低碳氮比农村生活污水处理工艺（下）

    二、结果与讨论

1、 亚硝化污泥驯化培养

在亚硝化污泥培养反应器中驯化45 d，分为亚硝化污泥的驯化（0～24 d）以及亚硝化污泥的富集培养（24～45 d）两个阶段。在亚硝化污泥驯化阶段，反应器进水NH4+-N浓度控制在97.3 mg/L 左右。0～14 d，出水NH4+-N浓度均大于进水NH4+-N浓度，先从初始的87.2 mg/L 增至154.7 mg/L，然后逐渐降低。这主要是由于反应器进水中没有投加有机碳源，在限氧、缺乏营养物质的条件下污泥中的好氧异养菌死亡后被厌氧分解，产生NH4+-N，从而使出水中NH4+-N浓度大于进水NH4+-N浓度。随着驯化过程的进行，出水NH4+-N浓度逐渐降低，第24 d 降至40.1 mg/L。在亚硝化污泥富集培养阶段，NH4+-N浓度提高至157.3 mg/L，此时出水NH4+-N浓度从92.3 mg/L 降至72.5 mg/L ，NH4+-N的去除率提高至百分之五十，此时污泥颜色为黄褐色，表明了反应器污泥当中亚硝化污泥占据主要地位，经过半个多月时间的运行，反应器亚硝化污泥活性再次达到稳定状态。

2、 SNAD 生物膜的驯化培养

在已经完成挂膜的ANAMMOX 反应器内投入已驯养好的亚硝化污泥，通过控制溶解氧（0.8 ～1.2 mg/L），实现在一个反应器中同时进行半硝化和厌氧氨氧化反应（CANON 反应）。在CANON 工艺启动与运行阶段，反应器进水NH4+-N 浓度控制在150 mg/L 左右。0～12 d，反应器出水NH4+-N浓度逐渐从48.4mg/L 升至76.5 mg/L。出水NO3--N 浓度却有所降低，这主要是因为通过调控及优化溶解氧，水力停留时间等条件后，亚硝化菌在生物膜耗氧区将部分NH4+-N氧化成NO2--N，使生物膜内层进行变为厌氧环境有利于厌氧氨氧化反应的进行，使有一部分硝化菌由于环境条件，种间斗争被分解。并且在此期间内，亚硝化细菌与ANAMMOX 菌协同共生需要一段适应期，因此氮的转化形式并不吻合CANON反应;随着实验的进行，亚硝化在生物膜好氧区开始逐渐占据主要地位，亚硝化细菌消耗生物膜内部的溶解氧将部分NH4+-N氧化NO2--N，为下一步ANAMMOX反应提供厌氧条件，此时ANAMMOX 菌趋向于生物膜内侧生长并在在厌氧环境下将剩余的NH4+-N和亚硝化产生的亚硝态氮转化成氮气。12～24 d，出水NH4+-N浓度基本保持稳定趋势降低，从76.5 mg/L 降低至30.3 mg/L，NH4+-N去除率从增至百分之七十三，TN 的去除率达到了百分之七十左右，两种菌群对底物的去除达到平衡，从而使得NH4+-N与NO2--N、NO3--N 都能得到有效去除，实现CANON自养脱氮。

 向已经完成挂膜的CANON 的反应器内投入已驯养好的反硝化污泥，原水中加入COD，进行SNAD生物膜的挂膜过程。12 d 以内，出水COD 浓度由87.1 mg/L 降至47.2 mg/L，出水NH4+-N浓度由50.7 mg/L 降低到36.9 mg/L，NO2--N 浓度与NO3--N 浓度在12 d 时都已降至3 mg/L，表明反硝化污泥效果良好。反应器内悬浮污泥浓度低于100 mg/L，表明SNAD 填料基本完成挂膜过程。

3、水解酸化-SNAD 工艺启动与运行

（1）水解酸化单元运行效果

控制厌氧水解酸化HＲT 为3.6 h，整个工艺运行阶段，反应器进出水COD 浓度、COD 去除率变化。进水COD为156.2 mg/L，，此时C/N 比为3∶1。经过水解酸化后，出水COD 浓度从140 mg/L 降至61 mg/L，去除率逐渐提高至百分之五十六。在开始的4 d 内，COD去除率较低。5～10 d 内出水COD 浓度不断降低，从137 mg/L 降至80 mg/L，接种水解酸化菌逐渐适应新的环境。10～18 d，出水COD 浓度保持在70mg/L 左右，表明水解酸化单元去除COD 已经达到稳定阶段。此时出水的C/N 比约为1.4∶1。Chen等人在SNAD 实验研究中认为的C/N 比为1∶2，因此进一步降低进水COD 浓度至100mg/L，原水C/N 比保持为2∶1。经过20 多天的连续反应，出水COD 降至30 mg/L 左右，相较进水150 mg/L 时去除率有明显提高。此时出水C/N 比约为3∶5。

 VFAs 的组成的对于厌氧水解酸化反应的效果直接相关，尤其在随后的脱氮碳源选择和对ANAMMOX菌的生长代谢上有较大的影响。在本实验中，VFAs 产物主要是乙酸，丙酸，异丁酸，正丁酸。

乙酸是厌氧水解酸化反应的主要产物，占据了总产物含量的百分之七十以上。当投加碳源COD 为150 mg/L 左右时，前3 个样品的VFAs/COD 分别为0.35、0.34 和0.38，4 种酸所占比例则大致相似。当投加碳源COD 为100mg/L 左右时，COD 去除率提高到百分之六十九，VFAs/COD分别为0.71、0.72 和0.75，VFAs/COD 提高一倍左右，同时乙酸平均含量提高，而异丁酸的浓度则变为0。这主要是因为pH 值是影响水解酸化的重要因素之一，尤其对乙酸更为明显，由于正常情况下产乙酸只消耗一个三磷酸腺苷，在低pH 条件下，一个三磷酸腺苷已经不满足产乙酸的能量，投加碳源COD 为100 mg/L 时水解酸化反应器内pH值的提高（提高大约0.3 左右）加快了乙酸的产生。此外，异丁酸的消失可能是由于进水COD 的降低导致低碳氮比从而影响对异丁酸菌活性的控制。水解酸化单元进出水NH4+-N浓度基本保持在50mg/L 左右。

（2）SNAD 单元运行效果

水解酸化出水进入拔风溅水生物滤池，整个工艺运行阶段，反应器进出水氮化合物及COD 浓度及去除率变化如图7 所示。0～18 d 时，反应器NH4+-N浓度由34.9 mg/L 降低到23.5 mg/L，NO2--N与NO3--N平均浓度分别为5mg/L 与16 mg/L；

COD 的去除率在百分之五十左右。此期间内总氮去除率不足百分之十，主要因为拔风管通风流速过慢且反应器内外温差过小，使通风效果不佳导致溶解氧浓度较低，造成NH+4-N 去除率下降而反应开始至18 d，反应器处于室温条件下（12 ℃），此温度下不利于亚硝化菌的生长代谢，因此产物大多为NO3--N，该温度也控制了ANAMMOX 反应并影响了反硝化速率；

此阶段水解酸化出水的VFAs/COD 较低，同时出水未回流，导致反硝化脱氮效率较低；

此外生物滤池进水C/N比约为1.2∶1，也影响了SNAD 反应的效果。因此，从19 d 起，通过加热手段将反应器内温度控制在34±1℃左右，同时调节通风孔流速，提高反应器内部溶解氧，滤池出水回流至进水端，提高溅水溶氧的效果并强化反硝化反应。

出水NH4+-N、NO3--N及COD 浓度逐渐降低，第40 d 时分别为3、4 与7mg/L，出水NO2--N 浓度为1 mg/L；

COD 与总氮去除率均有提高。此外第32 d 进水C/N 比降至1∶1，至第40 d 降至3∶5。反应器C/N 小于1 时，NO3--N与NO2--N浓度分别从27.8、8 mg/L 降至9、1 mg/L，反应器运行良好，COD 去除率在C/N 为3∶5 时保持稳定，该进水C/N 比接近SNAD 工艺C/N 比（1∶2）。此外VFAs/COD 的提高也会加快反硝化反应速率并减小对ANAMMOX 反应的影响，从而提高脱氮效率。由去除的COD 浓度（23 mg/L，第40 d）可知，由反硝化去除的总氮约为5～6 mg/L 左右（按照去除1 g NO3--N需要4 g COD 计），其余大部分总氮去除由ANAMMOX 反应完成。

 推测SNAD 生物膜的除碳脱氮机理为：亚硝化反应在生物膜好氧区占主要地位，反硝化反应与ANAMMOX 反应在生物膜厌氧区占据主要地位。在生物膜好氧区，限氧条件下亚硝化菌消耗一定的溶解氧将部分NH4+-N氧化成NO2--N，同时为生物膜内层的厌氧氨氧化与反硝化创造良好的厌氧环境；

在生物膜厌氧区，限氧环境下剩余的COD 与ANAMMOX 产物NO3--N 进行反硝化反应，脱氮的同时降低COD，为ANAMMOX 菌提供的生长环境；

在生物膜厌氧区内部，ANAMMOX 菌利用剩余的NH4+-N以及亚硝化产物NO2--N生成氮气及少量的NO3--N。

三、结语

通过本文试验结果的分析得出以下结论：

1、水解酸化单元在C/N 比2∶1 条件下，COD的去除率可达到百分之七十，出水C/N 比为3 ∶5；

VFAs成分主要为乙酸，丙酸和正丁酸三种，VFAs/COD 为0.74。

2、在SNAD 脱氮单元，通过亚硝化、反硝化与厌氧氨氧化的耦合作用，COD 与总氮的去除率分别提高。脱氮主要由ANAMMOX反应完成。

3、厌氧水解-SNAD 组合工艺COD 与总氮总去除率分别达到百分之九十二和百分之八十四。