废水脱氮中好氧反硝化现象的研究

梁刘艳，汪萍
（北京桑德环保集团北京国中生物科技有限公司，北京 101102）

　　摘要：采用SBR工艺，对废水脱氮中的好氧反硝化现象进行了研究。试验工序为：缺氧搅拌3h、曝气8h、缺氧搅拌1.5 h、沉淀 1h、排水。当进水ρ（NH₄+－N）为 107 mg/L，ρ（COD_cr）为 700 mg/L时，好氧段 NH₄⁺－N的去除率达到53.3％，TN的去除占整个周期TN去除的71.23％，表明好再反硝化现象对整个周期的脱氮起着主要的作用。
　　关键词：废水；脱氮；好氧反硝化
　　中图分类号：X703l 　文献标识码：A 　文章编号：1009－2455（2004）02－0033—03

A Study of Aerobic Dentrification in Dentrihcation of Wastewater
LIANG Liu－yan，WANG Ping
（Beijing Cuo zhong Biological Science and Technology Co，Ltd，Beijing Sound Environmental Protection Group，Beijing
101102 China）

　　Abstract：SBR process was used in studying the phenomenon of aerobic denitrification during the　denlmfication of wastewater.The test procedure was：anoxic mixing for 3 h，aerating for 8 h，anoxic mixing for　l.5 h，settling for 1 h and draining.When the ρ（NH₄⁺-N）and ρ（COD_Cr）of the influent water were 107 mg/L and　700 mg/L respectively，the removal rate of NH₄⁺-N in the aerobic section reached 53.3％ and the TN removal in　the said section accounted for 71.23％ of that of the whole cycle，which indicated that the aerobic denitrification played the main role in the denitrification in the whole cycle.
　　Key Words：wastewater；denitrification；aerobic denitrification

　　传统理论认为生物脱氮过程是由硝化和反硝化两个步骤组成，硝化是将氨氮转化成硝态氮，由自养型硝化菌在好氧条件下完成；反硝化是将硝态氮转化成氮气，由异养型反硝化菌在缺氧或厌氧状态下完成。但近几年国外一些研究人员发现了打破以上传统理论的现象——好氧反硝化现象，又称同时硝化反硝化现象。对此，本实验跟踪了生物脱氮的过程，并研究了这种现象。

l 实验方法

l.l 脱氮细菌的培养
　　本实验的接种污泥取自高碑店污水处理厂，先以粪便水进行活化，然后逐渐添加人工配制的氨氮废水和少量的玉米面水，氨氮浓度由低逐渐升高，每天曝气 20 h，并进行进水和排水，直至进水氨氮的质量浓度提升到 100 mg／L，去除率达到 97％时结束对硝化茵的驯化。在此基础上在曝气段前、后分别增加缺氧搅拌段，进行反硝化菌的驯化，反硝化菌的驯化为1周，总驯化时间历时5个月左右。
1.2 工艺流程
　　实验用SBR处理氨氮废水，处理流程为：人工进水→缺氧搅拌（3h）→曝气（8h）→缺氧搅拌（1.5h）→沉淀（l h）→排水。SBR反应器直径 D＝120 mm，高 H＝450mm，总有效体积为 4 L，ρ（MLSS）＝3800 mg／L，COD_CrNH₄⁺－N的容积负荷分别为 035，0.053 kg／（m3·d），COD_Cr，NH₄⁺－N的污泥负荷分别为0.92，0.014kg／（kg［MLSS」·d）。
　　脱氮菌驯化结束后，实验每周期进水2L，排水2 L，待整个系统稳定后，开始研究好氧反硝化现象，此现象的研究历时2周，每次实验数据是在一个运行周期中连续定时取样进行检测，本实验所用的数据是3次实验检测数据的平均值。
1.3 实验水质
　　实验用水为人工模拟高NH₄⁺-N废水和玉米水混合之后的水。人工模拟的高氨氮废水的配制是在自来水中加入必要的化学试剂，然后根据所需的浓度稀释而成。
　　测得模拟高氟氮废水的上清液中ρ（COD_Cr）=33 608 mg／L，ρ（BOD₅）= 20 000 mg／L，m（BOD₅）／m（COD_Cr）=0.6。
　　实验进水水质：ρ（NH₄⁺－N）=107 mg／L，ρ（COD_Cr）= 700 mg／L，m（BOD₅）／m（COD_Cr）= 0.6。，m（N）／m（P）=12。
2 实验结果与讨论
　　在第一缺氧搅拌段、曝气段每 l h 取样一次，排水时测一次。整个曝气阶段ρ（DO）=2～3 mg／L，pH＝8～9。下面是3次实验整个周期中不同时间点测定的各项数据的平均值，如表1所示。

表1 不同时间的出水情况							mg·L-1
工序	取样时间／h	ρ（NH4+－N）	ρ（NO2-－N）	ρ（NO3--N）	ρ（Nx-－N）	ρ（CODCr）	ρ（TN）
第一缺 氧段	0	58.80	0.19	8.15	8.34	358.34	67.14
	1	56.00	0.06	6.02	6.08	293.99	62.08
	2	57.30	0.02	4.67	4.69	260.61	61.99
	3	58.80	0.02	3.45	3.47	249.20	62.27
	4	42.00	0.25	7.92	8.17	105.66	50.17
	5	38.60	0.23	5.85	6.08	74.11	44.68
	6	30.22	0.29	4.40	4.69	51.31	34.91
	7	27.38	1.56	6.26	7.82	46.42	35.20
	8	27.00	2.07	5.58	7.65	48.86	34.65
曝气段	9	24.64	2.18	9.64	11.82	42.35	36.46
	10	22.40	1.92	13.55	15.47	40.72	37.87
	11	19.60	1.84	13.80	15.64	65.15	34.24
沉淀出水	13.5	18.20	0.29	10.70	10.99	42.90	29.19

2.1 氨氮的变化
　　NH₄⁺－N在缺氧搅拌段基本没有变化，说明硝化反应必须要有氧才能进行。在第4～11h的曝气状态下，NH₄⁺-N浓度是逐渐降低的，这说明发生了硝化反应，而且降低主要是发生在曝气的前3 h内，3 h后浓度降低的比较平缓。总去除率为82.99％。
2.2 硝态氮的变化
　　NO₂-N和NO3-N都在缺氧搅拌的前3h中浓度有所下降，这是由于缺氧反硝化的结果。在第4～11 h的曝气状态下，NO2--N和 NO3-－N的质量浓度之和由最初的3.47 mg/L上升到15.64 mg/L，增加量为 12.17 mg/L。如果没有好氧反硝化现象，则其增加量应等于NH₄⁺-N的降低量，为39.2 mg/L,说明有 27.03 mg／L的氮在好氧阶段“消失”，证明确实发生了好氧反硝化，而且可算出其占TN去除率的 71.23％，可见脱氮主要是发生在好氧反硝化阶水可以算出整个周期的TN去除率为72.72％。
2.4 COD_Cr的变化
　　COD_Cr在缺氧搅拌期间的3 h内下降比较多，这是因为硝酸盐反硝化时需要消耗有机物。在好氧反应中，可以看出 COD_Cr的下降主要发生在前3 h，而由上述分析可知好氧反硝化也主要发生在此阶段，说明好氧反硝化同样需要有机物，好氧反硝化菌是一种异养型好氧菌，曝气3 h后，由于COD_Cr已经降到 51 mg／L，所以好氧反硝化现象也逐渐消失。此外，由于硝酸盐的反硝化，COD_Cr在最后的2.5 h也有所下降。从出水看，COD_Cr的去除率为93.78％。
2.5 关于好氧反硝化的分析
　　对于好氧反硝化现象，文献上已有报道。目前是从三个角度来分析的：①生物学角度：20世纪80年代研究人员发现了好氧反硝化菌，这些菌同时又是异养硝化菌，能够直接把氮转化成最终气态产物，所以称为好氧反硝化和异养硝化菌。与缺氧反硝化细菌相比，它的反硝化速率慢一些，但能较好适应缺氧好氧周期的变化^[2-3]。②生物化学角度：好氧反硝化的最大特征是好氧阶段TN的损失，一方面可以由存在好氧反硝化菌来解释，另一方面也可从生物化学的途径来解释。认为当外界环境呈酸性时，NH3 在硝化中会有少量中间产物N2，N₂0和NO放出，从而导致一部分TN损失，实际上不是反硝化脱氮，但人们往往却将其归于反硝化作用^[4-5]。③物理学角度：该理论是从宏观环境影响微观环境来解释的，认为当DO浓度低、搅拌强度小、曝气不均匀，往往会使污泥絮体内部呈缺氧或厌氧状态，导致曝气阶段出现好氧反硝化现象。这种解释使好氧反硝化现象用传统的反硝化理论来解释也可以理解了^[5-6]。此外，对于异养硝化菌生长快、产量高、所需DO低、能忍受更酸环境的这些特性，文献中也有所报道6]。因此可以认为，异养硝化菌的发现在某种程度上正好解决了传统硝化菌困扰生物脱氮研究的缺点。
　　上面对于好氧反硝化的第二种解释，由于本实验中pH值一直维持在8－9之间，所以此种解释基本是可以排除的。对于第三种解释，由于本实验中DO也一直控制在2－3 mg／L之间，曝气也比较均匀，所以即使污泥内部发生缺氧反硝化，它对于 TN 的去除贡献也不会太大。因此可以确定反应器中存在部分好氧反硝化菌。

3 结论

　　通过跟踪实验，可得出以下结论：
　　①实验发现了好氧反硝化现象，且此现象主要发生在曝气期间的前3h中，需要消耗 COD_Cr,故分析认为好氧反硝化菌同时又是异养硝化菌。
　　②好氧反硝化的存在，使曝气过程中TN的损失占整个过程中TN损失的71.23％，因此好氧反硝化对整个脱氮起着极其重要的作用。
　　③好氧反硝化的发现可使处理周期缩短、处理空间缩小、处理能耗降低，对于本实验，由于排出水的NO_x^--N很低，所以可适当地将第一段的缺氧搅拌时间缩短；由于好氧反硝化主要发生在好氧段的前3h，所以也可以根据处理要求将曝气段的时间适当缩短；此外，由于曝气后剩余的NO_x^--N很低，也可将第二段缺氧搅拌时间缩短。
　　④由于在好氧段，TN去除率占整个过程总脱氮的71.23％，因此认为仅从物理学角度来解释是不够的，究竟在碱性条件下会不会发生生物化学现象，这尚需进一步研究确定。

参考文献：
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