NH+4-N和NO-2-N的去除曲线趋势及机理

（一）不同进水氨氮和亚硝氮浓度

将水力负荷固定为1.0 m·d-1，同步改变进水NH+4-N和NO-2-N的浓度（保持S0，NO-2-N/S0，NH+4-N=1.3），对沿程滤柱高度h处出水NH+4-N和NO-2-N浓度Sh进行分析（结果见表4-5）。采用式（4-11）对Sh/S0和h的关系进行拟合，结果如图4-11和表4-6所示。

表4-5　相同水力负荷下的沿程NH+4-N、NO-2-N浓度变化（ANAMMOX）

续表

注：（a）NH+4-N；（b）NO-2-N。

由图4-11可以看到，NH+4-N和NO-2-N的Sh/S0-h拟合曲线变化趋势基本一致，同等ANAMMOX滤柱高度下NH+4-N和NO-2-N被同步去除，去除的NO-2-N与NH+4-N量的比值保持在1.3左右，反映出厌氧氨氧化是该系统生物脱氮的主要途径。进水NH+4-N或NO-2-N浓度越大，同等ANAMMOX滤柱高度下的Sh/S0越大，剩余的NH+4-N或NO-2-N量也越多，结合表4-6中的m值可知，NH+4-N和NO-2-N的去除速率基本一致，且均随着进水NH+4-N和NO-2-N浓度的升高而减小。决定系数R2均大于0.99，表明曲线的拟合度较高，能较好地描述Sh/S0和h之间的关系。

图4-11　相同水力负荷下Sh/S0随h变化的拟合曲线（ANAMMOX）

表4-6　相同水力负荷下拟合曲线的动力学参数m值（ANAMMOX）

注：（a）NH+4-N；（b）NO-2-N。

在水力负荷q固定的前提下，NH+4-N和NO-2-N去除速率主要与进水基质浓度S0相关，那么m与S0的关系可表示为：m=kS0α，分别以S0、m为横、纵坐标，拟合计算出系数k、与NH+4-N或NO-2-N浓度相关的特性常数α，结果见图4-12。

图4-12　S0与m的拟合曲线及参数（ANAMMOX）

根据拟合结果，得到m与S0的关系式如下：

由式（4-23）和式（4-24）可以明显地看到，α均为负值，说明NH+4-N和NO-2-N的去除速率与进水NH+4-N和NO-2-N的浓度呈负相关关系。将式（4-23）、式（4-24）分别代入式（4-14），得到NH+4-N和NO-2-N在ANAMMOX系统内的去除动力学方程如下：

由式（4-25）、式（4-26）可知，Sh/S0与h之间的关系可表示为以e为底数的指数函数形式。保持水力负荷为1.0 m·d-1，调节进水NH+4-N浓度分别至6.3、12.1、17.5、22.7、24.2 mg·L-1，对应的进水NO-2-N浓度分别为8.2、15.7、22.8、29.5、31.5 mg·L-1，试验编号为T6～T10，对沿程出水NH+4-N和NO-2-N浓度进行分析，通过试验实测值Sh，e与模型计算值Sh，t的对比来考察动力学方程式（4-25）、式（4-26）的准确性。

图4-13分别显示了ANAMMOX反应器沿程出水NH+4-N（a）、NO-2-N（b）浓度的实测值与计算值。可以看到，两个模型的计算值均非常接近实测值，T6～T10的NH+4-N浓度平均相对误差分别为4.56%、4.49%、3.68%、4.00%、5.65%，NO-2-N浓度平均相对误差分别为2.23%、5.05%、3.85%、4.23%、6.21%，均不超过10%，说明模型的计算值与实测值具有较高的吻合度，所构建的动力学模型具有良好的适用性。

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图4-13　不同滤柱高度N浓度的实测值与计算值（ANAMMOX-1）

当进水水力负荷为1.0 m·d-1、NH+4-N浓度为5～25 mg·L-1、NO-2-N浓度为6.5～32.5 mg·L-1时，可采用动力学方程式（4-25）、式（4-26）预测ANAMMOX反应器不同滤柱高度出水NH+4-N或NO-2-N的浓度及去除情况。例如，进水NH+4-N浓度为16 mg·L-1时，利用式（4-25）可计算出滤柱高度10、20、30、40、50 cm处出水NH+4-N的浓度分别为6.8、2.9、1.2、0.5、0.2 mg·L-1，对应的进水NO-2-N浓度为20.8 mg·L-1，利用式（4-26）可计算出滤柱高度10、20、30、40、50 cm处出水NO-2-N浓度分别为8.8、3.7、1.6、0.7、0.3 mg·L-1，当滤柱高度分别为30、40、50 cm时，NH+4-N和NO-2-N的同步去除率分别超过92%、96%和98%，可见系统在较低进水基质浓度下表现出更佳的脱氮效率；当进水NH+4-N浓度为24 mg·L-1时，利用式（4-25）可计算出滤柱高度10、20、30、40、50 cm处出水NH+4-N的浓度分别为12.6、6.6、3.5、1.8、1.0 mg·L-1，对应的进水NO-2-N浓度为31.2 mg·L-1，同等滤柱高度处出水NO-2-N的浓度分别为16.4、8.6、4.5、2.4、1.2 mg·L-1，当滤柱高度分别为30、40、50 cm时，NH+4-N和NO-2-N的同步去除率分别超过85%、92%和96%，可见系统在进水基质浓度较高时脱氮效率有所降低。由于微生物的数量在稳定运行的ANAMMOX反应器内处于平衡状态，过度加大进水基质浓度将导致系统不能消纳而致使出水NH+4-N和NO-2-N浓度偏高。利用动力学模型可以预测ANAMMOX反应器在不同进水NH+4-N、NO-2-N浓度下的出水状况，特别是进水基质浓度过高或比例失调时，可通过同时启用多个ANAMMOX反应器或添加药剂来进行缓解，避免因前置PN反应器部分亚硝化性能失稳对系统造成大的冲击。

（二）不同进水水力负荷

保持进水NH+4-N和NO-2-N浓度分别为20、26 mg·L-1，改变进水水力负荷分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.1 m·d-1，沿程出水NH+4-N和NO-2-N浓度如表4-7所示。

表4-7　不同水力负荷下的沿程出水NH+4-N、NO-2-N浓度变化（ANAMMOX）

注：（a）NH+4-N；（b）NO-2-N。

以表4-7中的Sh/S0为纵坐标、h为横坐标，采用式（4-11）进行拟合（图4-14），拟合参数如表4-8所示。可以看到，水力负荷越大，NH+4-N和NO-2-N的去除速率越慢，对应的m值也越小。水力负荷为0.4和0.6 m·d-1时，NH+4-N和NO-2-N在滤柱高度40 cm处即已实现完全同步去除，这是由于较低水力负荷意味着单位时间内需要处理的污水量减少，因而能在更短的滤柱高度内取得较好的厌氧氨氧化效果；而水力负荷为 1.1 m·d-1时，NH+4-N和NO-2-N在滤柱高度50 cm处仍有5.5%、3.46%残余，这是由于水力负荷较高时，污水中NH+4-N和NO-2-N的总量增多，而水力停留时间却在减少，在有限的滤柱高度内不能被完全消纳而随水排出。由于本节实验的主变量是水力负荷q，那么NH+4-N和NO-2-N的去除速率m可以表示成与进水水力负荷q相关的方程式：m　=　k′qβ，以q为横坐标、m为纵坐标进行拟合，结果见图4-15。

图4-14　不同水力负荷下Sh/S0随h变化的拟合曲线（ANAMMOX）

表4-8　不同水力负荷下拟合曲线的动力学参数m值（ANAMMOX）

注：（a）NH+4-N；（b）NO-2-N。

根据图4-15拟合得到的系数k’、与进水水力负荷q相关的特性常数β，得到NH+4-N和NO-2-N的去除速率m与q的关系式如下：

图4-15　q与m的拟合曲线及参数（ANAMMOX）

由式（4-27）和式（4-28）可知，NH+4-N和NO-2-N的去除速率与水力负荷q的大小呈负相关关系，水力负荷越大，去除速率越低。将式（4-27）、式（4-28）分别代入式（4-14），得到滤柱高度h、水力负荷q、沿程NH+4-N或NO-2-N浓度Sh的关系式如下：

为验证式（4-29）、式（4-30）的可靠性，将进水NH+4-N和NO-2-N浓度固定为20、26 mg·L-1，调节进水水力负荷分别为0.45、0.7、0.9、1.05和1.2 m·d-1，对应试验编号为T16～T20，得到沿程出水NH+4-N和NO-2-N浓度的实测值Sh，e和计算值Sh，t，如图4-16所示。可以看到，当水力负荷为0.45～1.05m·d-1时，NH+4-N和NO-2-N去除动力学模型得到的计算值与实测值吻合度较高，T15～T19的NH+4-N浓度平均相对误差分别为2.00%、5.34%、5.41%、5.58%，NO-2-N浓度平均相对误差分别为3.69%、4.79%、6.99%、4.25%，均低于10%，说明在该水力负荷范围内，所构建的厌氧氨氧化动力学模型具有较高的准确性。然而，当水力负荷为1.2m·d-1时，采用动力学模型拟合得到的沿程NH+4-N和NO-2-N浓度远低于实测值，平均相对误差分别高达48.00%、46.83%，这表明水力负荷为1.2m·d-1时，所构建的动力学模型的可靠性很低。

图4-16　不同滤柱高度N浓度的实测值与计算值（ANAMMOX-2）

因此，利用动力学模型方程式（4-29）、式（4-30）可以预测ANAMMOX反应器在进水NH+4-N浓度20 mg·L-1、NO-2-N浓度26 mg·L-1、水力负荷0.4～1.05m·d-1内的沿程NH+4-N或NO-2-N浓度变化趋势。例如，进水水力负荷为0.5 m·d-1时，预测滤柱高度10、20、30、40、50 cm处出水NH+4-N的浓度分别为5.6、1.6、0.4、0.1、0 mg·L-1，NO-2-N的浓度分别为7.5、2.2、0.6、0.2、0.1 mg·L-1，至滤柱高度30 cm时NH+4-N和NO-2-N的同步去除率均超过97%，可见在较低水力负荷条件下，较低的滤料高度即可实现较高的脱氮效率；进水水力负荷为0.75m·d-1时，预测滤柱高度10、20、30、40、50 cm处的NH+4-N去除率分别为66.8%、86.8%、94.7%、97.9%、99.2%，NO-2-N去除率分别为67.3%、87.1%、94.9%、98.0%、99.2%，同等滤柱高度下NH+4-N和NO-2-N的去除率基本一致，因而通过厌氧氨氧化去除的NO-2-N和NH+4-N量之比保持在1.3左右。由于AAOB较为脆弱，稳定的水力负荷才利于它的生长繁殖，短期的水力负荷冲击虽然不会对系统造成大的影响，但是进水水力负荷长期过低或过高，则可能导致系统的失稳，应根据实际运行中的水力负荷变化范围设计适宜的滤料高度。