前言

污水的再生回用越来越受到国内外重视,城市污水已经被国际公认为城市可靠的“第二水源”。

厌氧氨氧化（Anammox）是目前新发现的最为简捷的废水脱氮途径,与传统的硝化／反硝化工艺相比,具有耗氧量少、无需外加碳源、污泥产量低等优点。

SBR活性污泥法工艺,在常温限氧条件下实现了城市生活污水厌氧／好氧（A－O）生物除磷二级出水的亚硝化处理,但能否在同一个反应器中同时实现原城市污水的深度处理,尚值得探讨。

实验部分

1∙1实验装置及实验用水

采用SBR反应器,有效容积5L,在反应器内壁一旁设有曝气筒,其内径为42mm,上部设有三角堰,堰上水深10mm,底部与SBR反应器连通,容积占总有效容积的5％。

曝气筒内置粘砂块曝气头,由转子流量计控制曝气量，反应器中装有搅拌器。

实验用水取自北京工业大学教工家属西区生活系统中接种Anammox颗粒污泥和A－O生物除磷活性污泥,实现快速启动反应器,在严格控制DO的条件下,对反应器深度处理常温城市生活污水的参数变化规律和运行效能进行深入研究。

试图寻求简洁污水,具体水质为：CODCr（化学需氧量）质量浓度150～650mg／L,BOD5（生物需氧量）质量浓度80~360mg／L,SS（悬浮固体）质量浓度≤200 mg／L,NH－N（氨氮）质量浓度50～90mg／L,NO－N（亚硝氮）质量浓度＜1mg／LNO－N（硝氮）质量浓度＜1mg／LTP（总磷）质量浓度3∙5～16∙5mg／L水温13～26℃pH＝7∙0～8∙0。

1∙2污泥接种

向含AOB活性污泥的SBR中接入常温城市污水条件下培养的Anammox菌颗粒污泥70g（湿重）。A－O生物除磷活性污泥取自水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室A－O生物除磷系统的二沉池排泥本实验接种量为1L。

1∙3测定项目与方法

定时检测SBR反应器内处理液的NH－N、NO－N、NO－N、TN、COD、TP等的浓度在线监测DO、ORP、pH和水温等参数。水样分析项目中的指标均按中国国家环保局和美国环境总署发布的标准方法测定。定期从反应器中取水样约30 mL静沉5min后取上清液约15mL用中速滤纸过滤待测。

结果与分析

2∙1接种Anammox菌后SBR运行效能

反应器中接种Anammox颗粒污泥后将曝气量控制在8L／h（DO质量浓度为0∙08～0∙30mg／L）水温为14∙7～24∙7℃处理水先采用A－O生物除磷二级出水（COD50～60mg／LNH－N质量浓度50~90mg／LP质量浓度＜0∙5mg／L反应器稳定运行30d后直接用于处理1∙1中的城市生活污水图1为一典型周期内主要指标（NH－N、NO－N、NO-N、TN、COD和TP）浓度的变化情况。

根据反应器对氮素和COD的去除特征以5∙5h为分界可将该反应过程分为2个阶段。阶段Ⅰ中COD降解速率大于阶段Ⅱ而阶段Ⅱ中NH-N和TN的去除速率较小。由此可见SBR反应器1－氨氮；2－亚硝酸盐氮；3－硝酸盐氮；4－总氮；5－COD；6－总磷

SBR反应器典型运行周期内主要指标浓度变化情况

处理生活污水时当有机物的降解达到一定程度后去除速率迅速降低氮素化合物才开始被快速去除。SBR系统处理生活污水时NH－N和TN的浓度变化以及去除速率均存在明显的相关性二者线性相关系数R2＝0∙9998。原因在于NO－N和NO－N在SBR反应过程中均没有明显的积累现象。

这是由于Anammox反应将NO－N以电子受体的形式代谢利用同时产生部分NO－N而产生的NO－N在有机物存在的条件下可能被异养反硝化致使SBR反应器中TN的主要存在形式为NH－N。实验出水TN质量浓度为6∙046mg／L对于TN的去除率达到92∙4％但对于COD和P的去除率分别只有43∙6％和0∙1％。

分析其原因主要是由于SBR系统中的优势菌种为AOB和Anammox菌这两类氨氧化菌均为自养菌对COD和P的去除能力都有限。

上述典型运行周期中的DO、ORP以及pH等参数变化规律如图所示。结合周期内上述各污染物指标浓度的变化情况分析上述条件参数的变化同样在5∙5h附近分为2个阶段。

SBR反应器典型运行周期内的DO、ORP和pH变化情况

在阶段Ⅰ易降解的小分子有机酸首先被快速降解,恒定曝气量下反应器内的耗氧速率（OUR）快速提高,致使DO快速降低并稳定在0∙04mg／L；同时有机酸的去除使pH和ORP快速升高。

自第1∙0h之后,易降解的大分子有机物开始逐渐被降解,亚硝化过程、Anammox过程以及异养反硝化过程同时进行,从而使pH升高趋势变缓,ORP曲线有缓慢降低的趋势。

当COD降至难降解部分时,出现第5∙5h处的特征点。

此后COD降解速率迅速降低,而AOB和Anammox菌的转化速率迅速提高,反应器的总体OUR稍有降低,从而使反应器DO升高并稳定在0∙06mg／L。

随着SBR系统亚硝化和Anammox过程的加速,pH沿二次曲线快速降低,同时ORP大幅升高。直到系统中反硝化过程停止时,pH曲线在第13∙5h处出现拐点。

异养反硝化过程停止的原因主要是由于可利用有机碳源的限制等因素造成的。之后亚硝化过程和Anammox过程继续进行,pH以更快的速率降低。

随着还原态NH的不断减少,ORP上升逐渐变缓,直到反应器中NH－N和TN降低至限制性基质浓度以下时,OUR急剧降低,这就迅速打破了系统中溶解氧的供需平衡。

DO曲线在第18∙5h处出现明显的拐点,DO迅速增加至1 mg／L,同时ORP也出现相应的拐点。同时在图中反应末端由于曝气对CO2的吹脱作用出现了“pH凹谷”。

2∙2接种A－O生物除磷活性污泥后SBR运行效能实验

反应器中接入A－O生物除磷活性污泥后,曝气量仍控制在8L／h（DO质量浓度为0∙03～0∙30mg/L）,监测水温为19∙8～24∙7℃,处理水仍采用上述城市生活污水,结果见图。

该实验周期亦可以分为2个阶段,但与2∙1小节中的结果不同。以第12∙0h为界。在2个阶段之间,NO－N和NO－N浓度变化不明显,一直保持在较低水平,而其他指标均表现出明显的变化和反应特征。在阶段Ⅰ,前1∙5h内接入系统中的PAOs1－氨氮；2－亚硝酸盐氮；3－硝酸盐氮；4－总氮；5－COD；6－总磷

SBR反应器典型运行周期内主要指标浓度变化情况

（聚磷菌）在此反应环境中开始迅速释磷,从第1∙5h开始,充分完成释磷后的PAOs开始大量吸磷,到第12∙0h基本完成吸磷过程,同时污水中的易降解有机物得到快速降解,尤其在反应前1∙5h之间,小分子有机酸的降解速率较快；受易降解有机物和聚磷菌除磷过程优先的双重作用,NH－N和TN的去除速率较阶段Ⅱ要慢。

在阶段Ⅱ,由于AOB、Anammox菌和PAOs的共同作用,污水中的TN、TP和COD得到了进一步去除。另外,由于SBR系统中可能存在异养反硝化微生物,Anammox反应生成的NO－N被异养反硝化所消耗,几乎没有积累,这就有利于提高总氮的去除率,也就使NH－N和TN的变化趋势具有很好的相关性,其线性相关系数R2＝0∙9991。

SBR系统接种A－O生物除磷活性污泥后,不但可深度去除TN,而且对COD和TP也有深度去除效果。出水TN质量浓度4∙724mg／L,COD质量浓度40∙63mg／L,TP质量浓度0∙11 mg／L,系统对TN、COD、TP的去除率分别达到93∙6％、77∙1％、99∙3％。

该实验典型周期中的DO、ORP以及pH等参数变化规律如图所示。同各污染物指标浓度的变化相比,上述参数变化的特征点并不在第12∙0 h附近,且阶段性不够明显。DO质量浓度在整个过程中一直维持在0∙03～0∙04mg／L的水平,这是由于在SBR系统恒定曝气量的条件下,由于反应系统中（a）（b）（c）

SBR反应器典型周期中的DO、ORP、pH的变化

AOB、Anammox菌、PAOs和异养反硝化菌的共同作用，使供氧速率和耗氧速率达到了较好的平衡状态；在第32∙0h附近，由于易降解有机物、NH－N和TN等耗氧物质消耗殆尽，供氧速率超过耗氧速率，DO迅速上升。

ORP在反应周期内一直处于缓慢爬升的趋势，这主要是SBR系统恒定曝气量和耗氧物质共同作用的结果。

pH在前8∙5h内，由于易降解有机物被快速氧化去除使其得到迅速升高，之后由于系统中有机物受到限制，同步亚硝化－Anammox自养生物脱氮反应占据了优势，从而使pH不断降低。

直到第32h附近，反应器中NH－N和TN降低至限制性基质浓度以下，SBR系统中的供氧耗氧平衡被打破，这时由于过量曝气对CO2的吹脱作用，在pH曲线末段也出现了“pH凹谷”。

讨论

目前有关Anammox工艺的研究，主要是针对污泥消化回流液和垃圾渗滤液等高温、高氨氮废水方面，而对于常温、低氨氮城市污水方面的研究尚鲜见报道。

由于AOB对氧的结合能力比硝酸菌（NOB）强，反应器长期在低DO条件下运行，就能使AOB在硝化细菌中占有优势。该研究主要通过控制DO来实现城市污水的亚硝化，并在此基础上探索同步Anammox反应和除磷脱碳反应的运行效能。

在常温、严格控制曝气量的条件下，向SBR接种Anammox菌后，可以实现SBR反应器同步亚硝化－Anammox深度处理原城市生活污水，但由于缺乏除磷脱碳异养菌的作用，SBR仅对NH－N和TN有较高的去除率，而于COD和TP的去除不理想。

接种A－O生物除磷活性污泥后，在常温恒定曝气量的条件下，通过AOB、Anammox菌、PAOs和异养反硝化菌等微生物的耦合协同作用，实现了单一反应器城市生活污水的深度净化，出水水质达到了我国城镇污水处理厂污染物一级A排放标准（GB 18918-2002）。

参考文献

［1］田智勇，李冬，曹相生，等．污水深度处理中稳定亚硝化单元工艺的试验研究［J］．给水排水，2007，33（12）：53－57.

［2］刘国洋,赵白航,李军,等.好氧颗粒污泥降解苯酚[J].环境工程学报,2014,8(09):3645-3650

［3］许玫英，方卫，张丽娟，等．生物脱氮新技术在垃圾渗滤液工程化处理中的应用［J］．环境科学，2007（3）：607－612.

［4］李茵,罗翠,Chróst R J.城市污水生物处理系统中微生物酶的活性及其分布[J].环境污染与防治,2007(05):333-335.

［5］孙洪伟,伏小勇,徐敏,等.城市垃圾渗滤液生物处理及短程生物脱氮新技术[Z].2015