AOB溶解氧亲和力低于NOB条件省略序批反应器中NOB淘汰的实现机制吴军

中国环境科学2016,36(12)：3583~3590ChinaEnvironmentalScienceAOB溶解氧亲和力低于NOB条件下序批反应器中NOB淘汰的实现机制吴军*,张悦,徐婷,严刚(扬州大学环境科学与工程学院,江苏扬州225000)摘要：经精确测定AOB和NOB的溶解氧半速度常数及其他动力学参数,研究在AOB溶解氧亲和力低于NOB条件下,在序批反应器中短程硝化实现机制.测得AOB和NOB的溶解氧半速度常数分别为0.46和0.14mgO2/L.在这种条件下,AOB的最大比生长速率高于NOB是实现短程硝化的重要特点,测得的AOB和NOB最大比生长速率分别为0.65和0.45d-1.两级硝化数学模拟的结果表明,在AOB的溶解氧亲和力低于NOB条件下,低溶解氧和高泥龄都不利于短程硝化实现,而较高溶解氧和低泥龄的组合条件有利于短程硝化实现.在序批反应中的实验结果验证了数学模拟结论的正确性.关键词：短程硝化；数学模拟；溶解氧亲和力；污泥龄；溶解氧浓度中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)12-3583-08MechanismsofpartialnitrificationinsequencingbatchreactorundertheconditionofAOBoxygenaffinitylowerthanNOB.WUJun*,ZHANGYue,XUTing,YANGang(SchoolofEnvironmentalEngineeringandscience,YangzhouUniversity,Jiangsu,Yangzhou,225000).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(12)：3583~3590Abstract：ThemechanismsofpartialnitrificationinsequencingbatchreactorwasstudiedundertheconditionofAOBoxygenaffinitylowerthanNOBbycalibratingthekineticparametersofnitrificationaccurately.ThemeasuredDOhalfsaturationconstantsforAOBandNOBwere0.46and0.14mgO2/Lrespectively.Underthecondition,thehigherAOBspecificgrowthratethanNOBwasanimportantfeatureforachievingpartialnitrification.TheAOBandNOBspecificgrowthratesweremeasuredat0.65and0.45d-1respectively.Thetwo-stepnitrificationmodelsimulationindicatedthatthelowDOandhighSRT(sludgeretentiontime)conditionsweredetrimentalforachievingpartialnitrification,whichcouldbemorereadilyachievedunderthecombinedconditionofrelativehighDOandlowSRT.Theexperimentalresultverifiedthesimulationresults.Keywords：partialnitrification；mathematicalsimulation；oxygenaffinity；sludgeretentiontime；dissolvedoxygenconcentration氨氮的硝化反应过程是一个两级反应,如下面反应方程式所示,首先在AOB(氨氧化菌)的作用下,NH4+被氧化成NO2-,再在NOB(亚硝酸盐氧化菌)作用下,被氧化成NO3-.通过控制反应条件,淘汰NOB,可以实现短程硝化.具有节省曝气量和反硝化碳源的优点[1],并且和厌氧氨氧化工艺结合,可以实现全自养菌脱氮,大大减少污泥产量[2].NH3+1.5O2→NO2-+H++H2ONO2-+½O2→NO3-淘汰NOB一般是通过设定低溶解氧浓度来实现.这种做法的理论依据在于AOB的溶解氧亲和力高于NOB(也即溶解氧半速度常数KO,NOBKO,AOB);在低溶解氧条件下,NOB的生长更容易被抑制[3].然而目前并没有统一的证据表明NOB的溶解氧半速度常数大于AOB.存在AOB溶解氧亲和力低于NOB的情况[4-8],并且也可以实现短程硝化[6,8].因此,仅用溶解氧亲和力的理论来解释短程硝化机理并不完整.因此,本文将针对NOB溶解氧亲和力高于AOB的条件下,短程硝化的实现展开研究.通过精确测定KO,AOB、KO,NOB以及其他反应动力学参数,应用两收稿日期：2016-05-03基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478410);扬州大学高端人才项目*责任作者,副教授,[e-mail]3584中国环境科学36卷级硝化过程的数学模型,研究序批反应器中短程硝化的实现机理,并对数学模拟的结果进行实验验证.1材料与方法1.1实验反应器应用两个体积均为8L的序批反应器(SBR)于:1)培养硝化动力学测定所需的硝化菌;2)测定硝化动力学参数;3)对数学模拟所得短程硝化条件进行实验验证.在前期100d的硝化菌培养过程中,两个序批反应器按照进水30min、反应120min、沉淀60min和30min出水时间安排运行,充水比为50%.采用当地CASS工艺污水厂曝气池的污泥为接种污泥.进水中包含40mgN/L的氨氮、以NaHCO3形式提供的碱度,另外微量元素的添加参考[9].在曝气阶段,反应器内溶解氧维持在3.0mgO2/L以上;通过自动滴定0.1M的HCl和NaOH,维持pH值在7.8±0.1.硝化菌培养阶段,反应器泥龄控制在20d,以保证AOB和NOB的生长.反应器的其它两项功能见后续方法介绍部分.1.2两级硝化数学模型通过建立表1所示的两级硝化过程数学模型,可以对氨氮的去除和亚硝酸盐氮的累积过程进行定量界定,主要包括AOB和NOB的生长以及内源呼吸过程.本文主要研究低氨氮浓度下的短程硝化,没有考虑游离氨和游离亚硝酸(FA和HNO2)对AOB和NOB的生长抑制.模型的固体组分X包括AOB、NOB和惰性物质,溶解性组分S包括溶解氧、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮浓度.模型的计量学参数主要包括AOB和NOB的产率系数(YAOB和YNOB),微生物的氨氮含量iXB,动力学参数包括AOB和NOB的最大比生长速率(µAOB和µNOB,d-1)、溶解氧半速度常数(KO,AOB和KO,NOB,mgO2/L)、内源呼吸速率(bAOB和bNOB,d-1)、AOB的氨氮半速度常数KNH(mgN/L)和NOB的亚硝酸盐氮半速度常数KNO2(mgN/L).模型参数的定义见表5.表1硝化过程数学模型矩阵Table1Modelmatrixforthenitrificationprocess模型组分1234567反应过程XIXAOBXNOBSOSNO2SNO3SNH4反应速率AOB生长1AOB4331Y.−AOB1YXBAOB1iY−−AOBOAOBO,ONHNHNHAOBXSKSSKS++μNOB生长1NOB1411Y.−NOB1Y−NOB1YXBi−NOBONOBO,ONO2NO2NO2NOBXSKSSKS++µAOB内源呼吸fp-1fp-1AOBAOBbXNOB内源呼吸fp-1fp-1NOBNOBbX表1所示的两级硝化数学模型将应用于SBR反应器的数学模拟.在SBR反应器中,每个周期包含进水、反应、沉淀和出水4个阶段.进水、反应、沉淀和出水的总时间分别为0.5,2,1,0.5h,每天运行循环次数N为6次.SBR反应器充水比为50%.进水氨氮浓度恒定为40mgN/L.为取得稳定条件下的模拟结果,模型的运行时间为泥龄的50倍.在曝气阶段,SBR反应器内的溶解性组分S和固体组分X的物料平衡公式可以表示为:srtS=dd(1)xrtX=dd(2)rs和rx为根据表2确定的反应速率.反应器中溶解氧设定为定值,在SBR反应器充水比为50%条件下,NO2-、NO3-、NH4+和固体组分X在每次循环反应阶段的起始浓度如下:12期吴军等：AOB溶解氧亲和力低于NOB条件下序批反应器中NOB淘汰的实现机制3585220'NONO12SS=(3)330'NONO12SS=(4)4440'inNHNHNH1()2SSS=+(5)0'1(1)XXNSRT=−×(6)2'NOS;3'NOS;4'NHS和X′为上一周期的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氨氮和固体物质浓度(mg/L),N为一天内SBR反应器的循环次数,SRT为污泥龄(d).1.3模型参数的测定本文主要介绍AOB和NOB的溶解氧半速度常数的测定(KO,AOB和KO,NOB).其他模型参数的测定参考文献[8].采用两个完全一致的序批反应器A和B,将同一批的含AOB和NOB的8L污泥完全混合,均分为4L的两份,分别放入两反应器内,再分别加入同样的4LNH4+溶液,NH4+的浓度的浓度足够高,不限制AOB的生长.在两反应器内通过维持不同的N2和空气比例,获得不同的溶解氧浓度SO1和SO2.另外维持N2和空气总流量相同,以保持相同的混合强度.通过这些操作,可以在两反应器保证除溶解氧以外的所有条件都相同,提高了测试的精确性.每隔10min,测定反应器中NH4+的浓度,来测定其去除速率(dNH4+/dt).根据莫诺特公式,反应器A中的氨氮去除速率dNH4+/dt可以表示为141ONH4max1O,AOBOdNHdStKSµ++=+(7)41dNHdt+是NH4+是氨氮在反应器A内的去除速率,4NHmaxµ+为氨氮最大去除速率.由于NH4+浓度不限制AOB生长,因此NH4+浓度可以从以上莫诺特公式中省去.由于反应器A和反应器B中的微生物浓度和特征相同,因此可以采用与反应器A相同的4NHmaxµ+来计算反应器B中的氨氮去除速率:242ONH4max2O,AOBOdNHdStKSµ++=+(8)将公式(7)和(8)结合,可得公式(9)12124OO,AOBO14O,AOBOO2dNH()ddNH()dSKStKSSt+++=+(9)式(9)中两反应器的氨氮去除速率为实际测定,溶解氧浓度为设定的已知值,通过求解式(9)方程,就可以得到AOB的溶解氧半速度常数KO,AOB.用同样的方法,在两反应器中加入NO2-,通过求解式(10)方程,就可以得到NOB的溶解氧半速度常数KO,NOB12122OO,NOBO12O,NOBOO2dNO()ddNO()dSKStKSSt−−+=+(10)21dNOdt−和22dNOdt−为实际测定的反应器A和B中的NO2-去除速率.理论上来说,只需要在反应器A和B中设计一组溶解氧组合(SO1和SO2)实验,就可以测定KO,AOB(KO,NOB).为提高测定准确性,反应器A的溶解氧设定为2.5,3,4,5mg/L的4种浓度,反应器B的溶解氧设定为0.6、0.8和1.5mg/L的3种浓度.这样就可以产生12种溶解氧组合,分别用于KO,AOB和KO,NOB的测定,每种组合的测定重复3次.1.4模拟结果的实验验证表2验证数学模拟结论的两种实验工况A和BTable2ExperimentalconditionsAandBusedformodelverificationDOSRT氨氮负荷HRT工况(mg/L)(d)[kgN/(m3⋅d)](h)A0.6150.128B1.550.128据数学模拟的结果,得出在溶解氧亲和力AOB低于NOB时,短程硝化的优化操作条件,如DO浓度、SRT、HRT和氨氮负荷等,对数学模拟结果进行验证设计如表2所示,A、B两种工况,3586中国环境科学36卷取用于前述动力学参数测定的