实现同步硝化反硝化废水的低成本

实现同步硝化反硝化废水的低成本迈克·奥尼尔*和奈杰尔·j·霍兰***进程管理器,北西水,奥克兰,曼彻斯特,英国**高级讲师公共卫生工程、土木工程系、利兹大学LS29jt,英国文摘奥贝尔工艺废水的处理，在溶解氧浓度为1.5毫克/L时同时存在硝化和反硝化。潜在的这个过程同时提供降低成本和简化在地中海环境脱氮的操作。这项工作的目的是为了探讨这些要求,并试图描述一种机制的实验验证。在恒化器中使用混合培养生长，在好氧/缺氧循环条件下观察同步硝化反硝化。降低途径,或“亚硝酸盐分流”不能被证明，但它可能解释反硝化菌在好氧条件下的滞后现象。反硝化作用持续一段时间之前，氧取代硝酸盐作为终端电子受体的响应，滞后的长度是在缺氧条件下的持续时间。关键字奥贝尔氧化沟工艺、硝化、反硝化、活性污泥、污水引言自1960年代后期，地中海的状况不断恶化,部分原因是在沿海地区的海洋自然生态系统面临严重的污水污染（萨利巴，1978）。对于地中海污染的第一次审查表明，近岸海域污染的临界水平主要是由于大量的生活污水排放处理不当,加上一个有机质含量较高和有毒分数较大且不受控制的工业成分(GFCM,1972)。高达85%的整体地中海污染来自陆地，这包括一个年度1042x103吨的磷负荷。所以说这种大量养分的投入是不足为奇的，赤潮定期记录在地中海包括一些有毒的物种，如鳍藻，膝沟藻和具。1975年地区政府的地中海行动计划的采用已导致了一系列的环境管理方案，包括使用和安全处置的国内和工业废水（德费克和萨利巴，1986）。一个广泛的处理系统是实用的，具有去除营养物质的能力，从低成本的选项，如芦苇床系统通过高技术，生物植物（霍兰，1990）。利用好氧硝化细菌和缺氧反硝化细菌从废水中完全脱氮是相对简单的。然而,当利用这些微生物在污水处理过程中,有必要提供单独的需氧和缺氧的区域。这增加了所需处理反应器的总体积（即该计划的资金成本），也使得操作过程更加复杂。本文报告了一个称为“奥贝尔系统的同步硝化反硝化”的处理过程，仅仅一个曝气反应器，从而大大降低资本和运营成本。奥贝尔系统奥贝尔系统的过程是由一个多通道氧化沟组成的一个单一系统，活性污泥工艺采用串联操作的两个或两个以上的循环反应器。该系列反应堆(渠道或车道)是最常见的框架-中心构造，水深4.3米,每一个渠道有一个无尽的流路和一个完全混合反应器，使其快速流入并迅速分散在混合液中。混合液一般在水平圆盘表面曝气和混合。水流在重力作用下从一个通道通过水下堰口流到下一个通道。这个过程是一个专有的系统，其销售在美国的瓦克夏环保工作展览公司。奥贝尔氧化沟的最常见的应用是在延时曝气方式，同心三通道都具有相同的横截面，从而导致外（或第一）通道大约有一半的总池容积，中间（或第二）通道有三分之一的盆地体积和内部（第三）通道有约盆地的六分之一体积。在一个“正常”的奥贝尔应用程序中所有的浪费饲料和RAS进入第一通道，只有一半的体积和曝气容量存在。第一通道并具有高的氧摄取率和低（零至0.5毫克/升）的溶解氧。第二通道,三分之一的体积和曝气盘,溶解氧量为0.5到1.5毫克/升。第三通道，用剩下六分之一的体积和磁盘，溶解氧量为2到5毫克/升。对于单一的渠道系统这种固有的分层使溶解氧量减少了20%。可能，更重要的是，这个特殊的性质和溶解氧分层通过奥贝尔系统强化营养物质的自身除磷。曝气是通过不锈的塑料曝气盘,直径1.38米，厚13毫米。有一些小孔的面孔，通过盘的轴向中心线方向膜封闭。圆盘的两面都覆盖着数百个半金字塔形的凸起用来弥补因小孔关闭而减少的氧量。磁盘操作距离在0.23到0.53米之间，最佳转速为40到60转/分。它可以在锥形突起的两个方向旋转并混合进入顶端，约30%以上的氧传递到此。这个整体的浸没范围为0.30m，40到60转的速度方差和反转功能在氧输送方面提供了一个打开/关闭的比例为5:1。一种独特的运行方式对奥贝尔系统有着旁路功能。此功能是把分流联合污水稀释并送到第三通道而暴雨径流污水被送到外部渠道（斯默尔伍德,1989)。这种操作方式允许生物固体的库存增加存储和充气前两个通道,而澄清器固体库存大幅降低。这就排除了固体存储在澄清器内的失衡,以及防止固体颗粒冲刷过堰。在一个类接触稳定的模式下，在第三通道流程花费一到两个小时。停留时间就足以提供所需的处理效果,更好于不处理的。只要稀释雨水污水的条件存在，旁路装置就可以利用。奥贝尔工艺中的生物持续峰流是平均流量的7至10倍，且保持在四到五天内即不违反排放许可。奥贝尔工艺可以设计为将硝化和反硝化同时发生在第一渠道(纳韦尔,1988)。虽然阿普尔盖特(1980)展示了在南亨茨维尔(德州)污水处理厂的奥贝尔工艺中TN高达91%的去除率并不能保证，但80%的去除率却是一个更现实的成就。在地中海环境下具有同步硝化/反硝化作用的奥贝尔工艺是最具吸引力的特性。这种说法是与现有的理论相反的，因为硝化反硝化过程需要单独的缺氧/好氧区（霍兰，1990）。它已经表明，在奥贝尔系统外圈通道中的溶解氧浓度保持在几乎为零，不仅可以硝化和反硝化同时发生，而且可以缩短反应途径。代替常规的方法在方程(1)硝酸盐不会作为中间物质产生，在方程(2)中反硝化作用将生成亚硝酸盐。这个缩短的途径被称为“亚硝酸盐分流”。这项研究的目的在于：1）复制奥贝尔氧化沟系统存在的条件。2）确认同步硝化反硝化条件下可能发生零溶解。3）调查“亚硝酸盐的存在分流”建议用替代的机制来解释同步硝化和反硝化作用的这一现象。材料和方法实验研究采用2L的玻璃恒化器进行无菌发酵（LH发酵），从硝化活性污泥获取混合液培养基。在初始阶段研究使用的培养基中（毫克/升）：实验室肉汁粉，200；尿素，47；NaCI，11；CaC12.2H20,6.2;MgS04.7H20,3;K2HP04,44;NaHC03,400。准备的这2L的培养液要在120摄氏度的条件下蒸70分钟。反应器是连续流动条件下运作,通过的释速率为0.05/h，恒定条件为温度为200摄氏度，PH值为７.２。培养液在反应器中通过蠕动泵和电线以防止污染。培养液容器的数据每天进行监测。分析方法所有的分析方法中，概述的程序遵循标准方法(脉冲幅度分析,1992)。分析：悬浮固体浓度（称量）；溶解氧浓度（整形极谱探头）；pH值（pH探针）；氧化还原电位（氧化还原电极）；氨氮；亚硝态氮（离子色谱法）和硝态氮（离子色谱法）。结果建立硝化反应这种恒化器是通过结合活性污泥(1升)和新制备的介质（4L）在5升的容器中曝气一个星期以适应活性污泥的新媒介。在接种后,在恒化器中建立硝化作用是不容易，且相当大的时间都花在优化条件的稀释率和进水氨氮浓度上。然而当使用稀释速率为0.01/小时时，完全硝化作用得以实现了。同步硝化反硝化的建立为了增加反硝化作用产的溶解氧浓度，将反应器减少到两个阶段。最初,浓度下降约4mg/L到1.5mg/L,然后进一步减少到0.5mg/L。此外，必须添加碳源以对进水中反硝化作用提供电子。这是通过使用酵母提取物(100mg/L)以补充250mg/L的乙酸酯。这对保持亚硝态氮和硝态氮和全硝化态氮的浓度无明显影响。硝酸盐氮浓度仍始终高于19毫克/升,但大多数时候亚硝酸盐氮是无法觉察的。氮的质量平衡在这段时期的脱氮率为24毫克NO３-N/Lｄ。抑制硝化作用的第二阶段在反应器中建立的硝化和反硝化，试图抑制发生在硝化反应第二阶段亚硝酸盐转化为硝酸盐的时期。理论上应该是比较简单的，许多作者建议，环境参数在第二阶段都比较敏感：pH值增加；亚硝态氮浓度升高；游离氨氮浓度升高，温度升高（兰达尔和布斯1984）。第二阶段的硝化抑制的最终目标，是在硝化第二阶段抑制结果的条件下建立一个亚硝酸盐分流和亚硝酸盐的积累。亚硝酸盐分流是通过硝化反应比反硝化反应产生更多的亚硝酸盐而形成的。相比之下建立的亚硝酸盐表明，亚硝酸盐分流不发生氨氮硝酸盐氮周期开始时间图1增加反应器的进水氨氮和pH值对硝化程度的影响为了提高联合电离反应器中的氨的浓度，且通过增加2M的氢氧化钠使反应器中的pH值从7.2增加到8.5（图1，阶段1）。然而这对硝化速率和硝酸盐的浓度影响不大，仍高于30mg／L。因此下一个步骤是保持PH为8.5,增加一定的氨在支流中通过50mg/L铵态氮(图1,阶段2)。此外，硝化杆菌没有抑制作用，事实上，硝态氮量增加了一倍以上，5天后从32毫克/升变为66毫克/升。两者均增加了，总共196.7mg/L氨氮温度从20摄氏度变为250摄氏度（图1，阶段3和4）。硝酸氮浓度又继续上升达到最高,为83.2mg/L,第二阶段仍然不降。缺氧/好氧同时硝化脱氮循环针对难以抑制硝化菌属，另一种方法是采取缺氧期间硝化作用抑制,其次是含氧条件下为了抑制反硝化作用。如此循环开始的24小时周期包括曝气4小时和20小时无曝气。这产生了一个4小时的有氧阶段，溶解氧浓度达到约5毫克/L，随后由缺氧段的溶解氧浓度下降到零和氧化还原电位为负价值。分析了日常的周期，同时由于这种循环作用使硝态氮的最大浓度从40mg/L下降到11mg/L。亚硝酸盐氮的浓度仍同于先前的9mg/L。产生稳态的循环后，三次氮物种的浓度保持恒定在15天（图2）。图表，，，，，，，，图2，一个氮物种的出现后有氧/缺氧的周期变化为了获得更好的曝气周期和更详细的分析硝酸盐和亚硝酸盐的产生，每30分钟将进行一次实验分析。每日内氨氮浓度保持波动在100和170毫克/升，在曝气阶段溶解氧浓度峰值约在7毫克/L左右。曝气停止后溶解氧迅速减少。曝气停止八小时后，反应器没有溶解氧且在整个缺氧期内检测到的浓度为零。反应器内容物在好氧阶段的氧化氧化还原电位测量值约70到80mV，当下降到低于300mV时曝气停止。在24小时周期内pH值保持在8.5左右，轻微下降的pH将在缺氧阶段观察到（表1）。表1，在超过24小时的昼夜周期内，一个典型反应器内的变化。图表：时间溶解氧氧化还原电位PH氨氮硝酸盐氮亚硝酸盐氮有氧时期开始有氧期结束在硝态氮的硝化阶段，氮浓度低至0.45ｍｇ/L和亚硝态氮浓度低至１.６５ｍｇ／Ｌ。充气后有2小时的滞后期前浓度开始下降，检测这些项目将在3-4小时之内。在周期内没有证据表明亚硝酸盐或硝酸盐的存在。第二日的实验进行中，影响进水速率的因素是曝气阶段开始之前的时间。这将终止反硝化作用，且反硝化作用中的碳源会很快耗尽。因此它应该允许建立硝化作用的产物，且存在的亚硝酸盐分流更容易识别。通过以前做的实验，氨的浓度波动在100和170毫克/升之间。在曝气周期内水中的溶解氧浓度升至约8mg/L，其余的周期内其慢慢地降至4到5mg/L。碳源缺乏时，溶解氧的浓度不下降为零时是不会发生异养作用的。这种情况反映在氧化还原电位上，一旦它们达到高峰，整个周期将维持在100毫伏的。在24小时内由于硝化作用的发生，pH值将缓慢下降到最6.9,并伴随着二氧化碳产生。在整个周期内亚硝态氮和硝态氮的浓度均增加，虽然他们的浓度仍然很低（亚硝态氮1.42毫克/升，硝态氮1.92毫克/升）。本实验还没有产生显着的亚硝酸盐或硝酸盐，因此亚硝酸盐分流的存在与否它不可能得出任何结论（表2）。最后一日进行的实验，目的是延长曝气时间直到硝化作用达到高峰，当脱氮达到顶峰时关掉曝气，重复这个周期过程。氨氮浓度的波动范围在120至170毫克/升之间，似乎这是整个实验的趋势。溶解氧迅速的达到最高的9mg/L并在整个曝气周期内浓度保持7-8mg/L。此反应共计14小时的曝气时间使硝化作用已经达到顶峰。最初曝气停止后溶解氧的浓度迅速下降,但仍以1mg/L的浓度保持八小时。反应器进行了四个小时之后，溶解氧下降到零。氮的浓度在这日明显高于以前的实验结果，对亚硝态氮和硝态氮的浓度分别为为15.4mg/L，50mg/L（图3）。这是第一次出现如此大量的硝态氮。一旦曝气停止，氮气将不会像通常一样快速下降,大量的氮存在于反应堆中。表2，在超过24小时昼夜循环期间改变反应器的内容，碳源是不存在的图表：时间溶解氧氧化还原电位PH氨氮亚硝酸盐氮硝酸盐氮好氧阶段开始好氧阶段结束在33小时之后，亚硝酸盐氮