间歇曝气下高浓度硝酸氮的反硝化实验研究

　　由于水体中含氮物的增多，导致水体富营养化，氮污染已引起世界各国的广泛重视。世界范围内长期的水资源短缺，从根本上要依靠污水净化、水循环以及高级废水生物处理技术的推广应用。化肥和畜牧业被认为是主要的氮污染源，但工业废水也是氮污染不可忽视的一个因数。此外，许多市政污水处理厂在功能上还不能满足氮污染物的去除。
　　在高浓度下含氮污染物的去除是废水生物处理的发展方向，同时要控制好污泥的沉降性能。能否高效去除含氮污染物和获得良好的污泥沉降性能又取决于溶解氧的浓度、曝气时间和频率，以及污水中是否含有足够的磷[1]。传统的除氮方法是污水硝化后再反硝化。反硝化需要碳源，通常在碳源不足的情况下可以投加甲醇、有机酸、厌氧消化污泥等[2,3]。由于厌氧消化污泥的高碱度有助于硝化与反硝化过程中pH的稳定，也可降低处理成本[4]。
　　本文分析探讨在高浓度下，用甲醇、乙酸钠和厌氧消化污泥作碳源的反硝化实验结果，以及间歇曝气反硝化污泥沉降性能的影响。
　　 1 实验材料和方法

　　1.2 长期实验
　　反硝化污泥的培养：培养液由NaNO3(500mg/L的N)、甲醇（1250 mg/L）及等量的NaH2PO4和Na２HPO4(10 mg/L的P)组成。污泥取自重庆塘家桥污水处理场，污泥含有7.42 gVSS/L，VSS/TSS比率为0.81。取2 L污泥于反应器内，用培养液稀释到7.5 L，在慢搅拌速度下(60 r/min)培养23 h；在此期间，每隔110 min用空气曝气10 min；最后关掉搅拌器，静置沉降45 min，弃取上清液，然后加入等量培养液重复以上过程。在两个星期培养后，将静置沉降的污泥分为3份，加入到3个独立反应器中培养两个星期。从这时起，第一个反应器按以上方法在好氧和厌氧条件下运行，第二个和第三个反应器在完全厌氧条件下运行，第三个反应器作污泥储池。剩余污泥每隔一星期排除两次到三次，以保持停留时间在10 d左右。实验持续11个星期，最后测定污泥体积指数SVI和VSS/TSS比率。
　　1.3 短期实验
　　在短期实验中测定氮去除率。定量的污泥来自第一和第二个反应器，含4～5 gVSS/L。培养液除了将N-NO3设置为750 mg/L外，其他成份同长期实验。分别用CH3OH、CH3COONa和厌氧消化污泥作反硝化的碳源，CH3OH、CH3COONa浓度与厌氧消化污泥中的碳量一致（见表1）。


　　 2 结果与分析
　　2.1 长期实验
　　每个星期的第一天和最后一天分别测定污泥指数SVI和VSS/TSS比率，取平均值，结果如图2所示。

　　在厌氧条件下，污泥的VSS/TSS比率在82%～87%内变动，污泥中无机质含量不超过18%。在整个实验期间，污泥絮体大沉降性能差，有的絮体上升至液面。污泥指数体积SVI在61～131内变动。


　　在间歇曝气条件下，污泥的VSS/TSS比率在78%～84%内变动，污泥中无机质含量达到22%。在整个实验期间，污泥絮体小，沉降性能好，无上浮。污泥指数体积SVI低于厌氧条件下的SVI，污泥絮体直径不超过1 cm。
　　在实验期间，挥发性悬浮固体浓度VSS在厌氧反应器为4～6 g/L，间歇曝气反应器为8～11 g/L，这可能是由于污泥沉降性能的不同导致挥发性悬浮固体的流失。
　　2.2 短期实验
　　 在长期实验第1、7和11周测定的短期实验的结果见图3、4、5。短期实验中所用的污泥来自长期实验中在厌氧和间歇曝气条件下培养的反硝化污泥。使用来自厌氧条件下培养的污泥，并在厌氧条件下运行。用甲醇作碳源，其硝酸盐去除率不变（图3a，4a，5a），甲醇与硝酸盐的比值也相当稳定（图3c，4c，5c）。其他两种碳源也是如此（见图3～5）。相反，3种碳源使用间歇曝气培养的污泥，其硝酸盐去除率要高于厌氧条件的硝酸盐去除率（见图3d，4d，5d）。说明间歇曝气不仅改善了污泥的沉降性能，也提高了硝酸盐的去除率。C/N比大约为2，硝酸盐去除率30%～50%，表明厌氧消化上清液中的挥发性脂肪酸可以作为碳源。用消化污泥上清液作碳源的反硝化速率稍低于用CH3COONa作碳源的反硝化速率，其原因可能是由于消化污泥中上清液中的挥发性脂肪酸CH3COONa降解慢。


　　Beccari等观察发现在NO2--N浓度为20～25 mg/L，污泥浓度为4～5 gVSS/L下，反硝化完全被抑制[5]。而在短期实验中，在污泥浓度为4～5 gVSS/L下，NO2-N浓度高于200 mg/L时，对反硝化没有不利影响。使用厌氧条件下的活性污泥，在短期实验中，亚硝酸盐的积累更高，基本保持不变（见图3b，4b，5b）。相反，间歇曝气下，3种不同碳源的亚硝酸盐的积累速率在第8周到第11周都显著降低。例如用甲醇作碳源，在短期实验的第一周的第10 h NO2--N的浓度积累到180 mg/L(图3b)，而在第11周的相同时间间隔内浓度低于100 mg/L(见图5e)。用CH3COONa作碳源，间歇曝气，在实验末尾亚硝酸盐几乎不存在（见图5e）。亚硝酸盐浓度的降低表明反硝化可以在高浓度下采用序批式的方式运行。比较图3～5中的a图和d图，可以发现，使用在间歇曝气下培养的活性污泥不仅加强了亚硝酸盐的去除也提高了反硝化率。


　　 3 结 论
　　实验研究使用在厌氧和间歇曝气条件下的活性污泥，硝酸盐浓度750 mg/L左右，用甲醇、醋酸盐和厌氧污泥上清液作碳源的反硝化。实验结果表明在一天内，任何一种碳源都能去除NO2--N。用消化污泥上清液作碳源，亚硝酸盐的积累并不影响反硝化。在间歇曝气下，亚硝酸的浓度随时间而降低。在活性污泥浓度为4～5 gVSS/L下，最大硝酸盐去除率可达0.486 gNO3--N/（gVSS·d），与半连续反应器的最大体积负荷约5.44 gNO3--N/d相符，相当于上流式厌氧污泥床反应器的90%。
　　与厌氧相比，间歇曝气有助于提高污泥的沉降性能。在中小规模序批式反应器的模式下，适合高浓度的反硝化而不受空间的限制。