渗滤液短程硝化-厌氧氨氧化工艺深度脱氮及机理研究（二）

3结果与讨论

3.1短程硝化反应器的启动与运行

启动阶段A（第1～15天）的水质情况见图2。

反应器进水以人工配水为主，在第1～7天，系统的运行较为稳定，氨氮的处理效率为45.8%～62.7%。为了使系统慢慢适应渗滤液水质，在第8天加入了少量的渗滤液，将进水的氨氮提高到了200mg/L。经历了短暂的波动后，系统迅速恢复稳定，此阶段出水主要以硝态氮为主（>40mg/L），亚硝态氮积累较少（<10mg/L）。

为了进一步提高反应器的负荷，系统进入提升阶段B和C（第16～47天），该阶段逐步增加了进水中的渗滤液占比（5%～90%），将氨氮浓度提升至300～800mg/L。由于实际渗滤液难降解物质较多、水质波动大等原因，在该阶段停留了较长时间。由图2可见，出水中的硝态氮逐渐降低，亚硝态氮逐渐增加，在第44天后，硝态氮在出水中占比已低于10%，推测污泥中亚硝化细菌逐渐转为优势菌群。

系统在高负荷运行稳定后，进入最后的调试稳定阶段D（第48～90天）。该阶段的进水已全部为垃圾渗滤液，其进水水质基本保持不变，通过采取间歇曝气的方式和缩短调整曝气时间至12h，来最大化地激活短程硝化，将硝化控制在亚硝态氮阶段，最终系统维持稳定，出水中的NO2/NOx一直维持在96%以上，为后续厌氧氨氧化体系的进水提供了良好的条件。

3.2厌氧氨氧化反应器的启动与运行

厌氧氨氧化反应器的运行状况见图3。

在阶段A（第1～22天），为了让污泥适应新的反应器，同时摸索厌氧氨氧化菌的适宜培养环境，进水均采用人工配水完成。由图3可知，该阶段系统出水中氨氮、硝态氮、亚硝态氮变化幅度较大，水质不稳定。进入阶段B（第23～44天）后，将进水中额外添加了10%的短程硝化出水，并使氨氮与亚硝态氮的浓度提高至400mg/L。此后，系统受到了较大的冲击，经过15d左右才趋于稳定。此时出水中氨氮、亚硝态氮、硝态氮的浓度分别为（111.2±12.3)mg/L、（87.2±9.6)mg/L和（37.5±5.8)mg/L，总氮去除率约80%。

经历了启动阶段，厌氧氨氧化反应器开始进入适应阶段（第45～72天）。在该过程中，随着时间的推移，开始逐步增加进水中短程硝化反应器出水的含量，直至90%的进水都是垃圾渗滤液。由图3可知，此阶段整个反应器的出水水质波动很大。这可能是由于渗滤液中高含量的COD抑制厌氧氨氧化菌的生物活性，同时引入的碳源使得反硝化菌得以富集，引起细菌群落的结构性失衡。Wang等的研究也显示在厌氧氨氧化处理垃圾渗滤液的体系中，反硝化菌群在脱氮过程中起到了重要作用。另外，通过观察厌氧氨氧化反应器运行过程中消耗的亚硝态氮与氨氮量的比值后发现，在渗滤液适应阶段（第45～72天），该值要大于厌氧氨氧化反应理论值1.32，可见其消耗的亚硝态氮大于1.32倍消耗的氨氮，因此亚硝态氮存在其他消耗途径，这也侧面验证了反硝化作用的存在。

厌氧氨氧化反应器在72d后，进入最后的稳定阶段（第73～90天）。此时反应器的进水均为短程硝化反应器的出水，进水中氨氮含量为（400±30)mg/L，亚硝态氮的含量为（500±40)mg/L。系统在经过5d的变化后，最终保持稳定，出水中硝态氮和亚硝态氮均降到20mg/L以下，总氮去除率保持在88.2%～90.3%，去除负荷为0.319kg/（m3·d），去除效果稳定。对稳定阶段消耗的氨氮、亚硝态氮及生成硝态氮的比例进行计算，可以得到其平均化学计量关系为1∶1.4∶0.12，通过氮守恒计算得出在此厌氧氨氧化系统稳定状态下，通过厌氧氨氧化反应贡献了86.5%的氨氮消耗，剩余13.5%的氨氮由反硝化作用等脱氮机制去除。总体而言，整个短程硝化联合厌氧氨氧化脱氮系统的总氮去除率保持在90%以上，去除负荷0.51kg/（m3·d），实现了对氮的深度处理。

3.3系统参数影响分析

大量研究表明，在短程硝化过程启动和运行过程中，pH和溶解氧起着至关重要的作用。其中对于pH，一般认为弱碱性条件是亚硝化细菌富集的关键参数，过高（>9）或者过低（<6）均会强烈地抑制亚硝化过程。本试验基于先前的研究，通过添加碱剂将pH在启动阶段维持在8左右，使亚硝化细菌处于良好生存环境，在进入调试稳定阶段后，使其整体pH稳定在7.5～8.5。从亚硝态氮的累积率上看，本研究的pH范围可以使得短程硝化过程稳定进行。另外，通过测定不同阶段溶解氧含量，得到在启动阶段溶解氧基本稳定在1.2～1.6mg/L，而调试稳定阶段维持在0.9～1.2mg/L。尽管溶解氧含量下降可能会导致亚硝化细菌增殖速率放缓，但从出水结果上看，其在该浓度范围内未受到明显影响。这也表明通过适当缩短曝气时间和采用间接曝气的策略，有利于亚硝态氮的积累。

值得注意的是，本研究使用的水为实际厌氧段出水，其BOD/COD维持在0.2左右，尽管该比例相对于原水下降程度较大，但从短程硝化B、C段及厌氧氨氧化B、C、D段的提升阶段可以看到，该比例对系统的稳定性存在一定的冲击，恢复时间均较长。通过进入稳定期的出水结果看，该比例下对于两个生物脱氮过程均处于一个可以接受的范围。多数研究表明，一方面，大量BOD的引入会使得其微生物氧化和氨氮的亚硝化形成竞争关系，同时COD的引入会抑制厌氧氨氧化系统；另一方面，BOD还可以为反硝化提供一定的碳源，促进反硝化的进行。考虑到二者的重要性，在今后的研究中有必要进一步探讨不同BOD和COD负荷对短程硝化-厌氧氨氧化系统的影响。

3.4氮循环功能基因分析

由表4可知，对于固氮基因nifH，三者没有明显差别，其平均含量均在5.49lg(copies/mgMLSS）左右（copies指基因扩增片段的拷贝数）；对于短程硝化的功能基因amoA，在PNMLSS中的丰度要显著高于ANMLSS-B与ANMLSS-A(p<0.05），同时硝化功能基因nxrA的值显著低于ANMLSS-B与ANMLSS-A(p<0.05），可见短程硝化反应已成为PNMLSS的优势过程，在反应器内主要发生氨氮转化为亚硝氮的短程硝化反应。另外，对于控制反硝化反应的4种功能基因narG、nirS、norB和nosZ，它们在3种污泥中的丰度都逐渐增高，这一现象证明，随着垃圾渗滤液的加入，实验室建立的厌氧氨氧化反应器中反硝化过程逐渐变得活跃，并存在反硝化协同厌氧氨氧化共同脱氮现象。然而，对于厌氧氨氧化功能基因hsB，随着反应器的培养，其培养后的丰度却略低于培养前，这可能是由于COD的影响导致的。虽然如此，通过观察总氮的去除率可知整个体系脱氮效果要优于培养前，这说明反硝化菌群的富集，在一定程度上提高了厌氧氨氧化系统的性能。最后，根据消耗的亚硝态氮与氨氮的比值高于1.32可以判断，厌氧氨氧化反应可能仍起着主要的脱氮作用。

4结论

1）短程硝化反应器在经过48d的驯化后，其出水的亚硝态氮累积率可达96%以上，实现了由全程硝化向短程硝化的转变。厌氧氨氧化反应器在72d后，进入稳定阶段，出水中硝态氮和亚硝态氮均降到20mg/L以下，总氮去除率保持在88.2%～90.3%，去除负荷为0.319kg/（m3·d）。

2）在无外加碳源的条件下，本研究建立的短程硝化-厌氧氨氧化系统对实际垃圾渗滤液的总氮去除率维持在90%以上，实现了对氮的深度处理。

3）氮循环功能基因分析表明，随着进水渗滤液浓度升高，厌氧氨氧化过程主导的脱氮性能略微下降，此时反硝化承担了部分脱氮功能，同时整体脱氮效果得到提升。

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