高氨氮废水短程硝化过程中N2O释放试验研究

第３６卷第４期２０１６年４月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３６，Ｎｏ．４Ａｐｒ．，２０１６基金项目：深圳市海外高层次人才创新创业专项资金孔雀计划项目（Ｎｏ．ＫＱＣＸ２０１２０８１４１５５３４７０５３）；山东省绿色建筑协同创新中心团队建设项目（Ｎｏ．ＬＳＸＴ２０１５０８）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｈｅｎｚｈｅｎＯｖｅｒｓｅａｓＨｉｇｈ⁃ＬｅｖｅｌＴａｌｅｎｔｓＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＦｕｎｄｓＰｅａｃｏｃｋＰｌａｎＰｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．ＫＱＣＸ２０１２０８１４１５５３４７０５３）ａｎｄｔｈｅＴｅａｍＢｕｉｌｄｉｎｇＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｏ⁃ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＧｒｅｅｎＢｕｉｌｄｉｎｇｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＬＳＸＴ２０１５０８）作者简介：邢丽贞（１９６６—），女，教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＸＩＮＧＬｉｚｈｅｎ（１９６６—），ｆｅｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１５．０６０３邢丽贞，郑德瑞，孔进，等．２０１６．高氨氮废水短程硝化过程中Ｎ２Ｏ释放试验研究［Ｊ］．环境科学学报，３６（４）：１２６０⁃１２６５ＸｉｎｇＬＺ，ＺｈｅｎｇＤＲ，ＫｏｎｇＪ，ｅｔａｌ．２０１６．Ｎ２Ｏｅｍｉｓｓｉｏｎｄｕｒｉｎｇｓｈｏｒｔ⁃ｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈａｍｍｏｎｉｕｍｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３６（４）：１２６０⁃１２６５高氨氮废水短程硝化过程中Ｎ２Ｏ释放试验研究邢丽贞１，２，郑德瑞２，孔进２，吴光学３，∗１．山东省绿色建筑协同创新中心，济南２５０１０１２．山东建筑大学市政与环境工程学院，济南２５０１０１３．清华大学深圳研究生院深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，深圳５１８０５５收稿日期：２０１５⁃０６⁃１９　　　修回日期：２０１５⁃０７⁃２１　　　录用日期：２０１５⁃０８⁃０３摘要：试验采用序批式反应器（ＳＢＲ）处理高氨氮废水，逐步提高废水氨氮（ＮＨ＋４⁃Ｎ）浓度到８００ｍｇ·Ｌ－１，通过控制曝气量实现了短程硝化．ＳＢＲ周期试验表明，在低溶解氧和高游离氨等共同作用下，氨氧化菌（ＡＯＢ）活性较低，导致ＡＯＢ以亚硝酸盐氮（ＮＯ－２⁃Ｎ）作为电子受体进行好氧反硝化，氧化亚氮（Ｎ２Ｏ）释放因子为９．８％．静态试验控制初始ＮＨ＋４⁃Ｎ为１００ｍｇ·Ｌ－１且改变曝气量（０．２２～０．８８Ｌ·ｍｉｎ－１）条件下，溶解氧浓度的增加能够提高硝化菌活性，Ｎ２Ｏ释放因子为０．５１％～０．８５％．当初始ＮＨ＋４⁃Ｎ浓度为１００ｍｇ·Ｌ－１且曝气量控制在０．６６Ｌ·ｍｉｎ－１时，初始ＮＯ－２⁃Ｎ浓度为０～１００ｍｇ·Ｌ－１对硝化菌活性影响较小，Ｎ２Ｏ释放因子为０．５０％～０．７１％．当溶解氧和游离氨浓度控制在适宜范围内，可维持ＡＯＢ较高活性，抑制ＡＯＢ发生好氧反硝化作用，降低Ｎ２Ｏ释放率．关键词：高氨氮废水；短程硝化；一氧化二氮；曝气量；亚硝酸盐文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１６）０４⁃１２６０⁃０６　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＮ２Ｏｅｍｉｓｓｉｏｎｄｕｒｉｎｇｓｈｏｒｔ⁃ｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈａｍｍｏｎｉｕｍｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ＸＩＮＧＬｉｚｈｅｎ１，２，ＺＨＥＮＧＤｅｒｕｉ２，ＫＯＮＧＪｉｎ２，ＷＵＧｕａｎｇｘｕｅ３，∗１．Ｃｏ⁃ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＧｒｅｅｎＢｕｉｌｄｉｎｇｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉｎａｎ２５０１０１２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０１０１３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｉｓｋＣｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＲＣ）ｏｆＳｈｅｎｚｈｅｎ，ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌａｔＳｈｅｎｚｈｅｎ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０５５Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１９Ｊｕｎｅ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２１Ｊｕｌｙ２０１５；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ３Ａｕｇｕｓｔ２０１５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎａｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ），ｎｉｔｒｉｔａｔｉｏｎｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔａｍｍｏｎｉｕｍｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＨ＋４⁃Ｎ）ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ８００ｍｇ·Ｌ－１．ＷｉｔｈｉｎｔｈｅｔｙｐｉｃａｌＳＢＲｒｅａｃｔｉｏｎｃｙｃｌｅ，ｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｌｏｗｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎａｎｄｈｉｇｈｆｒｅｅａｍｍｏｎｉａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｃａｕｓｅｄｌｏｗａｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｂａｃｔｅｒｉａ（ＡＯＢ），ａｎｄｎｉｔｒｉｆｉｅｒｓｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＡＯＢｗｉｔｈｎｉｔｒｉｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＯ－２⁃Ｎ）ａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎａｃｃｅｐｔｏｒａｎｄｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｆａｃｔｏｒｏｆｎｉｔｒｏｕｓｏｘｉｄｅ（Ｎ２Ｏ）ｗａｓ９．８％．Ｄｕｒｉｎｇｂａｔｃｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉａｌＮＨ＋４⁃Ｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ１００ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄｖａｒｉｅｄａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｓ（０．２２～０．８８Ｌ·ｍｉｎ－１），ｎｉｔｒｉｆｉｅｒａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅＮ２Ｏｅｍｉｓｓｉｏｎｆａｃｔｏｒｗａｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０．５１％～０．８５％．ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉａｌＮＨ＋４⁃Ｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ１００ｍｇ·Ｌ－１ａｎｄｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆ０．６６Ｌ·ｍｉｎ－１，ｔｈｅａｐｐｌｉｅｄＮＯ－２⁃Ｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ０～１００ｍｇ·Ｌ－１ａｆｆｅｃｔｅｄｌｉｔｔｌｅｏｎｎｉｔｒｉｆｉｅｒａｃｔｉｖｉｔｉｅｓａｎｄｔｈｅＮ２Ｏｅｍｉｓｓｉｏｎｆａｃｔｏｒｗａｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０．５０％～０．７１％．Ｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｕｉｔａｂｌｅｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎａｎｄｆｒｅｅａｍｍｏｎｉａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ，ｈｉｇｈａｃｔｉｖｉｔｙｏｆＡＯＢｃｏｕｌｄｂｅｍａｉｎｔａｉｎｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｅｄａｅｒｏｂｉｃｎｉｔｒｉｆｉｅｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｄｕｃｅｄＮ２Ｏｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈａｍｍｏｎｉｕｍｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｓｈｏｒｔ⁃ｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｎｉｔｒｏｕｓｏｘｉｄｅ；ａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅ；ｎｉｔｒｉｔｅ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）污水中氮的去除主要通过硝化反硝化过程．其中，硝化主要是氨氧化菌（ＡＯＢ）硝化氨氮（ＮＨ＋４⁃Ｎ）为亚硝酸盐氮（ＮＯ－２⁃Ｎ），进而由亚硝酸氧化菌（ＮＯＢ）硝化ＮＯ－２⁃Ｎ为硝酸盐（ＮＯ－３⁃Ｎ）．反硝化过程４期邢丽贞等：高氨氮废水短程硝化过程中Ｎ２Ｏ释放试验研究则主要是把硝态氮依次还原为氮气．目前，高氨氮废水脱氮工艺主要包括短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、完全自养硝化反硝化（ＣＡＮＯＮ）和低溶解氧（ＤＯ）条件下自养硝化反硝化（ＯＬＡＮＤ）等．此类处理工艺的重点为控制硝化ＮＨ＋４⁃Ｎ为ＮＯ－２⁃Ｎ，而后以ＮＯ－２⁃Ｎ为电子受体转化为氮气（Ｎ２）．与传统硝化反硝化工艺相比，此类短程硝化反硝化工艺的优点包括：好氧条件下节省曝气量，缺氧条件下节省电子供体，以ＮＯ－２⁃Ｎ为电子受体时反硝化速率比以ＮＯ－３⁃Ｎ为电子受体高，可大大减少ＣＯ２释放量及污泥产量等（Ｂｅｃｃａｒｉｅｔａｌ．，１９８３；Ｔｕｒｋｅｔａｌ．，１９８７；ＶａｎＫｅｍｐｅｎｅｔａｌ．，２００１）．通过短程硝化实现ＮＯ－２⁃Ｎ积累，关键是抑制ＮＯＢ活性而维持ＡＯＢ活性．影响ＮＯＢ活性的因素包括ＤＯ、温度、ｐＨ值、水力停留时间（ＨＲＴ）、游离氨（ＦＡ）和游离亚硝酸（ＦＮＡ）等（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４）．其中，ＤＯ经常作为控制亚硝化的关键参数．尽管短程硝化具有节省能耗和碳源等优势，但短程硝化过程中ＮＯ－２⁃Ｎ积累可能促进温室气体氧化亚氮（Ｎ２Ｏ）的释放，导致二次污染（Ｋｉｍｅｔａｌ．，２０１０）．因此，研究短程硝化过程中Ｎ２Ｏ的释放规律，对控制温室气体Ｎ２Ｏ的排放具有指导意义．高氨氮废水短程硝化过程中，Ｎ２Ｏ释放主要通过硝化菌好氧反硝化（Ｋｉｍｅｔａｌ．，２０１０）及羟胺化学和／或生物氧化作用（Ｐｏｕｇｈｏｎｅｔａｌ．，２００１；Ｓｔüｖｅｎｅｔａｌ．，１９９２）．一般认为，短程硝化过程中Ｎ２Ｏ释放量主要由高ＮＯ－２⁃Ｎ浓度和低ＤＯ浓度导致．大多数研究认为高ＮＯ－２⁃Ｎ浓度会促进Ｎ２Ｏ释放（Ｋｉｍｅｔａｌ．，２０１０）；Ｐｉｊｕａｎ等（２０１４）研究发现，当ＡＯＢ经驯化适应高ＮＯ－２⁃Ｎ浓度后，ＮＯ－２⁃Ｎ浓度对硝化过程中Ｎ２Ｏ释放影响较小．Ｔａｌｌｅｃ等（２００６）的研究表明，当ＤＯ浓度小于２ｍｇ·Ｌ－１时，Ｎ２Ｏ释放随ＤＯ浓度降低而升高，在１ｍｇ·Ｌ－１时Ｎ２Ｏ释放率最大．Ｑｕａｎ等（２０１２）也发现在曝气量为０．２、０．６和１．０Ｌ·ｍｉｎ－１条件下，Ｎ２Ｏ释放量随着曝气量降低而升高．因此，本试验采用序批式反应器（ＳＢＲ）处理高氨氮废水，逐步提高废水氨氮（ＮＨ＋４⁃Ｎ）浓度到８００ｍｇ·Ｌ－１，通过控制曝气量实现短程硝化，以进一步研究亚硝化过程中曝气量和ＮＯ－２⁃Ｎ浓度对硝化菌释放Ｎ２Ｏ的影响．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）试验采用序批式反应器（ＳＢＲ）处理高氨氮废水，通过逐步提高进水氨氮浓度（也即进水氨氮负荷）的方法，驯化硝化菌群并实现亚硝化．当出水ＮＨ＋４⁃Ｎ／ＮＯ－２⁃Ｎ比值稳定在１．０左右后，采用ＳＢＲ反应器中驯化的活性污泥，研究曝气量和初始ＮＯ－２⁃Ｎ浓度对活性污泥硝化过程中Ｎ２Ｏ释放的影响．２．１　ＳＢＲ反应器采用高为５０ｃｍ和直径为１５ｃｍ的圆柱有机玻璃ＳＢＲ反应器，有效容积为６Ｌ．反应器温度通过防爆电热保温加热棒控制在３０℃，采用微孔曝气器曝气和搅拌器搅拌．反应器运行周期为４ｈ，包括３ｈ曝气（含有１０ｍｉｎ进水）、４５ｍｉｎ静置和１５ｍｉｎ出水．反应器进水和排水通过定时器控制蠕动泵，每周期进水３Ｌ，排水３Ｌ．水力停留时间为８ｈ．反应器接种污泥在驯化前，已采用进水ＮＨ＋４⁃Ｎ浓度为２００ｍｇ·Ｌ－１的高氨氮废水稳定运行了３个多月；硝化菌在运行初期采用污泥龄为１０ｄ，运行３个污泥龄后不再排泥．为维持高浓度硝化菌，在本试验运行过程中，没有从反应器排泥．２．２　试验废水试验采用模拟废水，主要成分为ＮＨ４Ｃｌ、ＮａＨＣＯ３、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＣａＣｌ２、ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ、酵母浸膏和微量元素（Ｓｍｏｌｄｅｒｓｅｔａｌ．，１９９４）等．初始进水ＮＨ＋４⁃Ｎ浓度约为４００ｍｇ·Ｌ－１，随着反应器稳定运行，逐步提高进水ＮＨ＋４⁃Ｎ浓度至约８００ｍｇ·Ｌ－１．２．３　静态试验静态试验反应器为密闭良好的丝口玻璃瓶（容积为５００ｍＬ，试验时定容到４００ｍＬ，见装置图１），用橡胶塞塞住．在橡胶塞上开孔接入３根密封性良