第 4 章 硫酸新霉素废水生物脱氮试验研究
4.1 试验材料与方法。
（1）试验用水。
UASB 反应器稳定运行阶段的出水，其水质条件如表 4-1 所示。
（2）试验污泥。
试验污泥取自某城市污水处理厂二沉池污泥。污泥呈黄褐色，沉降性能良好。接种体积约为反应器有效容积的 30%，反应器内污泥浓度约 4 000mg·L-1。
（3）试验装置。
试验装置如图 4-1 所示，反应器采用有机玻璃制成，有效容积为 5L，反应区内径为 160mm，高度为 250mm。将水浴锅里的温水泵入反应器的水浴保温层，实现反应器内保温（20±1℃）。反应器上方装有搅拌电机，可控制搅拌速度和搅拌时间，搅拌桨为聚乙烯材质，直径为 50mm。反应器底部装有曝气装置。
（4）分析项目与方法。
pH、COD 和氨氮分析方法见 2.1.3，其他分析项目及方法见表 4-2。
4.2 试验方法。
（1）SBR 反应器的启动方法。
SBR 反应器加入接种污泥，加入自来水进行 1~2d 曝气。然后每日加入稀释的试验用水，控制 COD 浓度为 100~200mg·L-1，曝气 12h，进行污泥培养和驯化。每日检测进出水 COD 和氨氮浓度。经过 21d 的污泥驯化，COD 去除率稳定在 65%以上，氨氮去除率稳定在 95%；污泥沉降性能良好，镜检发现污泥中出现钟虫和少量轮虫，说明活性污泥驯化完成，反应器启动成功。
（2）SBR 反应器的运行方式。
反应器启动完成后，采用缺氧/好氧的运行模式处理试验用水，考察反应器的运行效能优化运行参数。运行流程如图 4-2 所示。整个运行过程中控制进水量为 1L，污泥龄为 10~15d，反应器的 MLSS 为 3 500~4 000mg·L-1。
4.3 结果与分析。
4.3.1 缺氧时间对处理效果的影响。
当好氧时间为 10h 时，向反应器中注入 COD 浓度 1 332mg·L-1、氨氮浓度625mg·L-1的试验用水，进行搅拌，每隔 1h 取水样离心，测定上清液 COD、硝态氮、亚硝态氮和氨氮，以确定最佳缺氧时间。
不同缺氧时间下 COD 的去除情况如图 4-3所示，反应开始时由于稀释作用，COD迅速下降到 663mg·L-1，之后 4 小时，COD 不断下降，说明在反硝化菌的作用下有机物作为电子供体与硝酸盐发生反应将硝态氮还原为氮气。
不同缺氧时间下硝氮的去除情况如图 4-4 所示，硝态氮浓度随反应进行不断下降，直到 6h 浓度保持不变；反应开始时，氨氮经过反应器上个运行周期的剩余废水的稀释作用浓度下降至 126mg·L-1，由于氨氮没有参与反硝化反应，其浓度基本不变；亚硝态氮浓度由开始的 3.1mg·L-1增长到 13.5mg·L-1。在 6h 后，反应器中各基质浓度基本保持不变，反应器内废水水质为 COD 浓度 525mg·L-1、硝态氮浓度 33mg·L-1，氨氮浓度为 126mg·L-1。说明反硝化反应完成，最佳缺氧时间为 6h。
4.3.2 曝气时间及 DO 对处理效果的影响。
不同曝气时间下 DO 浓度与氨氮去除效果的关系如图 4-5 所示。不同曝气时间下COD 去除情况如图 4-6 所示。
从图 4-5 可以看出，反应前 4h，由于 SBR 反应器内底物降解消耗大量 DO，需氧速率远大于供氧，所以反应开始时 DO 浓度迅速下降至 0.3mg·L-1，因为没有足够的 DO，部分氨氮转化成亚硝酸盐，在 4h 时亚硝酸盐浓度达到 97mg·L-1。氨氮浓度逐渐的降低，在 10h 时 DO 达到平衡，保持在 2~3mg·L-1。氨氮浓度基本保持不变。只有少量有机物和作为中间产物的亚硝酸盐消耗 DO，在 16h，亚硝酸盐几乎完全转化成硝酸盐，DO 迅速大幅度升高。
从图 4-6 可以看出 COD 浓度随曝气时间逐渐减少，在 10h 时 COD 浓度下降至426mg·L-1，之后无明显下降。硝化反应中主要细菌为氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB），AOB 和 NOB 都是通过氧化无机物获取能量，不摄取废水中的有机物，所以只有一少部分有机物被其他微生物分解利用于合成新的细胞或供能于生命活动，硝化反应 COD 的去除较少。综合考虑处理效果和运行成本，确定 10h 为最佳曝气时间。
4.3.3 pH 对处理效果的影响。
硝化反应可分为两步，首先废水中的氨氮在 AOB 作用下转化为亚硝态氮，之后由 NOB 继续氧化成硝态氮。而硝化细菌对 pH 要求苛刻，AOB 和 NOB 的最适生存pH 范围分别是 7.0~7.8 和 7.7~8.1。为了确定硝化反应最适宜的 pH，本试验分析了初始 pH 分别为 7.0、8.0 和 9.0 对硝化反应的影响。初始 pH 值对的氨氮去除效果的影响如图 4-7 所示，初始 pH 值对亚硝态氮累积的影响如图 4-8 所示，初始 pH 值对硝态氮的累积的影响如图 4-9 所示。
由图 4-7 看出，初始 pH 为 7.0、8.0 的反应器中氨氮浓度的变化趋势相似，在反应的前 4h 内，氨氮的消耗速率很快，在 4h~6h 之间反应速率减慢，在 6h 时氨氮浓度不再变化，分别为 14.9mg·L-1和 15.9mg·L-1。而初始 pH 为 9.0 的反应器中氨氮的消耗速率较慢，在 6h 氨氮浓度稳定在 30.1mg·L-1。由此可以断定初始 pH 为 9.0 时抑制了 AOB 的细菌活性，不能有效的将氨氮转化为亚硝态氮。
从图 4-8 中看到，初始 pH 为 7.0 的反应器中亚硝态氮的累积浓度为 70.3mg·L-1，这是因为硝化反应需要消耗碱度，废水中碱度不足，其 pH 随着硝化反应的进行持续降低，从而导致 pH 超出硝化细菌的适宜生存范围，严重地抑制了 NOB 生物活性，阻碍了亚硝态氮向硝态氮的转化。较初始 pH 为 7.0 的反应器，pH 为 9.0 的反应器的硝化反应速率明显减慢，具体表现为在同一时刻其亚硝态氮生成量和消耗量都小于前者，说明 AOB 和 NOB 的活性均受到明显抑制。
由图 4-9 看出，初始 pH 为 7.0 的反应器因为碱度不足将近一半的亚硝态氮无法转化成硝态氮，硝态氮的累积浓度仅为 82.1mg·L-1；由于硝化反应消耗碱度，反应后期初始 pH 为 9.0 的反应器中的 pH 稳定在 8.2 左右，NOB 可适应此 pH 环境，硝态氮的累积浓度为 124mg·L-1；初始 pH 为 8.0 的反应器硝态氮累积浓度最高，其浓度为 134mg·L-1，硝化反应效果最好。综上所述，好氧硝化反应的最佳 pH 值为 8.0。
4.3.4 SBR 的处理效果。
通过分析厌氧反应时间、曝气时间及DO和pH值对处理效果的影响，确定了最佳运行条件为缺氧6h、好氧曝气10h，好氧曝气的最佳初始pH值为8.0。在最佳运行条件下进行了20d的稳定运行，净化效果见表4-3。在MLSS为3 500~4 000mg·L-1时，氨氮负荷达0.036kgNH3-N·（kgMLVSS·d）-1，进水COD为1 200~1 400mg·L-1L、氨氮为600~650mg·L-1，出水COD和氨氮分别为400~500mg·L-1和12~16mg·L-1，COD去除率保持65%以上，氨氮去除率保持95%以上。
4.4 本章小结。
本章采用 SBR 反应器处理 UASB 反应器出水，并对好氧阶段的曝气时间、DO和 pH 等运行参数进行优化。结果发现，最优运行条件为缺氧 6h、好氧曝气 10h，好氧曝气的最佳初始 pH 值为 8.0。在 MLSS 为 3500~4 000mg·L-1时，在氨氮负荷达0.036kgNH3-N（·kgMLVSS·d）-1，进水 COD 为 1200~1 400mg·L-1、氨氮 600~650mg·L-1，出水 COD 和氨氮分别为 400~500mg·L-1和 12~16mg·L-1，COD 去除率保持 65%以上，氨氮去除率保持 95%以上。
