不同碱度对SBR法短程硝化过程的影响

王舜和 王红莉 平 惠

1 概述

短程硝化反硝化是脱氮工艺研究的热点，目前主要有两种方法实现了亚硝酸的稳定积累，第一种是在连续流反应器(CSTR)中，通过控制温度和污泥龄(SRT)，利用生长速度的差异逐渐从系统中筛除硝酸菌;另一种是在间歇反应器(SBR)中通过控制溶解氧(DO)浓度，利用硝酸菌对氧结合能力弱的特点，抑制硝酸菌的繁殖，最终使亚硝酸菌在硝化细菌中占有优势。无论是CSTR还是SBR，维持一定量的碱度都是保证硝化反应完全进行的必要条件。在亚硝化过程中氧化1 mol NH4+会生成2 mol H+，这使得水中pH值逐渐下降，而亚硝酸菌适宜的pH值范围为7.0～8.5，低于此值便会抑制生长，若水中存有一定碱度可对下降过程起缓冲作用。实际操作中通常采用HCO3－调节硝化反应的碱度，因为增减HCO3－的投加量可以有效调节碱度而不会引起pH值的较大波动;此外，HCO3－还可以满足硝化细菌在生长繁殖中对无机碳源的需要。

目前系统研究碱度对短程硝化过程影响的文献尚不多见，因此本研究将着重考察不同碱度对SBR反应器中亚硝化积累的影响，详细分析各碱度条件下pH值和DO的变化以讨论它们作为检测参数的可行性。

2 材料与方法

反应器系统SBR内径15.0 cm，高50.0 cm，有效容积为8.12 L。通过温控仪和加热器控制水温在(30±0.5)℃。采用鼓风曝气，利用转子流量计控制气量。以投加NaHCO3控制pH值在7.0～8.5。SBR的运行周期为8 h，其进水、曝气、沉淀和排水时间分别为 0.5 h，6.0 h，1.0 h 和 0.5 h。SBR 排水率为 50%，每天运行2个～3个周期。

2.1 间歇试验

间歇试验用泥取泥水混合液，置于250 mL的锥形瓶，取泥量为MLVSS=5.15 mg/L。静沉后排除上清液100 mL，用去离子水反复清洗4遍～5遍，以削弱原水中残余NH4+和NO2－对实验的影响;然后用1 mol/L的HCL调节pH值为7.0，以中和原水中残留的碱度;最后加入配水至250 mL。此后每种不同碱度试验均按上述步骤进行。将锥形瓶置于(30±0.5)℃摇床内，在曝气量为1000 mL/min，转速为150 rpm～155 rpm下振荡。反应过程中定时取样测定并在线监测锥形瓶内pH值与DO 变化。

2.2 分析项目及测试方法

DO:Thermo Orion 850A溶氧仪;pH值:WTW pH值526酸度计;NH4+-N:纳氏试剂比色法;NO2－-N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;碱度及挥发性悬浮固体(VSS)的测定见标准方法。

3 结果与讨论

碱度的计算关系式如下:1 mol N→2 mol NaHCO3→1 mol CaCO3。根据上式的关系可由初始NH4+-N浓度计算出完全反应所需要的CaCO3碱度量，称其为理论碱度。本实验中采用的初始碱度大小分为以下五种:1807 mg/L，7132 mg/L，15025 mg/L，951 mg/L和570 mg/L(均以CaCO3计)，根据初始NH4+-N浓度可确定它们分别为理论碱度的 1.16 倍，5.18 倍，10.45 倍，0.56 倍，0.36 倍，为叙述方便分别简称为:理论碱度、五倍碱度、十倍碱度、半碱度和1/3倍碱度。根据亚硝化积累和pH值、DO变化现象不同，可将以上五种碱度分为碱度充足、碱度过量和碱度不足3种情况。

3.1 碱度充足情况

从图1中可以发现，理论、五倍和半碱度3种情况下均实现了较完全的亚硝化过程。从0 min～60 min这段时间里氨氮的下降速率几乎相同，表明在半碱度～五倍碱度之间，碱度量多少并不会影响亚硝化反应的进行速度。而随着碱度的上升，亚硝化积累率也从87%上升至98%(见图2)，说明维持系统中较高的初始碱度有利于实现完全的亚硝化积累。

图1 和亚硝化的情况对比（一）

图3，图4分别表示反应过程中pH值和DO的变化情况。在3种碱度下，pH值呈现了完全不同的变化规律:理论碱度下，pH值先是迅速升高至A点，随后缓慢下降到B点，反应结束时又升高到C点;半碱度情况中pH值同样为先升高后降低，但直至反应结束也不会出现反弹上升;五倍碱度时pH值则一直稳定上升而不会出现下降段。pH值所表现的不同变化反映了系统中CO2吹脱速率VCO2与亚硝化反应速率VNO2之间的平衡关系。当VCO2＞VNO2时系统表现为pH值上升，VCO2＜VNO2则表现为pH值下降。从图3中可以看到，pH值突变的时间多在80 min～90 min之间，此时理论碱度实验中pH值开始出现反弹，而半碱度实验中pH值的下降速率则减缓接近0，对比图1可以发现此时亚硝化反应已接近完全，因此在这两种情况下pH值均可作为SBR法亚硝化过程的控制参数;相比之下，五倍碱度中pH值变化没有明显规律，因而不适合作为实时控制的监测参数。DO在系统中主要反映了微生物生命活动的耗氧速率V1与曝气系统的供氧速率V2之间的平衡关系。在3种碱度情况下，DO都可以明显的指示出反应的终点，因此与pH值相比，在碱度充足情况下以DO作为控制参数更为合理。

图2 不同碱度下的亚硝化率

图3 pH值变化情况（一）

图4 DO变化情况（一）

3.2 碱度不足和碱度过量

与碱度充足情况相比，不足(1/3倍)和过量(十倍)两种碱度下亚硝化均无法进行到底，在120 min的反应时间里亚硝化率分别只有67%和34%。NH4+-N下降曲线的形态也有明显不同:十倍碱度时NH4+-N的变化与时间t成线性关系，而1/3碱度时NH4+-N下降速率是不断下降的，到80 min左右时亚硝化几乎完全停止。NH4+-N下降曲线斜率的大小代表着系统中亚硝化菌反应活性的大小，从图5中可以看出，十倍碱度时亚硝化反应明显受到抑制，因而斜率较低、亚硝化活性不强，但是在整个反应过程中活性基本不发生变化，表现为在0 min～120 min内NH+4-N基本保持线性下降形态，这说明活性抑制在实验最初就已发生，并且在实验过程中抑制作用保持稳定。1/3倍碱度时的曲线斜率则是不断降低的，表明随着反应的进行亚硝酸菌的活性在不断下降，同时也说明随着反应的进行，抑制作用将不断变强直至使硝化反应完全停止。

当供氧速率一定时DO的变化可以定性描述微生物的活性变化，从图6可以看出，十倍碱度时DO一直维持较高的水平，说明微生物活性一直比较低，而1/3倍碱度时DO经过短暂下降后便开始回升，说明活性的抑制是逐步增强的，这些现象同前面分析的微生物活性变化过程是一致的。因此，在碱度不足和碱度过量的情况下，DO仍然可以作为监测参数控制反应器的运行。相比之下，两种碱度中pH值变化均没有明显规律(见图7)，因而不适合以其作为监测参数。

图5 和亚硝化的情况对比（二）

图6 DO变化情况（二）

图7 pH值变化情况（二）

4 结语

1)从半碱度～五倍碱度之间，碱度的增加不会明显增大反应速率，但却可以部分提高亚硝化积累率，微生物在这个碱度区间内可保持较高的活性。DO在反应过程中的突变可以明显的指示出反应终点，而pH值随着碱度不同会产生不同的变化曲线，因而DO更适合作为反应时间的控制参数。2)十倍碱度和1/3碱度时，FA和FNA的抑制作用会严重影响微生物活性，使得反应不能进行完全。其中十倍碱度的抑制作用是稳定的，而1/3碱度的抑制作用是逐渐变强的，表现为前者延长了反应时间，后者则使反应完全停止。在这两种碱度下，pH值已经不存在突变现象，因此不能作为监测参数控制反应进行，而DO仍然可以指示反应终点。3)通过对不同碱度下短程硝化反应的分析，以及pH和DO作为控制参数的实验对比，可以考虑通过控制碱度和采用DO为监测参数的方法实现半亚硝化，为厌氧氨氧化提供比例适宜的进水。

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