2. 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室, 哈尔滨 150090
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
与传统脱氮工艺相比, 亚硝化-厌氧氨氧化工艺具有污泥产量低、节省外加碳源和曝气量少等优点[1~4].作为该工艺的耦合工艺, 需要为此提供稳定的亚硝态氮[5].亚硝化颗粒污泥工艺在水处理中的应用成为了研究热点[6, 7], 连续流工艺具有操作简单、容易控制和运行稳定等优点, 实际生活污水处理工艺中也大多采用连续流工艺, 故实现亚硝化颗粒污泥的连续流运行是目前研究的重点.
有研究表明[8, 9], 氨氧化菌(AOB)在受到缺氧干扰后会比NOB恢复得快, 在长期的缺氧好氧交替运行条件下, 由于NOB的基质利用受到限制和缺氧干扰, NOB会逐渐从系统中淘汰掉, 在此干扰后, 当环境从缺氧条件转变为好氧条件时, 则会导致亚硝酸盐的积累, 从而获得稳定的亚硝化.对于絮状污泥而言, Ge等[9]接种普通活性污泥于推流式反应器中, 指出采用交替的缺氧/好氧条件可以成功实现亚硝化, 并利于NOB菌的淘汰.张昭等[10]在常温条件下通过控制4个隔室的曝气, 形成好氧/好氧/缺氧/好氧的环境, 成功实现亚硝化, 亚硝酸盐积累率超过95%.由于序批式反应器(SBR)可以控制较短沉降时间, 具有将沉淀性能差的污泥淘洗掉等优势[7, 11, 12], 故目前亚硝化颗粒污泥启动的研究主要集中于SBR反应器, 有研究表明[13], 在连续流反应器中接种亚硝化颗粒污泥, 可以快速实现该工艺的启动, 并且交替缺氧和好氧环境可以抑制NOB, 维持系统良好的亚硝化性能.在间歇曝气运行模式下, 停曝比的控制对实现亚硝化工艺的稳定运行十分重要, 而目前关于连续流的研究大多为通过多级反应器的串联, 控制各个反应器的曝气参数来实现间歇曝气, 而停曝比对于连续流亚硝化颗粒污泥系统的影响并没有系统全面地研究.
基于此, 本试验接种污泥为成熟的亚硝化颗粒污泥, 为避免通过蠕动泵的污泥回流所造成颗粒污泥的破碎, 采用内置沉淀区进行内回流, 调整停止曝气与曝气的时间比为1:1、2:1和1:2, 比较了不同停曝比对连续流亚硝化颗粒污泥工艺的影响.
1 材料与方法 1.1 试验装置与运行参数本试验采用连续流反应器, 沉淀区与反应区均处于反应器内部, 反应器高为90 cm, 内径为16 cm, 沉淀区体积为1.37 L, 有效容积为16.08 L, 好氧区底部设有曝气装置, 采用鼓风曝气, 转子流量计控制曝气量, 试验装置如图 1所示, 连续流反应器在(25~28℃)下运行培养.运行参数见表 1.
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图 1 连续流亚硝化颗粒污泥反应器示意 Fig. 1 Schematic diagram of the continuous-flow nitrosation granular reactor |
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表 1 连续流系统运行阶段的运行参数 Table 1 Operation parameters of the continuous-flow system |
1.2 接种污泥与试验用水
接种污泥为培养成熟的亚硝化颗粒污泥, 其中污泥的SVI为32.9mL·g-1, MLSS为3207 mg·L-1.试验进水为人工配水, 硫酸铵提供氨氮(NH4+-N为80~90mg·L-1), 丙酸钠为有机碳源(COD为50mg·L-1), 碳酸氢钠提供碱度, 碱度与氨氮浓度质量比为10:1, 此外, 每升水中还含有0.136 g KH2PO4、0.02 g MgSO4·7H2O和0.136 g CaCl2等微生物生长必需的微量元素[14].
1.3 分析方法定期检测反应器内混合液NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS、MLVSS和SVI等参数, 通过WTW(pH/Oxi340i)便携式多参数测定仪监控pH、DO及温度.水样分析中NH4+-N测定采用纳氏试剂分光光度法, NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法, NO3--N采用紫外分光光度法, MLSS、MLVSS和SVI等参数采用国家规定的标准方法测定.颗粒的粒径采用Mastersize2000激光粒度仪测定.
EPS的提取与测定:首先取30 mL污泥样品, 用分析天平配平, 4000g离心10 min后去掉上清液, 将缓冲溶液加入至体积恢复到30 mL, 用分析天平配平, 4000g离心15 min后去掉上清液, 再次加入缓冲液, 恢复体积至30 mL, 涡旋1 min使污泥完全散开, 随后采用60℃水浴加热30 min, 同时离心机空转, 降温至4℃, 样品冷却至接近室温后, 用分析天平配平, 20000g离心20 min后将上清液用0.22 μm滤膜过滤.EPS主要包含多糖(PS)和蛋白(PN), 其中PS采用苯酚-硫酸比色法测定; PN采用考马斯亮蓝法测定.
三维荧光测定:Ex(激发光谱)扫描范围为200~900 nm, Em(发射光谱)扫描范围为200~900 nm, 扫描步长为10 nm, 扫描速度1000 nm·min-1, 等高线颜色深浅反映样品的荧光强度.
本试验中亚硝酸盐积累率(NAR)和氨氧化率分别按照式(1)和(2)计算:
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(1) |
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(2) |
式中, Δ(NH4+-Nin)为进水NH4+-N浓度, mg·L-1, Δ(NH4+-N)为出水NH4+-N浓度, mg·L-1、Δ(NO2--N)和Δ(NO3--N)分别为出水NO2--N和NO3--N的浓度, mg·L-1.
1.4 批次试验为研究不同曝气方式及间歇曝气下活性污泥中AOB对氨氮的利用率及NOB被抑制程度, 参照Ge等[9]的测定方法进行了批次试验.设计两种运行模式:一种为120 min内连续曝气, 另一种为间歇曝气, 遵循不同停曝时间比(1:1、2:1和1:2).以硫酸铵作为氮源[氨氮浓度为:(35±2)mg·L-1], 碳酸氢钠为碱度, 碱度与氨氮浓度质量比为10:1, 污泥从反应器中取出后用去离子水洗涤3次, 清洗后均匀分成两份并与混合液混合, 每隔20 min或5 min取样测定氨氮、亚硝态氮及硝态氮浓度, 试验过程中pH维持在7.6~8.1, 总曝气量为6 L, 为减小误差, 进行3组平行试验.
2 结果与讨论 2.1 不同停曝比对连续流亚硝化颗粒污泥性能的影响在25~28℃下, 接种培养成熟的亚硝化颗粒污泥于连续流反应器中, 连续流反应器运行期间的亚硝化性能变化如图 2所示.阶段Ⅰ, 采用停曝比为1:1的间歇曝气运行, 接种初期, 为维持亚硝化颗粒污泥的稳定性, 控制进水流量为2.45 L·h-1, HRT为6 h, 由图 2可知, 运行第1 d, 进水氨氮为83.3mg·L-1, 出水氨氮、亚硝态氮及硝态氮为35.5、42.1和1.26 mg·L-1, 由于受到运行环境及HRT的影响, 氨氧化率受到了较大的影响, 氨氧化率仅为57.45%, 而亚硝酸盐积累率影响较小, 为97.1%, 随着运行天数的增加, 逐渐调整进水流量至1.73 L·h-1, 反应器系统的HRT增加到8.5 h, 亚硝化颗粒污泥逐渐适应连续流的运行环境, 氨氧化率逐渐提升, 第14 d出水氨氮、亚硝态氮及硝态氮为13.9、56.6和5.5mg·L-1, 亚硝酸盐积累率为91.1%, 并在随后的运行中保持稳定, 阶段末期亚硝酸盐积累率为90.6%, 亚硝化性能良好.
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图 2 运行期间氨氮、亚氮、硝氮、氨氧化率及亚硝化率变化 Fig. 2 Variations of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, ammonia oxidation, rate, and nitritation rate |
目前, 停曝比对亚硝化工艺的稳定运行十分重要, 为研究不同停曝比对连续流亚硝化颗粒污泥系统稳定性的影响, 在阶段Ⅱ、阶段Ⅲ和阶段Ⅳ调整停曝与曝气时间比为1:1、2:1和1:2, 比较3种曝气方式对连续流亚硝化系统稳定运行的影响.由图 2可知, 阶段Ⅱ运行初期氨氧化率可达83.2%, 亚硝酸盐积累率为86.6%, 随着运行天数的增加, 在第38 d, 出水氨氮、亚硝态氮及硝态氮为12.9、54.6和6.83mg·L-1, 氨氧化率为84.4%, 亚硝酸盐积累率较阶段初期有轻微下降, 为85.7%, 阶段后期, 氨氧化率为83.5%, 亚硝酸盐积累率为85.2%, 亚硝化性能相对良好.阶段Ⅲ在HRT不变的前提下调整停曝与曝气比为2:1, 由于停止曝气的时间增加, 在阶段初期, 进水中的氨氮不能被AOB及时利用, 氨氮去除率仅为76.1%, 但NOB的活性受到了较大地抑制, 亚硝酸盐积累率达到89.9%.随着运行天数的增加, 亚硝化颗粒污泥逐渐适应曝气环境, 氨氧化率逐渐上升, 至第65 d, 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮为18.2、52.6和3.0mg·L-1, 氨氧化率及亚硝酸盐积累率为78.3%和94.5%, 有研究表明[15, 16], AOB可能受到间歇曝气的短曝气时间的限制, 故在整个运行期间, 由于受到曝气时长的限制, 平均氨氧化率为78%左右, 而NOB受到的影响较大, 在运行期间相对活性较低, 阶段Ⅲ的亚硝酸盐积累率始终较高并保持稳定, 阶段末期为94.5%, 系统的亚硝化性能良好.阶段Ⅳ调整停曝比为1:2, 分析可知, 运行前期, 氨氧化率及亚硝酸盐积累率有小幅度的上升, 第81 d出水氨氮为13.4mg·L-1, 氨氧化率可达到84.1%, 出水亚硝态氮及硝态氮为63.8和2.4mg·L-1, 亚硝酸盐积累率增加至96.4%.但随着运行天数的增加, 反应器的亚硝化性能呈现恶化的趋势, 氨氧化率及亚硝酸盐积累率逐渐下降, 至101 d, 出水氨氮、亚硝态氮及硝态氮为28.1、39.7和11.5 mg·L-1, 氨氧化率及亚硝酸盐积累率仅为65.5%和77%.分析原因, 由于停曝时间的缩短, 颗粒污泥呈现解体的趋势, 导致污泥的沉降性能变差, 且连续流反应器采用内置式沉淀管, 沉淀性能较差的污泥被排出, 致使连续流反应器内污泥浓度较低.阶段运行后期, 氨氧化率逐渐降低, 为64.1%, 颗粒的解体以及较短的厌氧时间对NOB的抑制较小, NOB逐渐增殖, 并随着颗粒污泥的解体活性逐渐增强, 在运行阶段末期亚硝酸盐积累率下降至58.7%, 亚硝化系统被破坏.
2.2 不同停曝比下亚硝化颗粒污泥特性如图 3所示, 接种成熟亚硝化颗粒污泥于连续流反应器, 其中MLSS、MLVSS、SVI及颗粒粒径分别为3207 mg·L-1、2562 mg·L-1、32.9mL·g-1和736 μm, 由于颗粒污泥运行的环境从SBR转变至连续流, 故运行模式的改变对反应器内的颗粒污泥产生较大的影响, 颗粒粒径呈现下降的趋势, 连续流反应器的内置式沉淀区则会淘洗部分沉降性差的絮状污泥, 故系统中颗粒污泥的污泥浓度呈现下降趋势, 颗粒污泥的沉降性能也随之变差, SVI值上升, 在第7 d, SVI值上升到50.01mL·g-1.与此同时, 系统中MLSS出现相应地下降, MLSS降到2836 mg·L-1.随着运行时间的增加, 启动阶段的后期, 连续流亚硝化颗粒污泥浓度与沉降性能逐渐稳定, MLSS、MLVSS与SVI逐渐维持在2900 mg·L-1、2200 mg·L-1和45mL·g-1左右, 颗粒粒径稳定在(490±10) μm的范围内.
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图 3 运行期间MLSS、VSS、SVI和平均粒径的变化 Fig. 3 Variations of MLSS, VSS, SVI, and the mean particle during operation |
硝化细菌为自养型细菌, 生长速率较为缓慢, 从图 3可以看出, 阶段Ⅱ和阶段Ⅲ的污泥浓度增加缓慢.阶段Ⅱ运行期间, 反应器的污泥浓度和污泥沉降性能均较好, 至37 d, 反应器中的污泥浓度增加到3030 mg·L-1, SVI值下降到43.64mL·g-1, 阶段Ⅱ末期反应器中的MLSS和VSS分别为3163 mg·L-1和2493 mg·L-1, SVI值为44.63mL·g-1.从图 3中可以观察出阶段Ⅲ中的SVI呈现下降的趋势, 运行至第79 d, 反应器中的MLSS和VSS上升至3419 mg·L-1和2784 mg·L-1, SVI值下降到36.91mL·g-1, 与前两阶段不同的是, 阶段Ⅳ污泥浓度呈现短暂上升后下降的趋势, SVI呈现逐渐上升的趋势, 阶段末, 反应器中的MLSS和VSS下降较大, 下降到2139 mg·L-1和1579 mg·L-1, SVI值上升到62.67mL·g-1.分析原因, 在阶段Ⅳ反应器中, 停曝时间过短, 反应器内选择压较小, 致使污泥沉降性能变差, 部分亚硝化颗粒污泥解体, 并且反应器的内置式沉淀区对污泥进行了选择, 导致沉淀性能差的污泥随着出水排出反应器, 故阶段Ⅳ污泥浓度呈现较大程度地下降.有研究表明[17, 18], 颗粒污泥核心的缺氧异养菌的生长速率会随着缺氧时间增加而提高, 颗粒污泥结构也会随之稳定, 阶段Ⅲ的缺氧时间最长, 故阶段Ⅲ运行期间的污泥沉降性能最好.
从图 3可以看出, 阶段Ⅱ运行期间, 颗粒粒径没有较大变化, 基本比较稳定, 阶段末期, 平均颗粒粒径为494 μm, 并从图 4(b)可以看出, 阶段Ⅱ运行期间颗粒污泥呈现不规则状, 表面不光滑, 密实度较好.阶段Ⅲ运行期间, 颗粒粒径的大小有了小幅度的上升, 在第79 d, 颗粒粒径为516 μm.从图 3和图 4(c)分析可知, 阶段Ⅲ运行期间, 颗粒污泥粒径大于阶段Ⅱ, 并可以看出颗粒形状较阶段Ⅱ规则, 表面相对光滑, 密实度较好.然而阶段Ⅳ与前三阶段不同, 在整个运行期间, 颗粒粒径呈现持续下降的趋势, 在第109 d, 平均颗粒粒径下降到325 μm, 结合图 3和图 4(d)观察得到, 阶段Ⅳ的颗粒污泥已解体, 结构不密实, 使其沉降性能变差, 解体的污泥通过沉淀区被排出后, 污泥浓度也出现了大幅度地下降.
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图 4 运行阶段颗粒污泥显微镜照片 Fig. 4 Microphotograph of granular sludge during operation |
为研究不同曝气方式及间歇曝气下活性污泥中AOB对氨氮的利用率及NOB的被抑制程度, 在不同阶段末期对不同间歇曝气条件下的亚硝化污泥进行了批次试验, 通过连续曝气及间歇曝气条件下氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度的变化, 描述了3个阶段的特定亚硝化性能, 其中图 5(a)~5(c)分别为阶段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ间歇曝气条件下的变化, 图 5(d)~5(f)分别为阶段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ连续曝气条件下的变化.结果如图 5所示, 在试验初期, 阶段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ初始氨氮浓度为35.6、34.4和36.1mg·L-1, 由图 5(a)和5(b)可知, 阶段Ⅱ和阶段Ⅲ出水硝态氮较低, 分别为1.9mg·L-1和0.36mg·L-1, 而阶段Ⅳ出水硝态氮较高, 为5.8mg·L-1, 由此可以看出, 阶段Ⅱ及阶段Ⅲ亚硝化性能较好, 通过间歇曝气与连续曝气图的对比可知, 阶段Ⅰ连续曝气条件下, 亚硝酸盐积累率为74.9%, 间歇曝气条件下, 亚硝酸盐积累率为92.3%, 故间歇曝气下亚硝化性能较好, 与阶段Ⅱ类似, 阶段Ⅲ中, 间歇曝气条件下, 亚硝酸盐积累率高于连续曝气为97.9%, 然而从阶段Ⅳ可以看出, 间歇曝气条件下亚硝酸盐积累率为62.1%, 连续曝气条件下亚硝酸盐积累率为41.5%, 虽然间歇曝气条件下亚硝酸盐积累率要高于连续曝气, 但两种曝气方式下出水硝态氮浓度均较高, 在阶段Ⅳ中, 亚硝化性能呈现出恶化的趋势.从批次试验的结果可以看出, 虽然在反应初期的氨氮浓度几乎相同, 但在不同阶段的间歇曝气与连续曝气下的出水硝态氮与亚硝态氮的浓度却不同, 因此连续流反应器中出水的亚硝态氮及硝态氮会受到曝气方式的影响, 间歇曝气相对连续曝气可以在一定程度上较好地抑制亚硝化系统中NOB的相对活性, 有研究表明[19, 20], 由于关键酶的失活, NOB会受到抑制, 缺氧干扰后的生长速度降低, 抑制作用与缺氧干扰的持续时间成正比, 因此, 在不同的缺氧时间干扰下, 不同阶段的NOB抑制情况不同, 且阶段Ⅲ亚硝化性能最好, 但氨氧化率相对较低.
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图 5 氨氮、亚氮及硝氮变化 Fig. 5 Variations of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, and nitrate nitrogen |
为了进一步表征连续流中的污泥性能, 试验采用了化学分析方法对不同运行阶段颗粒污泥的PN和PS进行了测定.连续流反应器PN和PS变化如图 6所示, 接种污泥的PN和PS分别为36.4mg·g-1和13.78mg·g-1.分析图 6可知, 由于颗粒污泥运行环境的改变, 故在阶段Ⅰ运行期间, PN和PS整体呈现逐渐下降的趋势, 在第13 d, PN和PS分别下降到20.37mg·g-1和9.21mg·g-1, 阶段Ⅰ末期, PN和PS分别为16.98mg·g-1和7.28mg·g-1, 随后PN和PS趋于稳定.由图 6可知, 阶段Ⅱ的PN和PS无较大的波动变化, 阶段Ⅱ运行末期的PN和PS分别为17.02mg·g-1和7.27mg·g-1, 阶段Ⅲ的PN含量呈现了上升的趋势, 阶段末期PN和PS分别为20.45mg·g-1和7.63mg·g-1, 而对比阶段Ⅱ和阶段Ⅲ, 阶段Ⅳ的污泥浓度大幅度降低, 颗粒解体, PN和PS也处于持续下降的趋势, 阶段Ⅳ末期的PN和PS仅为5.12mg·g-1和2.95mg·g-1.由图 6可知, 阶段Ⅲ的PN和PS值较高, 阶段Ⅳ最差, 由此可知, 曝气量相同, 停曝与曝气比大的有利于颗粒污泥PN和PS的分泌.分析原因, 在总曝气量相同的条件下, 曝气时间短的曝气强度大, 而曝气所产生的剪切力会刺激微生物分泌更多的EPS[21], 并且较长缺氧时间也会提高缺氧异养菌的生长速率, 使得缺氧异养菌分泌出更多的EPS, 故阶段Ⅲ的PN和PS含量最高.有研究表明[22~24], 在颗粒污泥的形成过程中, 污泥表面的带电性和疏水性与PN/PS比值有关, 较高的PN含量有助于降低微生物间的静电斥力, 从而增强颗粒表面疏水性, PN/PS比值越大越有助于颗粒污泥的稳定.由图 6可知, 由于运行环境的变化, 阶段Ⅰ的PN/PS比值呈现出了较大的下降, 接种第1 d, PN/PS比值为2.64, 运行至第7 d, PN/PS比值下降为2.12, 随后, 颗粒污泥逐渐适应连续流的运行环境, PN/PS比值维持稳定, 运行至第19 d, PN/PS比值为2.33;阶段Ⅱ的PN/PS比值无较大变化, 运行到第49 d, PN/PS比值为2.34;阶段Ⅲ的PN/PS比值呈现了上升的趋势, 由阶段Ⅱ的末期2.34增加到第79 d的2.68, 但在阶段Ⅳ中由于颗粒污泥的解体, 污泥性能出现恶化, 阶段Ⅳ的PN/PS比值出现了下降, 阶段末期, PN/PS比值已下降为1.73, 据此可以看出, 阶段Ⅱ和阶段Ⅲ的颗粒污泥更加稳定, 而阶段Ⅳ污泥性能较差.
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图 6 运行期间EPS和PN/PS变化 Fig. 6 Variations of EPS and PN/PS during operation |
通过化学分析EPS中PN和PS的含量外, 本试验又结合了三维荧光光谱分析方法, 通过光谱显示出的特征荧光峰位置及荧光参数进一步解释不同阶段污泥的性能变化.图 7是连续流反应器阶段Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ亚硝化颗粒污泥在第43、73和103 d对EPS样品分析的三维荧光光谱图, Chen等[25]和孔赟等[26]的研究鉴定了荧光峰的组成, 结果显示, 连续流亚硝化颗粒污泥运行过程中主要包含两种峰, 即色氨酸蛋白类(Ex/Em为280~300/340~360), 类腐殖酸(Ex/Em为300~370/400~500).从图 7中可知, 在运行过程中颗粒污泥的EPS物质结构和组成变化较小, 但荧光强度发生了变化.与EPS中PN含量的变化相同, 相对于阶段Ⅱ、阶段Ⅲ中的A荧光值有所增强, 而阶段Ⅳ的A荧光值最低, 下降较大, 此时阶段Ⅳ的颗粒污泥解体, 峰值B为类腐殖酸, 有研究表明[27], 腐殖酸会影响污泥的絮凝力, 不利于污泥颗粒化, 阶段Ⅲ的类腐殖酸荧光值相对于阶段Ⅱ弱, 故阶段Ⅱ的颗粒性能较好.
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图 7 运行期间颗粒污泥三维荧光分析 Fig. 7 Analysis with 3D-EEM spectra of granular sludge during operation |
(1) 采用停曝比为1:1的间歇曝气模式运行连续流反应器, 可使亚硝化颗粒污泥快速适应连续流运行环境.在停曝比为1:1、2:1和1:2的运行方式下, 控制停曝比为1:1和2:1, 亚硝酸盐积累均较高, 阶段末期亚硝酸盐积累率分别为85.2%和94.5%, 控制停曝比为1:2, 阶段末期氨氧化率和亚硝酸盐积累率仅为64.1%和58.7%, 亚硝化系统被破坏.
(2) 在停曝比为1:1~2:1范围内, 停曝时间越长, 亚硝酸盐积累率越高, 但氨氧化率会受到影响, 导致氨氧化率会降低.批次试验结果表明, 间歇曝气相对连续曝气可以在一定程度上较好地抑制亚硝化系统中NOB的相对活性, 停曝时间越长, 对NOB的活性抑制越好, 但由于增加停曝时间将导致氨氧化率降低, 故为实现连续流亚硝化工艺的长期稳定运行, 可采用1:1停曝比并协同其他控制条件来实现较高的氨氮去除及亚硝酸盐积累.
(3) 污泥性能分析表明, 在停曝比为1:1~2:1范围内, 停曝时间越长, 颗粒污泥结构越稳定, 停曝时间越短, 反应器内选择压较小, 致使污泥沉降性能变差, 部分亚硝化颗粒污泥解体, 结构变得比较松散, 污泥浓度也出现大幅度的下降; 此外, EPS化学分析及三维荧光光谱分析显示, 停曝比为2:1条件下, PN含量较高且PN/PS值也较高.
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