2020, Vol. 52
2. 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China
传统生物脱氮工艺是通过氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)将氨氮转化为硝态氮，然后再在反硝化菌的作用下将硝态氮转化为氮气.与传统脱氮工艺相比，亚硝化厌氧氨氧化工艺具有节约曝气、节省外加碳源、减少污泥产量等优点[1-4]，作为该工艺的前端工艺，亚硝化的稳定运行十分重要[5].
实现亚硝化的关键在于AOB的富集以及NOB的抑制和淘洗[6].目前，已建立了一些可行的控制手段和策略，主要包括对DO、温度、SRT、FA(游离氨)、运行方式及曝气时间控制等[7-8].有研究表明[9-10]，由于氧饱和常数差异，AOB对氧的亲和力更强，故常采用低DO进行NOB的淘洗[11-12].然而，长期低DO不利于亚硝化工艺的稳定运行和易发生丝状菌膨胀[13].有研究报道指出[14-15]，在高DO(1.5 mg/L左右)配合瞬态缺氧条件下，也可以实现亚硝酸盐的积累[16-17].间歇曝气被认为是实现亚硝化工艺稳定的一种有效策略，从缺氧到好氧AOB较NOB能较快地恢复活性[18-19].目前，亚硝化工艺多采用间歇曝气方式运行，曝气强度是调控DO的重要参数，因此，需明晰间歇曝气中不同曝气强度下亚硝化工艺的稳定运行.
基于此，本实验接种具有良好亚硝化性能的活性污泥于SBR反应器中，控制曝气强度，通过比较反应器各阶段中的亚硝化性能、氨氧化率、亚硝态氮积累率等参数，结合响应面分析研究了间歇曝气下曝气强度对亚硝化系统稳定性的影响，进一步丰富间歇曝气运行方式的基础理论知识，为实际运行提供理论支持.
1 实验 1.1 实验装置实验采用由有机玻璃制成的SBR反应器，高60 cm，内径16 cm，有效容积8.04 L，换水比为3/4，底部设有曝气装置，采用鼓风曝气，转子流量计控制曝气强度.SBR反应器在(25~28 ℃)下运行培养，实验装置示意如图 1所示.
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图 1 SBR反应器装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of the SBR reactor |
SBR反应器接种亚硝化性能良好的活性污泥作为种泥.其MLSS为2 800 mg/L，SVI为61 mL/g.采用人工配水运行反应器，主要进水水质参数包括以丙酸钠为有机碳源(COD为50 mg/L)，硫酸铵提供氨氮(ρ(NH4+-N)=60 mg/L)，碳酸氢钠提供进水碱度，碱度与氨氮质量比为10: 1，pH维持在7.6~8.1，温度维持在25~28 ℃，每升水中还含有0.136 g KH2PO4、0.02 gMgSO4 · 7H2O、0.136 g CaCl2及微生物生长必需的微量元素[20].
1.3 运行方式采用SBR反应器，每天运行2个周期，包括10 min进水，根据不同的曝气时长(290, 220, 220, 180 min)调整各阶段搅拌及闲置时间，7 min沉降，10 min排水，每周期12 h，其中曝气强度为反应器内单位水量单位时间下的曝气量，总曝气强度为反应器单个周期内曝气强度、曝气时长和反应器体积之积.SBR反应器运行参数见表 1.
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表 1 不同阶段反应器运行参数 Tab. 1 Reactor operating parameters at different stages |
定期检测反应器内混合液NH4+-N、NO2--N、NO3--N等参数，通过WTW (pH/Oxi 340i)便携式多参数测定仪监控pH、DO及温度.水样分析中NH4+-N测定采用纳氏试剂分光光度法，NO2-- N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3--N采用紫外分光光度法.氨氧化率和亚硝酸盐积累率分别按照式(1)，(2)计算：
| $ {\rm{亚硝酸盐积累率}}\left( {{R_{{\rm{NA}}}}} \right) = \frac{{\rho \left( {{\rm{NO}}_{\rm{2}}^{\rm{ - }}{\rm{ - N}}} \right)}}{{\rho \left( {{\rm{NO}}_{\rm{2}}^{\rm{ - }}{\rm{ - N}}} \right) + \rho \left( {{\rm{NO}}_{\rm{3}}^{\rm{ - }}{\rm{ - N}}} \right)}} \times 100\% . $ | (1) |
| $ {\rm{氨氧化率}}\left( {{R_{{\rm{AR}}}}} \right) = \frac{{{\rho _{{\rm{in}}}}\left( {{\rm{NH}}_4^ + {\rm{ - N}}} \right) - \rho \left( {{\rm{NH}}_4^ + {\rm{ - N}}} \right)}}{{{\rho _{{\rm{in}}}}\left( {{\rm{NH}}_{\rm{4}}^ + {\rm{ - N}}} \right)}} \times 100\% . $ | (2) |
式中：ρin(NH4+-N)为进水NH4+-N质量浓度，mg/L，ρ(NH4+-N)为出水NH4+-N质量浓度，mg/L，ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)为进出水中NO2--N、NO3--N的质量浓度差，mg/L.
1.5 批次实验为比较不同曝气强度下活性污泥中AOB对氨氮的利用速率及4种运行模式下活性污泥中NOB的被抑制程度，参照李冬等[21]氨利用速率和硝酸盐氮生成速率的测定方法进行批次试验.
氨利用速率(RAU)：配制氨氮溶液，以硫酸铵作为氮源(氨氮质量浓度80 mg/L)，碳酸氢钠为碱度，碱度与氨氮质量比为10: 1.将污泥清洗后与混合液混合，连续曝气2 h，温度25 ℃，每隔20 min取样测定氨氮质量浓度.根据氨氮质量浓度随时间的变化曲线，利用斜率r和混合液MLVSS值，通过公式RAU=r/ρMLVSS求得单位VSS氨利用速率(mg/(g · h)).为减小误差，进行3组平行试验[21].
硝酸盐氮生成速率(RNP)：在氧充足的条件下表征4个阶段反应器污泥中NOB相对活性的大小.具体操作方法为:在反应结束后的反应器中分别取1 L泥水混合液置于烧杯内，进行连续且充足曝气，维持DO质量浓度大于1.5 mg/L.为消除误差，配制相同质量浓度的亚硝酸盐溶液在相同条件下曝气进行空白对照.每隔20 min取样测定NO3--N质量浓度，计算硝酸盐氮生成速率，即单位时间单位污泥质量浓度的NO3--N生成量[21].
1.6 响应面分析在间歇曝气SBR亚硝化工艺中，曝气强度和曝气时长会对氨氮去除率有影响，因而作为考察对象.实验中控制温度为25 ℃，使用Design-Expert软件Central Composite响应面设计的正交实验表进行实验，实验结果见表 2.
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表 2 响应面Central Composite设计及结果 Tab. 2 Response surface Central Composite design and results |
在间歇曝气SBR亚硝化工艺中，曝气强度和曝气时长会对亚硝酸盐积累率有影响，因而作为考察对象.实验中控制温度为25 ℃，使用Design-Expert软件Central Composite响应面设计的正交实验表进行实验，结果见表 3.
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表 3 响应面Central Composite设计及结果 Tab. 3 Response surface Central Composite design and results |
间歇曝气SBR系统的亚硝化性能变化如图 2所示.可以看出，运行第1天，由于交替缺氧、好氧环境形成的间歇曝气抑制了AOB及NOB的活性，初始出水的氨氮、亚硝态氮和硝态氮分别为25，27和4 mg/L，氨氮去除率仅为57.6%.由于NOB受到的影响更大，故亚硝酸盐积累率较高为87%.随着实验的进行，AOB逐渐适应缺氧、好氧交替的环境，从第6天，氨氮的去除率逐渐上升到80%并且随后保持稳定.
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图 2 运行期间氨氮、亚硝态氮、硝态氮、氨氧化率及亚硝化率变化 Fig. 2 Variations of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia oxidation rate, and nitrosation rate |
第Ⅰ阶段(第1~40天)，调整曝气强度为1.2 L/(h · L)，反应器内DO为0.2~0.5 mg/L.运行阶段，由于低曝气强度导致的低DO和间歇曝气的控制可以很好地抑制NOB的活性，维持了良好的亚硝化性能.在运行期间，出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮分别为12，40和3 mg/L，亚硝酸盐积累率稳定保持在93%以上，氨氮不能完全去除，氨氮去除率维持在80%.分析原因，众多研究表明，AOB和NOB对从“缺氧环境”到好氧环境时的反应动力学不同[22-24]，AOB能较快恢复活性，且低曝气强度下的低DO也对AOB与NOB的生长做出了选择.在低DO时，AOB和NOB的增殖速率均会下降，AOB的增殖速率可以达到NOB增殖速率的2.6倍[25]，因此，在低曝气强度时，NOB生长将受到抑制，AOB将逐渐成为优势菌种从而实现良好的亚硝化性能.但由于低曝气强度引起的代谢活性降低, 使得氨氧化过程受到显著影响，在有效抑制了NOB的同时也在一定程度上削弱了氨氮的高效转化.
第Ⅱ阶段(第41~70天)，增大曝气强度为1.58 L/(h · L)，反应器中的DO为0.7~1.0 mg/L.运行第1天，系统达到了很好的效果，出水的亚硝态氮积累为87.23%，氨氮去除为92.98%，说明即使较高曝气强度的条件下，交替缺氧好氧的间歇曝气环境也很好地抑制了NOB的活性.但随着反应器的运行，亚硝化性能逐渐恶化，亚硝酸盐积累率随运行天数增加逐渐降低.运行第60天仅为50.94%.分析原因，低DO有利于NOB菌中的Nitrospira的富集[26]，而高DO有利于Nitrobacter的生长繁殖，在第Ⅰ阶段长期低DO条件运行下，污泥当中的主要NOB菌可能为Nitrospira，提高曝气强度后DO为0.7~1.0 mg/L，阶段初期，较高的DO抑制了NOB的活性，并且为AOB提供了充足的DO，故达到了很好的亚硝化及氨氮去除效果.随着反应器的运行，氨氮去除率保持稳定，但RNA逐渐下降，阶段末出水的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮分别为1，24及26 mg/L，亚硝酸盐积累率仅为48%.分析原因，运行中后期，较高曝气强度使AOB的活性大大增强，氨氮大部分去除，但周期末充足且较高的DO对NOB产生的抑制较小，NOB的增殖速率变快，亚硝化系统遭到了破坏.
第Ⅲ阶段(第71~100天)，采用低曝气强度恢复亚硝化性能，调整曝气强度1.2 L/(h · L).阶段第1天，出水的氨氮、亚硝态氮和硝态氮分别为17，25和16 mg/L.随着反应的进行，在第82天，氨氮的去除率上升到71.66%并且随后保持稳定.硝态氮生成量很小，并在之后的运行天数内维持在4 mg/L以下.故间歇曝气和曝气强度限制策略可用于亚硝化性能的恢复，并在运行期间内为AOB提供竞争优势.但由于AOB会受到间歇曝气和低曝气强度的长期影响，活性被抑制，低曝气强度不足以维持系统长期稳定性.
第Ⅳ阶段(第101~140天)，继续提高曝气强度1.93 L/(h · L)，缩短第Ⅳ阶段曝气时长，溶解氧质量浓度为1.2~1.5 mg/L.阶段运行初期，出水的氨氮、亚硝态氮及硝态氮分别为9，41和5 mg/L，亚硝化性能良好，随着反应器的运行，出水氨氮在5~8 mg/L，氨氮去除率良好.在第140天，出水氨氮、亚硝态氮分别为6，44 mg/L，氨氮去除率为90%，亚硝酸盐积累率为91.6%.有研究表明，由于不能确保足够的AOB丰度和活性，低DO和低氨条件并不适合亚硝酸盐积累[27-28]，相对高的DO及保持出水残余氨氮将有利于实现亚硝化[29-30].分析原因，在阶段运行期间，缺氧环境及短曝气时间下出水氨氮在5 mg/L以上，导致NOB不能及时利用基质而受到了抑制，并且提供给AOB充足的DO，使得AOB的活性较高，故达到了很好的亚硝化性能及氨氮去除.
2.2 不同曝气强度下亚硝化污泥特性在不同阶段的稳定运行期间测定亚硝化污泥的氨利用速率，不同阶段的RAU如图 3所示.在阶段Ⅰ~V，单位VSS氨利用速率分别为10.506, 16.439, 11.473, 17.021 mg/(g · h).根据图 3可知，Ⅱ、Ⅳ阶段的氨利用速率数值接近，故在运行周期内，短曝气时间下出水氨氮也略高，并且阶段Ⅱ、Ⅳ的氨利用速率均大于Ⅰ、Ⅲ阶段.分析原因，由于在高曝气强度环境下，AOB的活性也较高，随着AOB菌群活性相对增加，相应地对于氨氮的利用能力也得到了提升，故阶段Ⅰ、Ⅲ氨利用率较低，而阶段Ⅱ、Ⅳ的氨利用速率相对较高.
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图 3 运行期间氨利用速率、硝酸盐氮生成速率的变化 Fig. 3 Variations of RAU and RNP during operation |
运行中，为了比较不同曝气强度阶段下系统中NOB相对活性，通过批次实验研究了不同阶段的RNP[21].如图 3所示，阶段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的硝酸盐生成速率呈现先上升后下降的趋势，在前40 min，阶段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ单位VSS RNP均小于0.08 mg /(g · min)，这体现了此3个阶段对于NOB的抑制作用较为成功.比较图 3中各阶段发现，阶段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ分别在第80分钟有较大上升，说明在连续曝气情况下，NOB的活性被激活，开始氧化亚硝态氮生成硝态氮.在第100分钟时，阶段Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ批次实验的RNP达到最大值，为0.23，0.21和0.29 mg/(g · h)，并且Ⅰ、Ⅲ阶段的RNP均小于Ⅳ阶段，说明低曝气强度更能抑制NOB的活性.
根据微生物生长动力学分析，NOB被充分激活后，活性污泥中NOB的相对活性是硝酸盐生成速率增加的唯一限制因素.由于大量的亚硝态氮被氧化，NOB底物质量浓度降低，活性受到抑制，硝酸盐生成速率下降.阶段Ⅱ的RNP为0.43 mg/(g · min)，说明在阶段Ⅱ中NOB的活性相对较高，而Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ远远小于阶段Ⅱ的RNP最大值，说明两种运行方式可以在一定程度上降低亚硝化系统中NOB的相对活性.
2.3 曝气强度、曝气时长对氨氮去除率及亚硝酸盐积累率的影响以氨氮去除率为响应值，回归方程为Y1=0.92+0.30×A+0.19×B+0.36×A×B，R2=0.863 9，方差分析见表 4.
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表 4 氨氮去除率方差分析 Tab. 4 Analysis of variance of ammonia nitrogen removal rate |
模型的F值为19.05，P值小于0.05，该模型显著，其中曝气强度及曝气时长对该响应影响显著.
以亚硝酸盐积累率为响应值，回归方程为Y2=0.79-0.3×A-0.26×B-0.26×A× B，R2=0.774 7，方差分析见表 5.
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表 5 亚硝酸盐积累率方差分析 Tab. 5 Analysis of variance of nitrite accumulation rate |
模型的F值为10.31，P值小于0.05，该模型显著，其中曝气强度及曝气时长对该响应影响显著.
本实验主要分析了曝气强度、曝气时长对间歇曝气SBR亚硝化系统中氨氮去除率及亚硝酸盐积累率的影响.由表 4，5可知，曝气强度及曝气时长对氨氮去除及亚硝酸盐的积累均有显著影响.分析图 4可知，随着曝气强度的降低，亚硝酸盐积累率逐渐升高且受曝气时间的影响减小，氨氮去除率随着曝气时长的增大逐渐升高.原因是低曝气强度使NOB生长受到抑制，而AOB逐渐成为优势菌种，从而实现良好的亚硝化性能.但过低的曝气强度，AOB的活性也受到了严重影响，即使延长曝气时间也无法弥补AOB活性的降低，氨氮去除率无法提高.在较高曝气强度下，随着曝气时长的增加，氨氮去除率逐渐上升，亚硝酸盐积累率逐渐下降.分析原因，较高的曝气强度下AOB的活性得到了较大增强，短曝气时长下，NOB因不能及时利用基质导致亚硝酸盐积累率升高.而增加曝气时长，NOB因DO和基质充足活性得到增强，导致亚硝酸盐积累率下降.进一步提高曝气强度，AOB的活性不能相应增强，氨氮去除率及亚硝酸盐积累率只受曝气时长的影响.因而在总曝气强度相同下，可采取较高的曝气强度配合短曝气时长来实现较高的氨氮去除率及亚硝酸盐积累率.
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图 4 氨氮去除率和亚硝酸盐积累率的等高线图及响应面 Fig. 4 Contour map and response surface of ammonia nitrogen removal rate and nitrite accumulation rate |
图 5，6分别为阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ在不同时期一个典型周期内氨氮、亚硝态氮、硝态氮、pH及DO的变化.可以看出，阶段反应周期缺氧段DO接近于零，而好氧段DO分别在0.2~0.5，0.7~1.0，1.2~1.5 mg/L变化，pH呈现先上升后下降的趋势，推测原因是进水少量的COD及反应初期的厌氧时间为反硝化菌提供条件导致了pH的上升，开始曝气时，pH开始下降.阶段Ⅰ进水氨氮为61.64 mg/L，由于溶解氧的限制，氨氮下降缓慢，出水氨氮、亚硝态氮、硝态氮分别为12.11，40.73及3.56 mg/L，亚硝化性能良好，但氨氮去除率不高.阶段Ⅱ提高了曝气强度，进水氨氮为58.94 mg/L，出水氨氮、亚硝态氮、硝态氮分别为1.10，24.79及29.16 mg/L.
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图 5 不同阶段的典型周期内DO、pH的变化 Fig. 5 Variations of DO and pH in typical cycles during operation |
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图 6 不同阶段的典型周期内氨氮、亚氮、硝氮的变化 Fig. 6 Variations of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, and nitrate nitrogen in typical cycles during operation |
由图 6(b)所示，氨氮在前420 min内基本降解完成，DO呈现了跳跃式的升高，亚硝化性能呈现恶化的趋势.原因可能是后续的曝气以及生成的亚硝态氮为NOB提供了充足的基质，随着运行天数的增加，NOB的相对数量提高，亚硝化系统破坏.第Ⅳ阶段，提高曝气强度的同时改变运行模式，缩短曝气时间，阶段Ⅳ进水氨氮为61.77 mg/L，出水氨氮、亚硝态氮及硝态氮为6.28，48.13和3.57 mg/L.与阶段Ⅰ、Ⅱ不同的是，阶段Ⅳ的氨氮去除率在86.58%，并且亚硝态氮积累率可达90%.原因可能是高曝气强度下AOB的活性较高，而间歇曝气以及短曝气时长导致NOB不能及时利用基质而受到抑制，即使提高曝气强度，NOB受到抑制得不到富集，故实现了良好的亚硝化性能及氨氮去除效果.
3 结论1) 在间歇曝气SBR反应器中，曝气强度为1.2 L/(h · L)，亚硝酸盐积累率可达93%，但较低的溶解氧抑制了AOB的活性，氨氮去除率仅能达到80%.控制曝气强度为1.58 L/(h · L)，亚硝化性能逐渐恶化，周期末亚硝酸盐积累率仅能达到48%.控制曝气强度为1.93 L/(h · L)，实现了较高氨氧化率和亚硝酸盐积累率，分别为90%和91.6%.
2) 等高线图及响应面分析可知，曝气强度及曝气时长对氨氮去除及亚硝酸盐的积累均有显著影响.随着曝气强度的降低，亚硝酸盐积累率逐渐升高且受曝气时间的影响减小.较高曝气强度下，随着曝气时长的增加，氨氮去除率逐渐上升，亚硝酸盐积累率逐渐下降.
3) 过低的曝气强度下AOB的活性受到严重影响，延长曝气时间无法弥补AOB活性的降低，氨氮去除率无法提高.较高的曝气强度下AOB的活性较强，进一步提高曝气强度，AOB的活性不能相应增强，氨氮去除率及亚硝酸盐积累率只受曝气时长的影响.因而在总曝气强度相同下，可采取较高的曝气强度配合短曝气时长来实现较高的氨氮去除率及亚硝酸盐积累率.
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