生活污水厌氧氨氧化脱氮工艺研究

孙亚男

（吕梁市生态环境局，山西 吕梁 033000）

2021 年，全国水污染物氨氮排放总量为103.34 万t，总氮排放总量为304.14 万t，生活污水在这之中占有非常大的比例[1]。近年来，厌氧氨氧化工艺被认为是最科学最环保的污水脱氮技术。厌氧氨氧化过程无需将NH4+-N 彻底氧化为NO3--N，只需要将部分NH4+-N转化为NO2--N，理论上节约62.5%的曝气能耗；此外，厌氧氨氧化细菌作为自养菌，无需外加碳源便能发生脱氮反应，节约了处理成本；在工艺上，厌氧氨氧化反应中理论上不产生N2O，有利于环境的可持续发展。厌氧氨氧化技术作为一种新型的生物脱氮途径，改变了人们对传统氮循环理论的认识，其在高氨氮废水如污泥厌氧消化液、垃圾渗滤液等处理中获得了较好研究基础，并实现了初步工程应用，因此本文对污水应用厌氧氨氧化工艺进行脱氮研究[2-3]。

1 厌氧氨氧化工艺原理

厌氧氨氧化是指在厌氧条件下以亚硝酸盐氮为电子受体将氨氮转化成氮气的过程，反应原理见式（1）。1997 年VandeGraaf 等通过同位素示踪提出厌氧氨氧化反应可能的代谢途径，在该代谢途径中，亚硝酸盐还原酶将NO2--N 还原为羟胺（NH2OH），之后羟胺与NH4+-N 在水解酶的作用下反应生成肼（N2H4），最后N2H4发生氧化反应生成N2，完成厌氧氨氧化过程。厌氧氨氧化工艺主要受到温度、溶解氧（DO）、碳源及碳氮比（C/N）的影响[4-5]。

2 厌氧氨氧化工艺影响因素

2.1 温度

厌氧氨氧化细菌最适宜的生长温度为25～40 ℃，这主要与参与微生物代谢的酶活性有关，而酶的活性与温度紧密相关，只有在适合的温度下厌氧氨氧化细菌才能表现出良好的活性。当温度从30 ℃降至20 ℃和10 ℃，厌氧氨氧化细菌的活性分别降低至原活性的39%和14%。但是一般城镇生活污水的温度为10～25 ℃，厌氧氨氧化细菌在这个温度下活性较低，反应变慢，脱氮效果更差。

2.2 溶解氧（DO）

厌氧氨氧化细菌为厌氧（缺氧）菌，氧气浓度的变化对细菌的活性有着重要的影响，当氧气含量较低时，细菌的反应速度会加快，活性也会增高，而生活污水中的溶解氧浓度受环境影响较大，因此需要对污水中的溶解氧浓度进行严格控制，避免污水中的氧气浓度过高。

2.3 碳源

厌氧氨氧化细菌需要碳源来提供能量，二氧化碳等碳源物质在生活污水中可以为厌氧氨氧化细菌提供必须的能量以及所需的生存环境，因此需要在生活污水中保持适量的碳源。

2.4 碳氮比（C/N）

在生活污水中除了温度与溶解氧为必要物质外，碳氮比也会对厌氧氨氧化细菌的活性有重要影响。生活污水中的碳氮比一般为2～5，而厌氧氨氧化细菌适宜生存环境中的碳氮比为<0.5，较高的碳氮比不利于厌氧氨氧化细菌进行脱氮反应，因此需要对生活污水中的碳氮比采取一定的方法进行降低，为厌氧氨氧化细菌提供适宜的生存条件。

3 亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺

由图1 可知，亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺设计为两个反应器，第一个反应器为A/O 反应器，第二个反应器为UASB 反应器，反应器之间用水池连接。在A/O 反应器中，设置了缺氧区以及好氧区，采用恒温水浴，水温控制在31 ℃，污泥从底部回流至反应器。UASB 反应器中温度控制在37 ℃左右，出水通过回流至A/O 反应器中，并且采用循环泵提高回流效果。

图1 反应装置图

4 部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺研究

4.1 部分亚硝化反应器的快速启动

在亚硝化反应器的快速启动中首先向A/O 反应器接种活性污泥，将污泥质量浓度保持在2 g/L，然后加入磁混凝生活污水，开始连续进水。维持曝气区域DO质量浓度为0.4 mg/L 左右，非曝气区域DO 质量浓度为0.05 mg/L 左右，pH 为7.2～7.4，温度31 ℃。启动阶段，每天监测部分亚硝化反应器进水TN 和NH4+-N浓度，测定出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N 浓度，工艺启动及运行效果如图2 所示。

图2 部分亚硝化启动阶段运行结果

1～5 d，进水TN、NH4+-N 质量浓度分别为42.6 mg/L和35.18 mg/L，经好氧区曝气反应后，部分亚硝化反应器出水TN 质量浓度为22.79 mg/L，NH4+-N 质量浓度为15.30 mg/L，NO2--N 质量浓度为7.36 mg/L，NO2--N/NH4+-N 质量浓度为0.48 mg/L，远低于适于厌氧氨氧化反应发生的理论计量比1.32 mg/L。这主要是由于曝气阶段DO 质量浓度较低，如此低的溶解氧浓度会造成氨氧化速率降低，氨氮硝化效果较差，导致出水亚硝酸盐浓度较低，同时低曝气量也会造成混合液搅拌不足，导致污泥沉降于池底。因此将曝气流量由0.4～ 0.6 L/min 提高到0.6～0.8 L/min，同时将曝停比（时间比，min）由5∶30 提高到5∶20，进一步提高亚硝酸盐积累率。

6～17d，部分亚硝化反应器出水氨氮质量浓度降低至8.99 mg/L，亚硝酸盐质量浓度上升至9.17 mg/L，硝酸盐质量浓度维持在0 mg/L，NAR 达到100%，实现了稳定的亚硝化，出水NO2--N/NH4+-N 质量浓度增大至1.25 mg/L，该出水水质有利于厌氧氨氧化反应的进行。分析原因，该阶段DO 质量浓度增大到0.6～0.8 mg/L，氨氧化效果得到明显提升，但DO 浓度仍然处于较低水平，在较低DO 质量浓度下，AOB 比NOB更具备竞争优势，从而出现了稳定的亚硝酸盐积累，同时大量研究表明在高温（30～35 ℃）时有利于部分亚硝化的稳定运行，反应器通过水浴控制在31 ℃的高温，利于AOB 的增殖，也有利于部分亚硝化的启动。

4.2 不同运行阶段氮的去除

如图3 所示，反应器成功启动后，阶段Ⅰ中的总氮去除了79%，大部分的污染氮物质得到了去除，在阶段Ⅱ中，由于提高了污水中溶解氧的浓度，厌氧氨氧化细菌的活性得到了提高，因此氨氮去除率较第一阶段提高了13%，在阶段Ⅲ中，由于进入反应器中的含氮盐物质相对较低，所以氨氮去除率较低，相比较，阶段Ⅱ中的氨氮去除率最高，因此在保持适宜温度、碳源以及碳氮比的条件下，提高污水中溶解氧浓度对于NH4+-N 的去除有促进作用。

图3 各阶段氮质量浓度

5 结论

本研究中厌氧氨氧化反应器与常规生化反应器（A/O）串联，在常规生化反应器实现亚硝化。厌氧氨氧化工艺作为深度脱氮工艺，进一步将氨氮和亚氮转化为氮气。在基本不额外增加运行成本的基础上实现了排水的提质增效。该工艺的控制参数对现有污水处理厂提标、降耗具有一定借鉴意义。