现有研究表明, 生物脱氮过程中, 硝化过程分别由AOB (氨氧化菌) 和NOB (亚硝酸盐氧化菌) 两种菌种作用完成。短程硝化是通过AOB的增殖、AOB的抑制将硝化过程控制在NO₂^--N阶段, 可以省去传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐, 再还原成亚硝酸盐两个环节, 由于短程硝化工艺可以缩短生物脱氮的反应历程, 与自养脱氮工艺组合, 可以降低脱氮所需的氧耗量和碳耗量, 具有节省曝气量、减少污泥产量、减少反应器容积和节约基建费用等优点^[1~4]。

　　 针对城市生活污水面临的进水基质浓度低、处理量大、温度低以及氨氧化菌培养驯化慢的现状, 如何快速实现并稳定运行城市生活污水的短程硝化是解决短程硝化反硝化以及自养脱氮工艺的关键。pH、温度、DO、FA、曝气量、重金属等都将对短程硝化产生影响, 本研究主要针对pH及温度这两个因素对城市生活污水短程硝化的影响进行了研究。

　　 试验装置采用序批式活性污泥法, 由不锈钢制成, 试验装置如图1所示。

　　 SBR短程硝化反应器高100cm、直径80cm, 总有效容积500L。每个周期处理水量400L。池内底部安装有穿孔曝气装置, 整个反应器外壁缠有电热保温丝, 由温度控制仪控制反应器内温度, 并在池体内安装有温度传感器在线监测反应器内水温的变化。同时, 反应器内安装有DO、pH、MLSS测定仪, 实时监测反应器运行过程中的变化情况。

　　 试验用水为人工配制模拟城市生活污水, 主要污染物浓度如下:NH₃-N=25~30mg/L、COD=150~200mg/L、BOD₅=110~145mg/L、pH=7.1~7.2、NO^-₃-N=0.03~0.30mg/L。

　　 水样分析项目的测定过程中:NH₃-N质量浓度采用纳氏试剂光度法;NO₂^--N质量浓度采用N- (1-奈基) -乙二胺光度法;NO₃^--N质量浓度采用麝香草酚分光光度法;溶解氧DO采用WTW oxi330i多功能溶解氧在线测定仪测定;pH、温度采用在线pH和温度仪测定;COD采用5B-3 (C) 型COD快速测定仪测量;MLSS采用TSS Portable便携式污泥浓度计测量;ORP采用哈希HQ-40d测定仪。

　　 试验所用污泥为已成功富集AOB菌种的活性污泥, 亚氮累积率为95%, AOB与NOB菌种数量比例为38∶1^[5], SBR反应器运行周期为5.5h (进水0.5h、曝气3.5h、静置1h、出水0.5h) , 曝气阶段L气∶L水为1.5∶1, 污泥浓度为3 000mg/L。本次研究内容主要是针对pH和温度这两个关键因素对城市污水短程硝化的影响, 结合前期试验结果和试验条件, 试验过程中分别探讨了在温度25℃、30℃, pH 7.5、pH 8.0和pH 8.5条件下, SBR反应器短程硝化亚氮积累的变化情况;同时, 还对pH调节药剂进行了研究。试验中, 每个工况保持反应器稳定运行时间不低于15天。具体运行控制条件见表1。

　　 试验过程中, 维持SBR反应器温度30℃, 运行周期5.5h (进水0.5h、曝气3.5h、沉淀1h、出水0.5h) , 曝气量1.5L气/L水, pH 8.0持续运行30天, 反应器中亚氮累积率稳定达到90%以上。经对反应器中活性污泥的分子生物学检测显示, 其中AOB/NOB (A/N) 为38.1∶1, 表明本反应器中已成功实现城市污水的高效短程硝化和稳定运行。

　　 温度是影响硝化反应的重要因素之一, 它对硝化菌的增殖速率和活性都将产生极大的影响。现有研究表明, 亚硝化反应的适宜温度在25~30℃, 为进一步确定温度对NO₂^--N生成率的影响, 在反应器实现稳定的亚氮积累后, 调整反应器内水温, 考察温度对城市生活污水短程硝化影响。图2为短程硝化反应器分别在25℃和30℃两个温度下运行15天之后氮素变化曲线。

　　 由图2可以看出, 两种温度条件下, SBR反应器经过3.5h连续曝气运行模式, 均可以实现NO₂^--N的稳定积累。25℃和30℃条件下, NH₃-N去除率分别可达到98%、99%;但是, 25℃时NO₂^--N积累峰值出现在180min, NO₂^--N积累率为85%;30℃时, NO₂^--N峰值出现时间在165min处, NO₂^--N积累率为93%。且从NO₂^--N变化曲线可以看出, 30℃条件下的NO₂^--N积累速度明显快于25℃。可见, 温度的增加更利于AOB菌种活性的增强, 通过图2中NO₃^--N变化曲线也可以看出, 30℃条件下NO₃^--N的生成速率明显的低于25℃。本试验结果进一步印证了AOB、NOB这两菌种活性在温度上的差异性, 30℃条件下AOB的活性要优于NOB。由Hellinga等^[6]对高氨氮、低碳氮比的污水SHARON工艺研究可知, AOB在数量上形成优势的温度范围为30~36℃。可见, 这一结论同样适用于低浓度的城市生活污水 (原水NH₃-N在30mg/L左右) 。

　　 pH是影响生物脱氮反应的另一重要因素, 它对硝化反应的影响主要有两个方面, 一是AOB与NOB最适pH的不同, AOB的最适pH为7.0~8.5, 而NOB的最适pH为6.0~7.5;另一方面, pH通过影响污水中的游离氨 (FA) 的浓度, 进而影响亚硝化细菌的活性, 高pH会导致水中游离氨浓度增大, 从而对AOB和NOB的生长产生不同程度的影响所致。本试验过程中, 同步探讨了pH对城市污水短程硝化的影响, 结果如图3所示。

　　 从图3可以看出, 在pH为8.0、8.5两种条件下, 初期二者都可以实现稳定的短程硝化, NO₂^--N积累率分别为90%、91%, NH₃-N去除率均达到99%以上, 但是从长期运行结果来看, 却存在极大的差异。试验过程中, 维持pH为7.5的条件下稳定运行10天之后, 反应器出水的NO₃^--N呈现逐渐上升趋势, 到第15天, 系统出水NO₂^--N浓度降至10mg/L以下, NO₃^-N浓度则升高至9.5mg/L左右。表明在此条件下, 反应器中的优势菌种发生了变化, NOB将占据明显的优势, 系统朝完全硝化的方向发展, SBR反应器短程硝化系统濒临崩溃。可见, 对于城市生活污水, pH 7.5不利于短程硝化亚硝酸盐的积累。

　　 试验过程中发现, 对于城市生活污水的短程硝化, pH亦影响曝气阶段的运行控制。当pH为8.0时, 反应器中NO₂^--N峰值出现在曝气180 min处、浓度为25.37mg/L, NO₂^--N积累率为91%;当pH为8.5时, 反应器中NO₂^--N峰值出现在165min处、浓度为26.31 mg/L, NO₂^--N积累率为92%。可见, 当系统pH高于8.0以上时, NO₂^--N积累率均能达到90%以上, 高pH更有利于低氨氮污水的短程硝化。

　　 上述试验结果表明, pH对于城市污水短程硝化的实现和稳定运行起到及其重要的作用。前述试验过程中, pH调节药剂采用的是NaHCO₃, 实际废水处理中, 酸碱度的调节各厂存在差异, 本次试验过程中, 分别对以下3种不同的pH调节方式进行了研究:药剂A (NaHCO₃) 、药剂B (NaOH和NaH-CO₃联用) 、药剂C (NaOH) 。试验过程中控制反应器运行条件不变:pH 8.0, 温度30℃, 曝气量1.5L气/L水。

　　 图4为3种投药方式下反应器中三氮的变化曲线。可见, 药剂投加方式对系统的运行会产生非常明显的影响。药剂A、B、C对应的NO₂^--N峰值出现时间分别为180 min、195 min、150 min, 且NO₂^--N的最终积累率也存在很大差异;药剂A条件下的出水NO₂^--N值最高, 达到24.5mg/L, 比药剂C条件下 (14.6 mg/L) 高了约10 mg/L, 而出水硝酸盐呈现相反的趋势。这是由于药剂C系统中pH下降幅度较大, 其出水pH低于7.0, 在这个pH条件下, AOB和NOB的增值速率相似, 反应系统中的NOB不断积累, 导致NO₂^--N进一步被氧化成硝态氮。然而, 药剂B系统的pH降幅同样较大, 但其呈现了与药剂C系统不同的变化趋势, 也可以稳定实现亚氮的高效积累, 这是由于药剂B中含有部分NaHCO₃提供了碱度。

　　 而图5可以看出, 3种药剂投加的系统pH变化趋势差异较大, 药剂A调节方式下的pH变化相对比较平缓, 一个运行周期后pH仅下降了0.2;但药剂B和药剂C调节方式下, pH下降幅度较大, 分别下降了约1.0和1.2, 这是因为NaHCO₃与NaOH相比, 前者同时给系统提供了OH^-离子和碱度, 具有更好的缓冲作用, 而系统周期内pH的差异也导致了反应器不同的氮素变化趋势。

　　 图6为3种不同投药方式下随运行时间的延长, 反应器出水的NO₂^--N浓度变化曲线。3种不同投药方式下系统的亚氮积累率和稳定性明显不同。可见, 药剂C调节方式下, 随着反应器运行天数的增加, 出水亚氮浓度日益下降 (见图6) , 随着运行天数的增加, SBR反应器短程硝化系统濒临崩溃, 而对于药剂A和药剂B调节方法, 反应器中的AOB菌种对pH的冲击负荷有明显的适应能力。

　　 结果表明, 药剂投加方式会对系统的运行产生明显的影响, 首先, 其引起的pH变化趋势对反应器中AOB和NOB的增值速率影响较大, pH高可以实现高效的亚氮积累。其次, 当pH下降幅度较大时, 缓冲性能较好、碱度较大的药剂仍然可以有效的实现亚氮的积累。对于AOB菌种而言, 单一的提高pH并不能实现短程硝化的稳定运行, pH的抗冲击负荷能力较弱。因此, 对于已实现短程硝化的系统, 需加入一定的pH缓冲试剂方能维持短程硝化的稳定性。

　　 (1) 温度的增加有利于AOB活性的增强, 控制反应器温度为 (30±1) ℃、pH为7.8~8.2 (NaH-CO₃调节方式) , 采取连续曝气方式 (曝气量1.5L_气/L_水) , 可以实现低C/N比城市生活污水的稳定短程硝化, 亚硝氮积累率可达91%以上。

　　 (2) 高pH有利于加快短程硝化的反应速率, 当系统pH高于8.0时, NO₂^--N积累率可达到90%以上, 当pH≤7.5时, 则不利于短程硝化亚硝酸盐的积累。

　　 (3) 单一的提高pH并不都能实现短程硝化的稳定运行, 需投加一定的pH缓冲剂, 方能确保系统的稳定运行。