短程硝化处理高浓度氨氮废水技术
20世纪90年代，荷兰研究者发现了一种全新的氮素转化方式，即厌氧氨氧化，在厌氧氨氧化工艺中，短程硝化是至关重要的环节，因此如何实现短程硝化的快速启动和稳定运行已成为污水脱氮的研究热点。目前，通过控制温度(25～35℃)、低溶解氧(0.20～0.75mg•L－1)和pH(7.0～8.5)条件实现稳定的短程硝化已经得到了中外学者的一致认可。短程硝化研究既有针对低浓度氨氮生活污水的处理，也有针对像垃圾渗滤液、污泥消化液、养猪厂废水等高浓度氨氮工业废水的处理，但针对纺织类废水的研究很少。项目对广西某纺织厂的UASB出水进行短程硝化，取得了较好的效果，达到工程应用的要求，为短程硝化在纺织类废水中的应用提供科学依据和技术支撑。
1、试验材料与方法
1.1 试验装置
短程硝化采用SBＲ反应器，如图1所示，反应器主体由PVC给水管切割粘接制成，尺寸为Φ160mm(内径152mm)，高800mm，总有效体积14.5L，实际运行体积12L。反应器内设曝气头，通过间歇曝气的方式控制溶解氧处于0.2～0.5mg•L－1;反应器内设加热装置，控制反应器温度处于28～31℃;另外，反应器内设搅拌装置，有利于泥水充分混合和溶解氧的均匀分布，保证各区域的反应条件尽可能一致。
1.2 试验水质与接种污泥
试验进水来自某纺织厂废水处理的上流式厌氧污泥床(UASB)出水，水质情况见表1，属于低C/N比废水。接种污泥取自同一个纺织厂废水处理好氧池的硝化污泥，第一次接种后的污泥沉降比(SV30)为20%。
1.3 分析项目与测试方法
DO，雷磁JPB－607A便携式溶氧仪;pH，雷磁PHBJ－260便携式pH计;COD，微波消解法;氨氮，纳氏试剂分光光度法;亚硝酸盐氮，分光光度法;硝酸盐氮，紫外分光光度法。
2、结果与讨论
2.1 短程硝化的启动
系统启动期，反应器中加入试验废水，并接种硝化污泥，运行周期为12h(进水0.1h，反应10h，沉淀1.4h，排水0.5h)，排水比为1∶3(每次排水4L，进2L废水和2L自来水)，反应阶段持续搅拌并维持低气量曝气，控制溶解氧在0.2～0.5mg•L－1，启动加热装置，控制温度在28～31℃。将ρ(NO2－－N)的快速增加作为判断短程硝化是否启动的标志，试验结果见图2。
系统运行至第5周期，ρ(NO2－－N)开始小幅上升，第7～10周期快速增至30mg•L－1，从第7周期起连续4个周期内均监测到了稳定的亚硝态氮的累积，并且亚硝态氮生成速率达到了2.1mg•(L•h)－1，表明氨氧化菌(AOB)开始适应新的环境且活性逐渐增强，短程硝化反应快速启动成功。原因可能为:一方面，接种污泥取自同一个纺织厂废水处理好氧池的硝化污泥，本身含有一定量的AOB，而实验废水来自同一个纺织厂废水处理的UASB出水，有利于AOB活性的恢复并且快速增殖;另一方面，DO低时，AOB和亚硝态氮氧化菌(NOB)的活性下降，所以初期氨氮的去除率很低;但AOB对DO的亲和力大于NOB，在DO＜0.5mg•L－1下，更有利于AOB生长;Bernet等研究发现当DO＜1.0mg•L－1时，AOB与NOB的增殖速率都会随着DO降低而减小，但NOB增殖速率相对AOB下降更显著;有研究表明游离氨(FA)对NOB的抑制浓度为0.1～1.0mg•L－1，对AOB的抑制浓度为10～150mg•L－1，NOB更容易受到FA的抑制;以上因素有利于AOB活性快速恢复并逐渐增殖成为优势菌群，并且抑制NOB的生长，短程硝化得以快速启动。
在这期间，污泥浓度(MLSS)几乎没有变化，分析认为可能是系统淘汰NOB的速率与AOB增殖的速率达到了一个动态平衡。
2.2 短程硝化稳定运行
进水不再添加自来水，其它运行条件不变。将亚硝态氮生成速率持续稳定在18mg•(L•h)－1以上作为短程硝化是否达到工程应用的指标，试验数据见图3。
进水氨氮浓度在300～500mg•L－1间，试验第11～27周期氨氧化速率和亚硝态氮生成速率均在稳步升高，第27周期后趋于稳定，平均氨氧化速率达到20.46mg•(L•h)－1，平均亚硝态氮生成速率达到19.04mg•(L•h)－1，平均污泥负荷达到0.24kg(NO2―N)(kgMLSSd)－1，认为达到了工程应用的要求。从图中可知氨氧化速率略大于亚硝酸态氮生成速率，这和系统中有少量的硝态氮生成相符，表明系统中存在少量的NOB，有少部分的亚硝态氮被氧化成硝态氮;同时发现氨氧化速率与亚硝酸盐氮生成速率的差值随着时间的推移有增加的趋势，这和魏琛等研究发现短程硝化系统稳定运行一段时间之后，NOB能够逐渐适应短程硝化条件，恢复活性的结论相符，所以在工程化应用中，应该根据AOB和NOB不同的生命周期，确定合适的污泥龄，抑制NOB的生长。此阶段污泥SV30从20%上升到40%，污泥浓度达到2385mg•L－1，说明系统内AOB经过快速增殖后，逐渐稳定成为优势菌群。
2.3 短程硝化终点分析
在基于短程硝化速率约20mg•(L•h)－1的条件下，研究第36～45周期中氨氮去除率、DO和pH的变化关系，发现在氨氮去除率达到90～95%时，继续曝气，DO呈现迅速上升的趋势，突破0.5mg•L－1后，短短的7min即可达到1.0mg•L－1，12min可达到1.5mg•L－1，继续过曝气1h，将升高至6.0mg•L－1;而pH在整个反应过程呈现先下降后上升的趋势，且pH上升拐点与DO突然增加在时间上呈现重叠性，杨辉等研究认为这是短程硝化反应结束的标志。
由图4可以看出，在短程硝化反应快结束时，系统pH有一定程度的降低，继续曝气将会出现DO大幅度升高以及pH升高的现象;DO大幅度升高是因为短程硝化到达反应终点时，系统内的氨氮在AOB的作用下近似认为全部转化为了亚硝态氮，而反应器经过长期的生物选择，NOB的量很少，此时系统需要的溶解氧量趋于0，继续曝气必然导致水中DO快速升高。在反应没有达到终点时，pH值呈下降趋势，这是因为短程硝化需要消耗碱度，一旦反应到达终点，无需消耗碱度，而过曝气会吹脱水中的CO2，pH值反而上升，王淑莹等将过曝气情况下pH值升高的现象称之为“氨谷”。工程应用中，可以通过亚硝态氮生成速率预判反应终点，而通过实时监测DO和pH的变化准确判定反应终点。
2.4 短程硝化重启
第45周期后将系统闲置30天，此时是南方冬季，室温在10～18℃之间;30天后重新启动系统，在未开启加热装置时，对系统进行低气量曝气，发现系统DO迅速升高，难以控制在0.2～0.5mg•L－1;开启加热装置控制温度在25～28℃后，再进行曝气则DO较易控制在0.2～0.5mg•L－1，反应器可以稳定运行，经过8周期的运行，亚硝态氮生成速率即达到19mg•(L•h)－1;表明系统内菌群转入内源呼吸以后，大部分AOB还可以存活30天以上，且依然是优势菌群，环境适宜时，AOB的活性可以迅速恢复并增殖。
3、结论
1)控制SBＲ短程硝化反应器DO为0.2～0.5mg•L－1、温度为8～31℃、pH为7.0～8.5时，进水氨氮浓度在300～550mg•L－1，经过29周期的运行，污泥浓度达到2385mg•L－1，氨氧化速率达到20.0mg•(L•h)－1，亚硝态氮生成速率达到19.0mg•(L•h)－1，系统成功启动并且稳定运行，可以达到工程化应用的要求。
2)短程硝化到达终点时，pH上升拐点与DO突然增加在时间上呈现重叠性，工程应用中，可以通过亚硝态氮生成速率预判短程硝化终点，而通过DO的突增以及pH由下降转为上升的拐点准确判定短程硝化终点。
3)短程硝化污泥闲置30天，AOB不会大量死亡，环境适宜时，AOB可迅速恢复活性。（来源：广西春晖环保工程有限责任公司，广西生态工程职业技术学院）