间歇曝气比在短程硝化中对硝化活性的影响*

刘 宏 彭永臻 卢炯元 南彦斌 曾立云 陈永志#

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京 100124)

间歇曝气比在短程硝化中对硝化活性的影响*

刘 宏1彭永臻2卢炯元1南彦斌1曾立云1陈永志1#

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京 100124)

采用序批式间歇反应器(SBR)处理生活污水，温度控制在(25.0±0.5) ℃，研究好氧曝气与缺氧搅拌时间比(间歇曝气比)分别为30 min∶30 min(A模式)和40 min∶20 min(B模式)对亚硝酸盐氮积累、污泥性能参数、反应速率(比氨氮氧化速率、比硝酸盐氮产生速率、比亚硝酸盐氮产生速率)、氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的影响。A模式下运行64个周期时，出水亚硝酸盐氮质量浓度为19.04 mg/L，亚硝酸盐氮积累率高达99.21%；B模式下运行75个周期时，出水亚硝酸盐氮质量浓度为19.42 mg/L，亚硝酸盐氮积累率高达95.47%；研究表明缺氧时间所占比例越大越有利于短程硝化的实现。在实现短程硝化过程中，A模式在38个周期之后AOB活性超过NOB活性；B模式在34个周期之后AOB活性超过NOB活性。

间歇曝气比 短程硝化 AOB和NOB活性 序批式间歇反应器

短程硝化—厌氧氨氧化工艺由于其耗能低、无需投加额外碳源及运行成本低等优点被国内外学者所广泛研究[1-2]，实现短程硝化是该工艺稳定运行的关键。研究发现，氨氧化菌(AOB)和硝酸盐氧化菌(NOB)在生理特性机制及动力学方面都存在着明显的差异，利用这种差异可以实现菌种的筛选[3],[4]85,[5]。通过控制DO、游离氨、温度、pH及污泥停留时间等因素都可以实现短程硝化[6-7]，但是这些参数的控制相对复杂，同时也制约着实际工程的应用。有研究表明，相对于连续曝气而言，间歇曝气可以更好地利用菌种之间的生理差异，促进短程硝化的实现[8]。间歇曝气可以实现好氧/缺氧快速交替，有利于AOB的富集和活性表达，而NOB的生长和活性受到抑制[9]。好氧曝气与缺氧搅拌时间比(以下简称间歇曝气比)是影响短程硝化的重要因素，延长好氧时间有利于COD 去除和硝化反应进行，而延长缺氧搅拌时间可以抑制NOB 的活性，实现亚硝化的稳定运行[10-11]，但最佳间歇曝气比对短程硝化的稳定和硝化活性(AOB、NOB活性)的影响研究较少见。本研究采用序批式间歇反应器(SBR)，研究了不同的间歇曝气比对于氨氮的去除效果、亚硝酸盐氮的积累、污泥性能、反应速率及同步硝化反硝化率、AOB和NOB活性变化的影响。

1 材料与方法

1.1 实验装置

SBR实验装置见图1。SBR(2个，A、B模式各用1个)采用有机玻璃柱制成，直径15 cm，高40 cm，有效容积5 L。其侧壁设有取样口，采用搅拌器搅拌，利用时间控制器实现间歇曝气。

1—曝气泵；2—气体流量计；3—搅拌器；4—曝气头；5—排泥口；6—取样口图1 SBR实验装置Fig.1 Schematic diagram of SBR process

1.2 接种污泥

接种污泥取自稳定运行反应器中全程硝化污泥，污泥混合液悬浮固体质量浓度约为3 000.00 mg/L，污泥混合液挥发性悬浮固体浓度占污泥混合液悬浮固体浓度的比值(f值)分别为0.67(A模式)和0.65(B模式)，污泥具有良好的脱氮性能。

1.3 实验用水水质及检测方法

实验用水取自兰州交通大学家属区生活污水，其水质指标见表1。

表1 实验用水水质

取100 mL污泥混合液置于量筒中，静止30 min，测定污泥沉降比。从反应器中取100 mL污泥混合液，用定量滤纸过滤，滤纸残余物在105 ℃的烘箱内烘至恒质量，冷却后测量污泥混合液悬浮固体浓度。然后在600 ℃的马弗炉内烘至恒质量，冷却后测量污泥混合液挥发性悬浮固体浓度。水样经滤纸过滤后根据文献[12]测定COD、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮浓度。

1.4 运行模式

两种模式(A、B模式)下温度均控制在(25.0±0.5) ℃，进出水瞬时完成，曝气量为80 L/h，排水量为有效容积的75%；A模式间歇曝气比为30 min∶30 min，间歇曝气时间比为1，运行4次后，接着进行30 min的好氧曝气，曝气结束后污泥进行30 min静止沉降，然后进行排水，单周期总时间为300 min。B模式间歇曝气比为40 min∶20 min，间歇曝气时间比为2，运行2次后，接着进行40 min的好氧曝气，曝气结束后污泥进行30 min静止沉降，然后进行排水，单周期总时间为190 min。

1.5 计算方法

氨氮去除率、亚硝酸盐氮积累率、硝酸盐氮积累率、比氨氮氧化速率、比亚硝酸盐氮产生速率和比硝酸盐氮产生速率的计算参考文献[13]的公式进行。

AOB和NOB活性计算参考文献[14]，计算方法如下：

ηAOB=Sn/Sm×100%

(1)

ηNOB=Pn/Pm×100%

(2)

式中：ηAOB为AOB活性，%；Sn为第n个周期曝气结束时比氨氮氧化速率，d-1；Sm为整个实验阶段比氨氮氧化速率的平均值，d-1；ηNOB为NOB活性，%；Pn为第n个周期曝气结束时比硝酸盐氮产生速率，d-1；Pm为整个实验阶段比硝酸盐氮产生速率的平均值，d-1。

[15]提出的同步硝化反硝化率计算方法，并忽略反应过程微生物的同化作用和细胞死亡的影响，同步硝化反硝化率计算公式如下：

C=(1—c1/c2)×100%

(3)

式中：C为同步硝化反硝化率，%；c1为曝气前后亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的增加量之和，mg/L；c2为系统曝气前后氨氮的减少量，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 不同间歇曝气比条件下氨氮的去除特性

图2、图3分别为两种模式下间歇曝气比对氨氮的去除特性，进水氨氮质量浓度维持在50.00～80.00 mg/L，出水质量浓度分别在35、42个周期之后基本达到5.00 mg/L以下，氨氮去除率稳定在95.00%左右，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，未因间歇曝气比的影响而变化；但A、B模式单周期总的曝气时间分别为150、120 min，这是由于A模式的缺氧时间相对B模式较长，AOB的增长速率较缓慢，氨氮不能及时被氧化，使得所需的曝气时间较长。蒋轶锋等[4]89研究结果表明间歇曝气相对于连续曝气可以增加AOB的产率系数并降低其衰减系数，可以达到更好的氨氮去除效果。

图2 A模式下间歇曝气比对氨氮的去除特性Fig.2 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode A

图3 B模式下间歇曝气比对氨氮的去除特性Fig.3 Removal characteristics of ammonia nitrogen by intermittent aeration ratio in mode B

2.2 不同间歇曝气比对亚硝酸盐氮积累的影响

图4、图5为不同间歇曝气比对亚硝酸盐氮积累的影响。由于污泥属于全程硝化污泥，反应开始时，A、B模式下亚硝酸盐氮积累率基本为零，出水硝酸盐氮质量浓度分别高达21.81、28.47 mg/L。随着间歇曝气的进行，A、B模式分别在39、33个周期后，亚硝酸盐氮积累率基本稳定在50.00%以上，一般认为，亚硝酸盐氮积累率达到50.00%以上即实现了短程硝化[16]，此时出水亚硝酸盐氮质量浓度分别为7.37、11.81 mg/L，两种条件下均实现了短程硝化；但由于A模式缺氧时间较长，反硝化得以充分进行，使得A模式出水亚硝酸盐氮浓度较低。A、B两种模式下分别运行到64、75个周期时，出水硝酸盐氮基本接近于零，亚硝酸盐氮出水质量浓度分别为19.04、19.42 mg/L，亚硝酸盐氮积累率高达99.21%、95.47%。分析原因：随着反应的进行，间歇曝气模式使得DO在时间和空间上发生变化，而NOB不具备“饱食饥饿”特性，活性逐渐受到抑制；而A模式缺氧时间相对较长，对NOB的抑制程度较高；因此在一定的间歇曝气比范围内，缺氧时间所占的比例越大越有利于亚硝酸盐氮的积累，此现象与苏东霞等[17]1154的研究结果一致。高春娣等[18]119采用间歇曝气比为30 min∶60 min和30 min∶30 min，控制总间歇曝气时间分别为270、240 min，亚硝酸盐氮积累率均达到90.00%以上。刘洪涛[19]采用间歇曝气比为30 min∶30 min，总间歇曝气时间控制在360 min，亚硝酸盐氮积累率为91.20%。很多学者对不同间歇曝气比的短程硝化效果进行研究发现，间歇曝气时间比为0.55～6.16均能够成功实现短程硝化[20-22]，本实验采用的间歇曝气时间比也在此范围之内，也实现了稳定的短程硝化。

图4 A模式下间歇曝气比对亚硝酸盐氮积累的影响Fig.4 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode A

图5 B模式下间歇曝气比对亚硝酸盐氮积累的影响Fig.5 Effect of nitrite nitrogen accumulation by intermittent aeration ratio in mode B

2.3 不同间歇曝气比对污泥性能参数的影响

在整个反应过程中污泥具有良好的活性，这就保证了在反应过程中氨氮具有较高的去除率。图6为A、B模式下间歇曝气比对污泥性能参数的影响，反应开始时，f值分别为0.67、0.65，随着反应的进行，f值基本都呈现先增长后趋于稳定的趋势，在反应运行结束时f值稳定在0.80和0.85左右，污泥都具有良好的活性，可见不同间歇曝气比对污泥活性影响不大。SVI随着污泥活性的提高，也呈现增长的趋势，最终基本都稳定在100.00 mL/g，污泥没有发生膨胀；有研究表明，间歇曝气中好氧与缺氧的交替可以抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖[23]。本实验中间歇曝气可以实现DO的变化，能形成缺氧环境，可以很好地抑制丝状菌的生长，与苏东霞等[17]1157对控制污泥膨胀的原因分析一致。

注：SVI为污泥容积指数。图6 间歇曝气比对污泥性能参数的影响Fig.6 Effect of sludge performance parameters by intermittent aeration ratio

2.4 不同间歇曝气比对反应速率及同步硝化反硝化率的影响

比氨氮氧化速率可以表征活性污泥系统中好氧自养菌的活性状态[24]，而比亚硝酸盐氮产生速率和比硝酸盐氮产生速率是污泥硝化能力及硝化活性的重要指标。图7、图8为在整个实验过程中间歇曝气比对反应速率(比氨氮氧化速率、比硝酸盐氮产生速率、比亚硝酸盐氮产生速率)及同步硝化反硝化率的影响。反应开始时污泥具有良好的活性，A、B模式在反应过程中比氨氮氧化速率均值分别维持在0.23、0.28 d-1。反应开始时比硝酸盐氮产生速率最大，分别为0.10、0.17 d-1，而比亚硝酸盐氮产生速率基本为零，此时亚硝酸盐氮积累率接近零(见图4、图5)；随着反应的进行，比硝酸盐氮产生速率基本呈现逐渐下降的趋势，比亚硝酸盐氮产生速率基本呈现上升的趋势，比硝酸盐氮产生速率分别在64、75个周期时接近于零，而比亚硝酸盐氮产生速率则分别增加到0.08、0.10 d-1。

图7 A模式下间歇曝气比对反应速率及同步硝化反硝化率的影响Fig.7 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate by intermittent aeration ratio in mode A

图8 B模式下间歇曝气比对反应速率及同步硝化反硝化率的影响Fig.8 Effect of reaction rate and simultaneous nitrification and denitrification rate rate by intermittent aeration ratio in mode B

整个实验运行过程中，进水氮浓度(氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮)远远大于出水氮浓度，分析原因可能是由于发生了同步硝化反硝化，在间歇曝气模式下，由于DO在装置中分布不均匀，造成装置微观环境中存在好氧和缺氧微环境并存，为同步硝化反硝化提供了反应条件；在两种间歇曝气比下，同步硝化反硝化率均基本达到60.00%左右。从而减少了系统中的亚硝酸盐氮的积累，使得亚硝酸盐氮的质量浓度维持在20.00 mg/L左右，因此，同步硝化反硝化是导致氮损失的主要原因。

2.5 AOB、NOB活性变化

图9、图10分别为实验过程中，A、B模式下AOB和NOB活性的变化。在整个反应过程中，由于污泥具有良好的脱氮性能，氨氮去除率较高，AOB活性都维持在100.00%左右。NOB活性随着反应的进行都呈现递减的趋势，A模式和B模式在第1个周期时NOB的活性基本为最高，分别为248.60%、320.92%，此时亚硝酸盐氮积累率基本为零(见图4、图5)；两种模式分别在第38个、第34个周期之后，AOB活性超过NOB活性，AOB成为优势菌种，之后NOB活性基本呈递减趋势，A模式在64个周期时NOB活性基本被完全抑制，而B模式则在75个周期时NOB活性基本被完全抑制。通过不同模式的间歇曝气，可以很好地抑制NOB活性，而AOB具有“饱食饥饿”特性，可以保持稳定的活性。两种间歇曝气比下，AOB和NOB活性的变化趋势基本没有较大的差异，只是运行周期不同，但间歇曝气比是否会对菌种有影响，还有待进一步进行分子生物学探究。有研究表明[18]120，在交替运行模式中反复出现缺氧条件会抑制NOB 生长，并且这种抑制作用与缺氧时间成正比，但是对AOB 的活性基本没有影响，只是增长速率受到了短暂的限制。

图9 A模式下AOB和NOB活性的变化Fig.9 Changes of AOB and NOB activity in mode A

图10 B模式下AOB和NOB活性的变化Fig.10 Changes of AOB and NOB activity in mode B

3 结 论

(1) 间歇曝气可以实现短程硝化，间歇曝气比越小，实现稳定短程硝化的周期越短。

(2) 间歇曝气模式可以实现好氧/缺氧的交替，在一定的间歇曝气比范围内，由于AOB具有 “饱食饥饿”的特性，而NOB不具备这种特性，所以AOB活性维持稳定而NOB活性持续下降；间歇曝气时间比越小，NOB活性被抑制所需周期越短。

(3) 在间歇曝气模式下，由于DO分布不均匀导致好氧微环境和缺氧微环境并存，为同步硝化反硝化提供了条件。

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Effectoftheratioofintermittentaerationonactivityofnitrifyingbacteriainshortcutnitrification

LIUHong1,PENGYongzhen2,LUJiongyuan1,NANYanbin1,ZENGLiyun1,CHENYongzhi1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，LanzhouGansu730070;2.NationalEngineeringLaboratoryofUrbanSewageAdvancedTreatmentandResourceUtilizationTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)

Under the condition of temperature of (25.0±0.5) ℃,real domestic sewage was treated with sequencing batch reactors (SBR),ratios of aerobic and anoxic (the ratio of intermittent aeration) were 30 min∶30 min (mode A) and 40 min∶20 min (mode B), and its effects on the stability of nitrite nitrogen accumulation,sludge performance parameters,the rates of reaction (ammonia oxidation rate,nitrate nitrogen production rate,nitrite nitrogen production rate) and activity of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nitrite oxidizing bacteria (NOB) were investigated. After working 64 cycles under mode A,the effluent of nitrite nitrogen was 19.04 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was up to 99.21%. After working 75 cycles under mode B,the effluent of nitrite nitrogen was 19.42 mg/L,and the nitrite nitrogen accumulation was 95.47%. The results show that the longer the anoxic time，the more beneficial to the realization of shortcut nitrification. During the shortcut nitrification,activity of AOB exceeds NOB after 38 cycles for mode A and after 34 cycles for mode B.

the ratio of intermittent aeration; shortcut nitrification; activity of AOB and NOB; SBR

刘 宏， 男，1993年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制理论与技术。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.51668033)；甘肃省高等学校特色专业(No.101004)；兰州交通大学教改重点项目。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.007

2017-03-07)