低氧亚硝化的稳定性研究

中国环境学会  2011年 03月31日

  杜贺,李冬,张杰
  (北京工业大学建工学院 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,13426314814,北京 100124)


  摘要:以A/O除磷工艺的二级出水为进水,通过低溶解氧控制,实现了亚硝酸盐的稳定积累,并从三个方面分别研究了总氮损失、水力停留时间(HRT)和回流比(R)对稳定亚硝化的影响。结果表明:系统的表观亚硝化率受COD浓度影响, COD≤50mg/L时,表观亚硝化率降低,COD>50mg/L时,表观亚硝化率会增加;延长和缩短HRT都对稳定亚硝化存在正反两方面影响,应根据实际情况进行动态控制;提高回流比会增加破坏稳定亚硝化的风险,以较低回流比0.5为宜。另外,低溶解氧浓度不会降低系统的亚硝化效率,在HRT=6h,R=0.5,T=22~24℃条件下,平均氨氮去除率达83%,氨氮去除负荷为0.28kgNH4+-N/kgMLSS·d,亚硝酸盐积累率接近100%。
  关键词:稳定亚硝化;低溶解氧;总氮损失;水力停留时间;回流比;亚硝化效率
  中文分类号:                    文献标识码:A               文章编号:


  随着氮素污染的日益严重,水体富营养化现象也愈来愈严重,目前最成熟的脱氮工艺为硝化反硝化工艺,但由于消耗碳源、能源较高,已不符合可持续发展的要求。近年来,许多专家学者致力于生物脱氮新理论、新工艺的探索研究,其中以短程反硝化技术和短程硝化-厌氧氨氧化技术为代表,弥补了传统脱氮技术的缺陷[1~4],而如何将硝化反应稳定控制在亚硝酸盐阶段成为上述两种脱氮技术的瓶颈。目前公认的能够控制短程硝化的因子主要有:低溶解氧、游离氨、温度等方面,并取得一定的研究成果[5~10]。对于城市生活污水而言,通过控制游离氨和温度实现亚硝化并不现实,溶解氧成为可用的控制因子。而且当前的亚硝化工艺多与城市污水二级处理相耦合,这意味着氨氧化菌(AOB)与其他异氧菌共存,涉及到多种微生物对营养物质的不同需求和竞争问题,生物链比较复杂,生态平衡容易破坏,影响亚硝化的稳定性。基于此,本试验利用A/O除磷工艺的出水,通过低溶解氧控制,成功实现了常温城市污水二级出水的稳定亚硝化,同时考察了COD、水力停留时间、回流比对稳定亚硝化的影响,以解决深度处理中厌氧氨氧化工艺的亚硝酸盐来源问题。


  1 材料与方法


  1.1 试验装置
  试验采用反应器由有机玻璃制成,采用合建的方式,将曝气池与沉淀池合建于一个反应器之中,如采用如图1所示。其中,反应器总体积136L,曝气池有效体积30L,沉淀区106L。在距曝气池外围5cm处设圆柱形挡板,以增加沉淀区泥水混合物的絮凝接触机率,从而加速沉淀,利于泥水分离;曝气采用可调曝气泵控制,连接四个微孔粘砂曝气头,均匀置于曝气区底部;在曝气池内安装搅拌器进行搅拌,以弥补曝气混合作用的不足;试验进水、污泥回流均采用蠕动泵控制。试验在室温(12~24℃)下进行,污泥浓度为1000~2000mg/L,SRT控制在30d左右,污泥回流比为50%~140%,进水流量在57~120L/d,相应HRT控制为6~12.4h,通过调节曝气量大小控制反应区DO浓度,并设置DO、ORP、pH在线监测仪。
  1.2 试验用水
  试验用水采用北京工业大学家属区生活污水经A/O除磷工艺处理后的二级出水,主要水质指标如表 1所示。
  1实验用水水质

  NH4+-N

/mg·L-1

NO3--N

/mg·L-1

NO2--N

/mg·L-1

COD

/mg·L-1

P

/mg·L-1

碱度

/mg·L-1

温度

/

pH

60~75

<1

<1

30170

<1

400500

14~26

7.88.1

  1.3 分析检测方法
  NH4+-N采用纳氏试剂光度法;NO2--N采用N - (1 – 萘基) - 乙二胺光度法;NO3--N采用麝香草酚分光光度法;MLSS、MLVSS、SV 和SVI 均按国家环保局发布的标准方法测定[11]; DO和温度采用EUTECH DO2000PPG多功能溶解氧在线测定仪;pH采用WTW pH296型在线测测定仪;OPR采用WTW ORP296型在线测定仪。


  2 结果与讨论


  在试验中发现:亚硝化反应器不仅导致了氮的形式的转化(NH4+-N→NO2--N),还存在氮损失现象,随着反应器在不同工况下的运行,总氮损失率在20%~ 60%波动。在反应器启动后进入亚硝酸盐稳定积累阶段,对总氮损失问题进行考察,分析总氮损失是低DO引起的两种脱氮作用所致:一种是反硝化作用,另一种是厌氧氨氧化作用—在本反应器启动初期曾接入少量厌氧氨氧化污泥导致。
  2.1 COD对稳定亚硝化的影响
  256~287d,进水COD≤50mg/L(图 2中),COD消耗量很少,COD去除率小于10%。这是因为此部分有机物主要为难降解有机物质,故进入限氧亚硝化系统后,COD难以被继续降解,这表明此时反硝化作用很弱,因此可以推断,此时的氮损失主要由厌氧氨氧化作用导致的,而其副产物—硝酸盐增加明显[12],尤其在278~287d时段内,当总氮损失达到高峰时(图 3),对应图 2中此段的表观亚硝化率明显降低。287~319d,由于前处理A/O除磷工艺运行状况不佳,进水中COD浓度较高(>50mg/L)(图 2)。按照理论计算每还原1mg亚硝酸氮需要COD1.72mg,每还原1mg硝酸盐氮需要COD2.86mg [4]。然而,实际COD耗量远小于造成此总氮损失的理论COD耗量,即总氮损失并非全部由反硝化作用造成,也由厌氧氨氧化作用造成。图 2中大量COD同时被消耗,COD去除率一度高达77%,图 3出水硝酸盐几乎为零,反硝化作用增强,说明反硝化作用不但消耗系统中已有的硝氮,也利用了厌氧氨氧化作用产生的硝氮,表观亚硝化率大幅增加。
  两种作用都会消耗亚硝酸盐,当COD≤50mg/L时,厌氧氨氧化作用占主导地位,其在消耗亚硝酸盐同时会产生硝酸盐副产物,降低表观亚硝化率,由于还需要消耗一定的氨氮,从而使AOB细菌底物浓度降低[13],间接导致亚硝化速率下降,降低亚硝化性能。而当COD>50mg/L时,反硝化作用占优,一方面会消耗系统中原有的硝氮和亚氮,一方面还可以消耗掉厌氧氨氧化带来的硝氮,使系统中硝态氮含量减少至零点,这说明低氧下高COD浓度,基本不影响系统的硝化性能,反而能够降低硝酸盐含量,对维持亚硝化的稳定性起到促进作用。
  2.2 水力停留时间对稳定亚硝化的影响
  在230~293d约60d的稳定运行期内,维持反应器DO在0.15~0.25mg/L范围,水温在20℃以下,水力停留时间先从8h增至12.4h、后降至8h,实验结果见图 和图 。
  由图 可见,当HRT从8h增加至12.4h时,亚硝化率从89%降至最低40%;而后恢复8h的HRT后,亚硝化随之逐渐增加至81%。图 中氨氮去除率、总氮损失率两曲线变化趋势基本相同,当HRT为8h时,平均氨氮去除率为52%,平均总氮损失率为25%;当HRT延长至12.4h后,两者分别为81%、49%,分别提高了29%、25%,意味着系统硝化性能的提高,但此时(即第243d,HRT开始提高时),图 中表观亚硝化率整体呈持续下降趋势,其原因是HRT增加延长了亚硝酸氧化菌(NOB)在系统中的停留时间,导致出水中硝酸盐增加[14][15]。其中在256~280d阶段内,图 和图 中各参数出现较大波动,这主要是因水温从18℃骤降至12℃,受温度突变影响细菌活性降低,氨氮去除率降低并随温度起伏,但一直处于下降趋势的表观亚硝化率却出现反弹,这是因为相对NOB细菌,厌AOB细菌对低温更敏感[16](在256~287d ANAMMOX作用占优);此时,副产物硝酸盐随之减少,表观亚硝化率相对提高,总氮损失率显著降低也能证明厌氧氨氧化作用的减弱。当重新调整HRT至8h,在水力冲击作用下,平均氨氮去除率与总氮损失率稍有下降,分别为78%、48%,但与此前的8h停留时间相比平均氨氮去除率却提高26%,这说明前阶段较长的水力停留时间促进了系统的转化能力;此时缩短HRT减少了NOB细菌和脱氮细菌的作用时间,也是亚硝化率增加的原因之一。
  可见,水力停留时间对系统稳定亚硝化的影响是双重的。其一:延长HRT可以直接提高亚硝化性能,缩短HRT可以抑制硝酸化作用,间接提高亚硝化性能;其二:在直接提高亚硝化性能同时也会增加全程硝化的风险,如果HRT过低,亚硝化能力(微生物数量与活性)未能同步得到提高,反而会降低硝化性能。总之,HRT对系统是一个综合的、动态的影响,以HRT的积极作用为主,调整为辅,本实验采取了先延长HRT增强亚硝化性能,再缩短HRT提高亚硝化率的方法,将氨氮去除率提高至81%,同时获得较好的亚硝化效果。
  2.3 回流比对稳定亚硝化的影响
  298~318d,水温一直维持在22~24℃范围内,保持HRT=6h不变,分别选取三个回流比0.5、1.0、1.4进行考察,每一工况稳定4d取样测定,实验结果见图 和图 。
  从图 可见,随回流比的提高平均亚氮浓度由27mg/L不断增至43mg/L;在回流比为0.5工况下,出水硝酸盐浓度逐渐下降,至1.0工况时几乎为0,到1.4后期略有上升;平均亚硝化率在回流比为1.0时增加到98%后稍有降低。图 中总氮损失率随回流比增加而降低,在三个回流比下的平均总氮损失率依次为49%、39%、31%。由于脱氮作用减弱,参与厌氧氨氧化作用的氨氮减少,氨氮去除率理应降低,但是实际的氨去除率却没有变化,始终保持在83%左右,说明真实的氨氮去除率是增加的,实际上图 中亚氮浓度的不断增长也可以说明这一点,所以可认定增大R能提高亚硝化性能;但是硝化细菌以亚氮为底物,在亚氮浓度增长同时,也增加了系统硝酸化的风险,从另一方面看,硝酸化作用同厌氧氨氧化作用存在着对底物亚硝酸盐的竞争,增加R弱化厌氧氨氧化作用,会助长NOB细菌增殖,所以回流比增大不利于亚硝化系统的稳定。另外,自养亚硝化菌增殖较慢,以高负荷运行较好,而且回流比还关系到系统动力消耗和运行成本,结合本实验运行情况,取回流比0.5为宜。
  综上所述,在低溶解氧运行条件下,氨氮的平均去除率为83%,去除负荷可高达0.28kgNH4+-N/kgMLSS·d,亚硝酸盐浓度最高时达43.7 mg·L – 1,亚硝化率接近100%。说明系统的硝化效果较好,氨氮去除率并没有因低氧浓度受到影响,不一定按照传统的观点,维持系统较高的DO水平(>2 mg·L – 1)才能保持较好的硝化性能;另外,由于AOB细菌的氧饱和常数为0.2~0.4 mg·L – 1,其对氧的亲和力比NOB细菌大,能够弥补低氧不足,所以维持较低的溶解氧浓度就可以实现充分的亚硝化反应,而且A/O除磷工艺出水中可生物降解有机物较少,以此作为试验原水的工艺设计避免了异养菌对溶解氧的竞争,确保了系统中AOB细菌的主体地位,实现了高氨氮去除率并获得很好的亚硝化率。


  3 结论


  1) 以二级出水为原水,氧浓度为0.2mg/L左右时,COD会影响系统的表观亚硝化率, COD≤50mg/L时,表观亚硝化率降低,COD>50mg/L时,表观亚硝化率会增加。
  2)水力停留时间对稳定亚硝化的影响是双重的,应根据实际情况进行动态调节;
  3)提高回流比可以增强亚硝化性能,但会面临向全程硝化转化的风险,不利于亚硝化系统的稳定,综合考虑经济性能和AOB细菌的自身特点,取回流比为0.5;
  4)低溶解氧浓度能够满足AOB细菌对氧的需求,因而不会降低氨氮去除效果。


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