SMSBR处理焦化废水中的短程硝化反硝化

摘要：采用一体化膜—序批式生物反应器(Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor，简称SMSBR)处理焦化废水的过程中获得了稳定、高效的短程硝化作用，平均亚硝化率(NO₂-N/ NO_X-N)为91.1%，并通过试验证实了这是由于泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑制了硝化反应过程中的硝酸盐细菌的结果。在试验运行初期，由于泥龄短使微生物代谢产物未得到充分积累，硝化过程进行得非常彻底；然后在高效短程硝化的基础上进行反硝化，当反硝化负荷＜0.174kgNO_X-N/(kgSS·d)、HRT＞8.44 h时，可实现81.34%的反硝化率，此时外加碳源的COD∶N为2.1∶1。

关键词：SMSBR 焦化废水 短程硝化反硝化

　Study on the Short-cut Nitrification and Denitrification in Coke Plant Wastewater Treatment by Using Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor

Abstract：The short-cut nitrification can be attained efficiently and steadily in coke plant wastewater treatment by using submerged membrane sequencing batch reactor (SMSBR),with an average nitrosation rate (NO2-N/NOx-N) of 91.1%.The experimental results show that long SRT has resulted in the inhibition of nitrate bacteria caused by the metabolic products of microorganism.In the initial stage of experiment,　the metabolic products are not adequately accumulated due to short SRT and nitrification is carried out in a complete way.And then denitrification occurs based on the efficient and short-cut nitrification.When denitrification loading is＜0.174 kg NOx-N/(kgSS·d) and HRT＞8.44 h,denitrification rate of　 81.34% can be achieved,with external carbon COD∶N=2.1∶1.
Keywords:　SMSBR;coke plant wastewater;short-cut nitrification and denitrification

　　短程硝化—反硝化(Shortcut nitrification and denitrification)是指将硝化控制在形成亚硝酸盐阶段，然后进行亚硝酸盐的反硝化。该脱氮工艺可节省供氧量约25%；可节省反硝化所需碳源的40%，在C/N值一定的情况下可提高TN的去除率；可减少50%的污泥生成量，也减少了投碱量；缩短了反应时间，相应地减少了反应器容积。
　　短程硝化的标志是获得稳定高效的HNO2的积累，即亚硝酸化率(NO₂-N/NOX-N)＞50%。荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺，利用在较高温度(30～35 ℃)下硝酸盐细菌的生长速率明显低于亚硝酸盐细菌的特点，在完全混合反应器中通过控制温度和停留时间，将硝化菌从反应器中洗脱，使反应器中亚硝化细菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段^［1］。
　　目前膜生物反应器(MBR)脱氮工艺形式多是建立在传统硝化—反硝化机理之上的两级或单级脱氮工艺，短程硝化反硝化现象在MBR工艺中体现得较少，Wouter Ghyoot^［2］和W.J.Ng^［3］在各自的MBR研究中都发现有一定程度的NO₂-N积累(出水NO₂-N/NOX-N＞50%)的现象，并对此进行了解释，但不够理想。笔者在采用SMSBR处理焦化废水的研究中获得了高效稳定的短程硝化作用^［4］，现对其作用过程及形成原因作一探讨。

1　试验内容和方法

　　试验装置和试验设计详见参考文献^［4］，试验过程中硝化效果受温度的影响很大，如表1所示。

　　由表1可见，硝化效果只在试验运行之初和温度再次回升后的两个阶段不受温度变化的影响。试验发现，这两个阶段的硝化过程截然不同。

2　运行初期NH3-N的转化

　　图1为运行初期进、出水NH3-N浓度的变化。图2为温度变化对出水NO₃-N和NO₂-N的影响。

　　由图1可见，在9月27日—10月17日的前20 d里，硝化过程未受温度的影响，其去除效果仅与投加的碱量有关(图中出水NH₃-N高于进水NH₃-N的点是由于碱度过高抑制了硝化，而进水中含有机氮所致)。若投加的碱量合适，则出水NH3-N浓度＜1 mg/L(平均为0.26 mg/L)。此后，硝化过程受到温度突降的冲击，最先作出反应的是硝酸盐细菌(如图2所示)。因为在温度突降的最初几天里，NH₃-N的去除效果仍很好，但NO₂-N开始严重积累，NO₃-N浓度有所下降；随后温度回升，NH₃-N去除效果又变好(平均出水浓度为0.15 mg/L)，相应出水的NO₂-N浓度降至很低，而NO₃-N浓度回升至最大；10月30日后温度进一步下降，硝酸盐细菌很快受到抑制，因而出水NO3-N浓度急剧下降，而亚硝酸盐细菌相对抗冲击，使出水NO₂-N又开始积累；随着温度不断下降，亚硝酸盐细菌也受到抑制，NH₃-N的转化也很差，直至最终停止。总之，试验运行初期氨氮的转化过程及其受温度影响的规律完全符合传统意义上的硝化过程。

3　稳定运行后的短程硝化

　　与运行初期不同的是，在经过600 d泥龄的长期运行，当硝化再次启动后，作为硝化过程的第一步，即NH₃-N向NO₂-N的转化进行得非常彻底，而NO₂-N向NO₃-N的转化则受到严重抑制，使好氧段NO₂-N大量积累而NO₃-N浓度很低(＜10 mg/L)。硝化重新启动之后的进、出水NH3-N浓度的变化见参考文献［4］，并知硝化反应极易受到系统温度、碱度、溶解氧浓度和进水COD冲击负荷的影响，但在保证这些条件之后，系统具有极高的NH₃-N转化率。图3为好氧反应过程中NO2-N浓度的变化，图4为试验期间好氧段出水NO₂-N和NO₃-N浓度的变化。

　　图3中NO₂-N浓度开始下降是由于缺氧滞后所致。图4表明，当硝化再次启动后，好氧段出水NO₃-N浓度都较低(除5 d异常外)，一般NO₃-N浓度＜10 mg/L(平均为6.83 mg/L)，而NO₂-N浓度则远远高于NO₃-N浓度，并随NH₃-N转化的效果好坏而波动。
　　以上现象表明，在一定运行条件下、SMSBR工艺经过长期运行表现出短程硝化的特点。由于短程硝化的标志是稳定且较高的HNO₂的积累，即亚硝化率较高，NO₂-N/(NO₂-N+NO₃-N)＞50%。根据参考文献［4］的报道，在本工艺的运行工况下除5d异常外，亚硝化率都维持很高的值，平均为91.6%(若包括异常的5 d则为91.1%)。