AOAnammox工艺处理低CN城市污水的脱氮性能马斌

第42卷第8期中南大学学报(自然科学版)Vol.42No.82011年8月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Aug.2011A/O+Anammox工艺处理低C/N城市污水的脱氮性能马斌1，张树军2，王俊敏3，常江2，孟春霖2，王淑莹3，彭永臻1,3(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨，150090；2.北京城市排水集团有限责任公司，北京，100022；3.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124)摘要：以低C/N城市污水为研究对象，研究A/O+Anammox工艺的脱氮特性。试验结果表明：A/O+Anammox工艺可实现高效脱氮；在进水总氮(TN)平均质量浓度为62.01mg/L，溶解性COD/TN(C/N)为2.42的条件下，出水TN平均质量浓度为11.48mg/L，NH4+-N平均质量浓度为1.83mg/L，可以达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准；A/O反应器中TN去除占该工艺TN去除量的51.13%，主要通过缺氧反硝化、好氧同步硝化反硝化和剩余污泥排放实现；AO反应器出水ρ(NO2−-N)/ρ(NH4+-N)可控制在1.0左右，满足后续厌氧氨氧化对进水的要求。Anammox反应器TN去除量占该工艺TN去除量的48.87%；半亚硝化和厌氧氨氧化作用是A/O+Anammox工艺处理低C/N污水实现高效脱氮的关键原因。关键词：城市污水；自养脱氮；A/O反应器；Anammox反应器 中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1672−7207(2011)08−2526−05 PerformanceofnitrogenremovalfrommunicipalwastewaterinA/O+AnammoxsystemMABin1,ZHANGShu-jun2,WANGJun-min3,CHANGJiang2,MENGChun-lin2,WANGShu-ying3,PENGYong-zhen1,3(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;2.BeijingDrainageGroupCo.Ltd.,Beijing100022,China;3.BeijingKeyLaboratoryofWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecovery,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:TheperformanceofnitrogenremovalfrommunicipalwastewaterwasinvestigatedinAnoxic/Oxic(A/O)+Anammox(anoxicammoniumoxidation)system.Theresultsshowthattotalnitrogen(TN)canbeeffectivelyremovedfrommunicipalwastewaterinA/O+Anammoxsystem.TheeffluentTNandNH4+-Nconcentrationsare11.48mg/Land1.83mg/Linaverage,respectively,whentheinfluentTNconcentrationis62.01mg/Landtheratioofsolublechemicaloxygendemand(SCOD)toTNis2.42.TheTNremovalinA/Oreactorcontributesto51.13%ofTNremovalinA/O+Anammoxsystem,whichisachievedthroughdenitrification,simultaneousnitrificationanddenitrificationandwastebiomassdischarge.Thenitrite-to-ammoniumratiooftheeffluentfromtheA/Oreactorcanbecontrolledatabout1.0,whichisbeneficialtotheAnammoxreaction.48.87%ofTNremovedfrommunicipalwastewaterisduetoAnammoxreactionintheAnammoxreactor.SopartialnitritationandanoxicammoniumoxidationisthekeypointforhighTNremovalefficiencyofA/O+AnammoxsystemintreatinglowC/Nmunicipalwastewater.Keywords:municipalwastewater;autotrophicnitrogenremoval;A/Oreactor;Anammoxreactor                                  收稿日期：2011−01−19；修回日期：2011−02−24基金项目：北京高校人才强教计划高层次人才资助项目(PHR20090502)；“十一五”国家重大科技专项课题(2008ZX07314-008)通信作者：彭永臻(1949−)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，从事污水处理与过程控制、脱氮除磷等研究；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]第8期马斌，等：A/O+Anammox工艺处理低C/N城市污水的脱氮性能2527城市污水现有脱氮工艺主要通过硝化和反硝化作用将氨氮转化为氮气，从而达到总氮(TN)去除的目的。反硝化过程是TN去除的关键步骤，需要充足的有机碳源来保证反硝化效果[1]。有机碳源被认为是有机污染物，但从另外一个角度看有机碳源也可以通过厌氧发酵产甲烷，将其转化为能源物质[2]，因此，研究低碳污水脱氮工艺就显得尤为重要。厌氧氨氧化技术的出现使自养生物脱氮技术成为可能[3]。厌氧氨氧化菌(Anammox)利用亚硝酸盐作为电子受体氧化氨氮，利用无机碳作为碳源，从而实现自养生物脱氮的目的。但因Anammox菌世代周期比较长[3−4]，所以，厌氧氨氧化主要用于高氨氮废水处理，而随着实际厌氧氨氧化工程的应用和厌氧氨氧化颗粒污泥的研究不断增多[5−6]，使得城市污水自养脱氮成为可能。基于以上分析，本文作者提出A/O+Anammox工艺实现城市污水自养脱氮，A/O工艺中主要实现半短程硝化，其出水进入Anammox反应器进行厌氧氨氧化达到TN去除的目的。此工艺只需将部分氨氮转化为亚硝酸盐氮，与传统硝化相比，可节省60%的耗氧量[7]；利用无机碳作为碳源，从而降低了生物脱氮对有机碳源的需求，从而可将水中的有机碳源转化为能源物质(甲烷)[8]；同时，与常规反硝化工艺相比，厌氧氨氧化反应器容积氮去除速率可高达76.7kg/(m3·d)[9]，而反硝化滤池即使在投加甲醇为碳源时，容积氮去除速率仅为0.37~1.00kg/(m3·d)[10−11]。本试验采用低C/N城市污水作为原水，考察A/O+Anammox工艺的脱氮性能。1材料与方法1.1试验装置A/O反应器(见图1)由有机玻璃制作。反应器有效容积为24L，等分成6个格室，其中前2个格室为缺氧区，后4个格室为好氧区。二沉池采用竖流式沉淀池，有效容积为12L。试验进水和污泥回流采用蠕动泵控制，曝气装置采用砂头曝气，转子流量计计量气量。Anammox反应器用有机玻璃制作，有效容积8L，反应器内径为8cm，外裹黑色橡胶保温材料，以避免光对厌氧氨氧化菌的负面影响[12]。Anammox反应器内装有海绵填料(1.5cm×1.5cm×1.5cm)，其填充比为80%。1.2试验原水本试验采用北京某城市污水厂初沉池出水，其水质指标如表1所示。表1试验原水水质Table1Characteristicofrawwastewater质量浓度/(mg·L−1)SCODNH4+-NNO2−-NNO3−-NTNpH155.28±26.7057.31±3.360.15±0.240.65±0.1862.01±3.817.44±0.101.3分析项目与方法SCOD的含量采用COD快速测定仪测定；NH4+-N的含量采用纳氏试剂分光光度法测定；NO3−-N的含量采用麝香草酚分光光度法测定；NO2−-N的含量采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定；TN的含量采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定；MLSS的含量采用滤纸称重法测定；pH采用WTW340i在线监测。水样经过0.45μm滤纸过滤后测定以上各参数。1.4试验方法本试验开始时A/O反应器处理实际城市污水，已经实现稳定的短程硝化，本试验开始前1月内A/O反应器出水亚硝酸盐积累率η平均为76.9%，其中：η=图1A/O+Anammox工艺流程图Fig.1SchematicdiagramofA/O+Anammoxsystem中南大学学报(自然科学版)第42卷2528ρ(NO2−-N)/[ρ(NO2−-N)+ρ(NO3−-N)]×100%。Anammox反应器已经运行2a，本试验开始前1月内进水NH4+-N质量浓度为(69.63±11.38)mg/L，NO2−-N质量浓度为(73.65±9.18)mg/L。Anammox反应器TN去除容积氮去除速率为(0.67±0.10)kg/(m3·d)。本试验运行期间，A/O反应器运行温度为(28.9±1.3)℃；好氧4个格室DO质量浓度依次为(1.96±0.48)，(0.95±0.36)，(0.52±0.18)和(0.50±0.18)mg/L；污泥回流比为50%，进水量为4.14L/h，水力停留时间(HRT)为5.79h。通过控制剩余污泥排放量将污泥龄(SRT)控制为8d左右。Anammox反应器运行温度为(29.5±0.9)℃，HRT为1.93h。2实验结果与讨论2.1A/O+Anammox工艺对TN去除特性A/O+Anammox工艺对TN的去除情况如图2所示。系统进水TN质量浓度为(62.01±3.81)mg/L，进水ρ(SCOD)/ρ(TN)(C/N)平均值为2.42，通过常规生物脱氮工艺很难达到较高的TN去除效果。A/O反应器出水TN为(35.82±1.73)mg/L。A/O反应器出水进入Anammox反应器，其出水TN质量浓度为(10.79±1.64)mg/L，可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。此工艺TN平均去除量为51.22mg/L，其中A/O反应器TN平均去除量为26.19mg/L，占51.13%；Anammox反应器TN平均去除量为25.03mg/L，占48.87%。此工艺的提出主要基于自养生物脱氮，通过厌氧氨氧化作用达到TN的去除，而本实验有大部分TN(51.75%)通过A/O反应器1—原水TN；2—A/O出水TN；3—平均出水TN图2A/O+Anammox工艺对TN的去除效果Fig.2TNremovalinA/O+Anammoxsystem去除。这主要是因为进水中含有有机碳源，使得缺氧段发生充分的反硝化作用，同时在好氧段发生明显的同步硝化反硝化作用。城市污水可通过预处理工艺使有机物得到回收利用，实现污水可持续发展，同时，使得A/O反应器进水有机碳源质量浓度降低，硝化反硝化去除的TN量减少，Anammox反应器去除的TN量就会增加。2.2A/O反应器对氮的转化与去除A/O反应器进出水氮浓度如图3所示。由图3可以看出：A/O反应器出水ρ(NO2−-N)/ρ(NH4+-N)在1.0左右，符合后续Anammox反应器对进水的要求。同时，出水亚硝酸盐积累率η较高，平均