短程硝化反硝化生物脫氮工藝因其經濟有效性，越來越受到工程實踐者的青睞。短程硝化反硝化最先應用于消化污泥脫水上清液、垃圾滲濾液等含高濃度氨氮廢水的生物脫氮，近些年也有應用于市政污水的研究報道。短程硝化反硝化可以通過優(yōu)化反應器運行條件，使氨氧化菌(AOB) 在系統(tǒng)中占據優(yōu)勢而獲得，即在系統(tǒng)中完全去除或抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB) �？梢姡瑢崿F(xiàn)短程硝化反硝化的關鍵是將硝化控制在生成亞硝酸鹽階段，阻止亞硝酸鹽的進一步氧化。
另一方面，鑒于溫室氣體(GHG) 的排放與全球氣候變暖有直接關系，這也促使污水處理產業(yè)向著低碳排放量的全新運行模式發(fā)展。由于N2O 的溫室氣體效應是CO2的300 倍以上，因此，在生物脫氮工藝中應當盡量限制或避免N2O 的釋放。生物脫氮工藝中常見的微生物菌群有AOB、NOB 和異養(yǎng)反硝化細菌，它們均可以在不同的條件下通過不同代謝途徑產生N2O。N2O 是異養(yǎng)反硝化過程的中間產物，在碳源缺乏和N2O 還原酶受到抑制的情況下容易產生N2O 的積累。有學者提出了關于AOB 生成N2O 的兩條途徑: 一是化學自氧化和羥胺(NH2OH) 的化學反硝化過程; 另一個是生物反硝化，NO2-被依次還原成NO 和N2O。第2 種途徑與傳統(tǒng)的化能異養(yǎng)型反硝化最大的不同在于其電子供體不是有機物，而是NH4+、NH2OH 或H2。由Shiskowski等人提出的低DO 條件下污泥硝化過程中N2O 釋放的簡化模型，已經被研究者廣泛認可。然而，在AOB 的基因組編碼中并未發(fā)現(xiàn)可以將N2O還原成N2的N2O 還原酶。
有證據表明在污水處理廠中，當DO 受到限制甚至缺氧時，反硝化過程會釋放大量的N2O。而亞硝酸鹽的大量積累直接誘導或強化了AOB 在低溶解氧條件下N2O 的釋放。對不同污水處理廠中N2O 釋放的監(jiān)測過程表明，N2O 的釋放與亞硝酸鹽的積累呈現(xiàn)正相關關系。因此，采用CSTR 工藝或者SBR 工藝的短程硝化反硝化過程會產生大量的N2O。Kampschreur 等人在生產性CSTR 短程硝化試驗裝置中監(jiān)測到釋放的N2O 占到總氨氮氧化量的3%。Gustavsson 等人在利用SBR 短程硝化工藝處理污泥脫水上清液的過程中，N2O 釋放量達到總氨氮氧化量的4．1%。因此，開展短程硝化反硝化反應器運行策略的研究以減少N2O 的釋放勢在必行。
威立雅水務研發(fā)了一種新型的SBR 短程硝化反硝化工藝——ANITATM Shunt，它通過獨特的控制系統(tǒng)可以將脫氮過程控制在短程硝化反硝化階段，而無需對溫度有特殊要求或限制N2O 釋放。筆者采用該工藝處理厭氧消化污泥脫水上清液，對亞硝酸鹽積累和N2O 釋放之間的關系進行了深入研究。
1 試驗材料與方法
1. 1 SBR 中試反應器
在法國Epernay 污水處理廠建造了處理中溫厭氧消化污泥脫水上清液的SBR 短程硝化反硝化中試裝置。SBR 反應器容積為500 L(直徑: 0．65 m，高: 1．80 m) ，在20～25 ℃下運行(沒有外部加熱系統(tǒng)) 。通過在線傳感器來測量NH4+-N、NO3--N、NO2--N、DO、pH 值、ORP 和溫度。FNA(HNO2) 濃度根據在線實時測量的pH 值、溫度和NO2--N濃度經計算得到。
反應器安裝有酸(HCl) 和堿(NaOH) 投加設備，必要時對pH 值進行調控。在曝氣階段，溶解氧控制在0．5～1．0 mg/L。通過流量控制器對空氣流量進行測量，采用電磁流量計對進水量進行測定。所有設備和傳感器均由與PLC 系統(tǒng)相連的計算機控制。
消化污泥脫水上清液的水質見表1。
1. 2 分析項目及方法
對上清液中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P 和溶解性COD 進行日常分析，MLSS 和VSS 采用APHA 方法進行測定。為了準確和連續(xù)地測量N2O 的釋放量，反應器采用頂部封閉形式。產生的氣體被連續(xù)、定量(30L/h) 地輸送到無色散紅外分析儀進行成分分析(N2O、O2和CO2) 。根據反應器排出的空氣量及供氣量來計算N2O 的釋放量，其中供氣量可以從流量計上讀出。
1. 3 SBR 操作循環(huán)
SBR 的操作如圖1 所示，每個SBR 操作循環(huán)中包括幾個子循環(huán)，其中子循環(huán)由曝氣進水、曝氣和缺氧段組成。在第一缺氧段中加入乙醇作為碳源。每個子循環(huán)的持續(xù)時間由游離亞硝酸濃度來控制。當進水水位達到反應器最大水位時，進水泵停止工作。當全部子循環(huán)結束后，也就完成了一個完整循環(huán)。此后，通過排泥使反應器的泥齡維持在15～ 20 d，反應器靜沉1 h 后排放上清液。
2 結果與分析
2. 1 SBR 工藝運行方式
利用由UV 傳感器在線監(jiān)測的NO2--N和NH4+-N 信號來控制SBR 反應器的運行。在整個試驗過程中，利用瞬時取樣分析對傳感器監(jiān)測結果的準確性和可靠性進行對比和監(jiān)控。當SBR 反應器中每個子循環(huán)的進水階段實測的NH4+-N和NO2--N濃度之和達到預設值(S1) 時，進水階段就會自動停止。因此，每個子循環(huán)過程中反應器的進水容積取決于進水中的NH4+-N濃度。當SBR 反應器達到最大液位時，啟動沉淀和排水過程，一個完整的SBR 循環(huán)結束。當反應器中的HNO2濃度達到預設值(S2) 時，曝氣階段(DO = 0．4～ 1．0 mg/L)自動停止，保證了在曝氣過程中由AOB 產生的N2O釋放量在可控范圍內最低。由反應器中NO2--N濃度預設值(S3) 來控制外碳源的投加，確保其投加的高效性。由NO2--N濃度控制碳源投加量的好處在于能避免過量投加，節(jié)省運行成本。根據該控制策略，絕大多數進水中的NH4+-N在曝氣階段被轉化為NO2--N，所產生的NO2--N在接下來的缺氧段被反硝化為N2，從而實現(xiàn)了短程硝化反硝化的在線控制(見圖2) 。
2. 2 中試結果
在18 個月的穩(wěn)定運行期內，在負荷為0．2～0．3 kgNH4+-N/(kgVSS·d) 的條件下，對總氮的去除率可達85%～ 90%。在中試過程中沒有對反應器的溫度進行控制，在20～25 ℃之間波動。啟動階段(0～ 80 d) 亞硝化率逐漸增加，為0～ 85%，表明在SBR 反應器中成功實現(xiàn)了短程硝化反硝化，即采用低DO 的曝氣方式可以將NOB 淘汰出反應器。與此同時，在每個子循環(huán)中FA 和FNA 濃度的變化也周期性地抑制了NOB 生長，這是SBR 系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反硝化的關鍵因素。
經測定，出水NH4+-N、NOx--N 和TSS 分別為(25～ 80) 、＜5、(20～ 100) mg/L。當短程硝化反硝化的脫氮率穩(wěn)定在90% 以上時，對ANITATM Shunt工藝的乙醇投加量進行了2 個星期的監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，其平均乙醇需求量為3．4 gCOD/gN，與預期結果相同，而傳統(tǒng)反硝化系統(tǒng)的碳源投量約為5．7gCOD/gN［3］，即短程硝化反硝化工藝的碳源投加量比傳統(tǒng)反硝化工藝低40%。
2. 3 游離亞硝酸對N2O 釋放的影響
2. 3. 1根據NO2--N濃度控制初始曝氣時長
在開始階段，當NH4+-N與NO2--N 濃度之和大于80 mg/L 時停止進水; 當混合液中的NO2--N濃度達到20 mg/L 時停止曝氣; 當NO2--N 濃度下降到5 mg/L 時停止投加乙醇; 當NO2--N濃度達到2 mg/L 時缺氧階段結束。為了不使亞硝化過程受到限制，在曝氣階段，通過投加NaOH 控制pH 值在6．7 以上。結果見圖3。游離亞硝酸的計算值在曝氣階段的末期始終維持在7 μg/L 左右，N2O 在產生的氣體中約占0．2%，相當于釋放量為6%～ 9%。從圖3 可以看出，采用NO2--N濃度來控制SBR 反應器曝氣時長的方法，無法得出N2O 的釋放量與NO2--N濃度直接相關。
為了確定N2O 的釋放與NO2--N濃度是否直接相關，在SBR 一個完整循環(huán)的不同子循環(huán)中采用不同的pH 值，用以區(qū)別NO2--N和FNA 濃度與N2O 產生的關系。對于所有的子循環(huán)，當NO2--N為14 mg/L 時終止曝氣。控制第一個和最后一個子循環(huán)的pH 值在7．0～ 7．1 之間，當曝氣結束時這兩個子循環(huán)的NO2--N和FNA 濃度分別為14 mg/L和3．5～ 4．0 μg/L。此時，廢氣中的N2O 含量為0．045%～ 0．055%。在第二和第三個子循環(huán)中，將pH 值控制在8．4～ 8．5，曝氣結束時的NO2--N濃度也為14 mg/L，而FNA 濃度＜ 0．3 μg/L，在廢氣中幾乎檢測不到N2O 的存在(見圖4) 。這證明了N2O的釋放與NO2--N濃度沒有直接關系，而FNA 對N2O 的釋放起重要作用。
為了進一步驗證FNA 濃度和N2O 釋放之間的關系，采用不同的pH 值和不同的NO2--N 濃度預設值來終止曝氣過程，進而可以在每個反應循環(huán)中得到不同的FNA 濃度。結果表明，曝氣末期的FNA濃度越高，N2O 的釋放量越多。在試驗測試的FNA濃度范圍內(0．8～ 8．5 μg/L) ，F(xiàn)NA 濃度與N2O 的釋放量呈明顯的正相關關系: y = 1．11x-0．53，R2 =0．984 2。
以上結論支持了Shiskowski 等人［4］提出的假設: HNO2是AOB 在反硝化過程中的電子受體，而不是NO2-。由于在AOB 的基因組中缺乏將N2O 進一步還原成N2的還原酶，正如研究中觀察到的，強化AOB 的反硝化過程最終必將導致N2O 的大量釋放。接下來仍需要大量的研究去探求AOB 在低DO條件下進行反硝化時，F(xiàn)NA 與N2O 的代謝關系。
2. 3. 2根據FNA 濃度控制曝氣時長
根據前述結論，在ANITATM Shunt 工藝中，采用FNA 濃度預設值而不是NO2--N濃度預設值來終止曝氣反應。在SBR循環(huán)控制中，曝氣進水階段依舊終止于(NH4+-N+NO2--N)＞80 mg/L 時; 當HNO2濃度達到1．5μg/L 的預設值時終止曝氣，如圖5 所示; 乙醇投加階段和缺氧段的時長仍然由NO2--N濃度預設值來控制。在這種控制方式下，在每個曝氣階段廢氣中N2O 的含量均低于0．008%，相當于N2O 的釋放量＜ 0．7%。在最初的SBR 運行控制策略中，曝氣階段終止于NO2--N濃度為20 mg/L (相當于HNO2濃度為7 μg/L) 時，N2O 在廢氣中的含量超過8%。
由于在新的控制策略中采用更短的曝氣時長，使每個子循環(huán)的進水量變小，進而導致每個完整的SBR 操作循環(huán)中子循環(huán)個數由原來的4 個增加到11 個。由于硝化和反硝化動力學的一致性，因此在SBR 短程硝化反硝化工藝中完整循環(huán)時間和氮的去除率是不變的。值得注意的是，由于曝氣時間的縮短，在反硝化過程中回收的堿度完全可以滿足硝化過程的pH 值維持在6．5 以上的要求，因此無需進行堿度調節(jié)，節(jié)省了成本。
3 結論
利用多階段進水的SBR 工藝(ANITATM Shunt)成功地實現(xiàn)了短程硝化反硝化。在曝氣階段末期檢測到的N2O 釋放量與反應器中的游離亞硝酸(FNA) 濃度直接相關，不同于之前與NO2--N濃度有關的報道。因此，AOB 反硝化的電子受體是HNO2，而不是NO2--N。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
根據這個發(fā)現(xiàn)，利用在線控制NH4+-N 濃度和NO2--N濃度，以及基于此計算出來的FNA 濃度，開發(fā)出一種新的專利技術來控制SBR 的曝氣時長，可以將短程硝化反硝化過程中釋放的N2O 量控制在最低水平，并減少了因亞硝化過程中堿度修正所需的投堿量。
