen2,LUJiongyuan1,NANYanbin1,ZENGLiyun1,CHENYongzhi1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，LanzhouGansu730070;2.NationalEngineeringLaboratoryofUrbanSewageAdvancedTreatmentandResourceUtilizationTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)

Under the condition of temperature of (25.0±0.5) ℃,real domestic sewage was treated with sequencing batch reactors (SBR),ratios of aerobic and anoxic (the ratio of intermittent aeration) were 30 min∶30 min (mode A) and 40 min∶20 min (mode B), and its effects on the stability of nitrite nitrogen accumulation,sludge performance parameters,the rates of reaction (ammonia oxidation rate,nitrate nitrogen production rate,nitrite nitrogen production rate) and activity of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) were investigated. After working 64 cycles under mode A,the effluent of nitrite nitrogen was 19.04 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was up to 99.21%. After working 75 cycles under mode B,the effluent of nitrite nitrogen was 19.42 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was 95.47%. The results show that the longer the anoxic time，the more beneficial to the realization of shortcut nitrification. During the shortcut nitrification,activity of AOB exceeds NOB after 38 cycles for mode A and after 34 cycles for mode B.

the ratio of intermittent aeration; shortcut nitrification; activity of AOB and NOB; SBR

劉 宏， 男，1993年生，碩士研究生，研究方向為水污染控制理論與技術。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51668033)；甘肅省高等學校特色專業(No.101004)；蘭州交通大學教改重點項目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.007

2017-03-07)