pH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程的影响张志

中国环境科学2005,25(6)：650~654ChinaEnvironmentalSciencepH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程的影响张志,任洪强,张蓉蓉,魏翔,王晓蓉*(南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏南京210093)摘要：从反应器脱氮性能和好氧颗粒污泥理化性状方面研究了pH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化脱氮过程的影响.结果表明,好氧颗粒污泥微生态环境的形成,大大增强其耐酸碱冲击负荷能力,在pH值8~9范围内氨氮去除率均达到95%以上.在pH值6~9范围内,好氧颗粒污泥理化性状稳定,没有发生解体现象.关键词：好氧颗粒污泥；pH值；同步硝化反硝化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2005)06-0650-05InfluenceofpHvalueonsimultaneousnitrificationanddenitrificationprocessofaerobicgranulesludge.ZHANGZhi,RENHong-qiang,ZHANGRong-rong,WEIXiang,WANGXiao-rong*(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchoolofEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,China).ChinaEnvironmentalScience,2005,25(6)：650~654Abstract：TheinfluenceofpHvalueonsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)processofaerobicgranulesludgewasstudiedintherespectofreactiondenitrifyingandaerobicgranulesludgephysiochemicalproperties.Theformationofaerobicgranulessludgemicrobioenvironmentstrengthenedgreatlyitsresistingacidandbasiclashingloadcapacity;atpHvalueof8~9theNH4+-Nremovalrateallreachedabove95%;atpHvalueof6~9,theaerobicgranulesludgephysicochemicalpropertywasstable,withouthappeningdisintegrationphenomenon.Keywords：aerobicgranulesludge；pHvalue；simultaneousnitrificationanddenitrification(SND)由于好氧颗粒污泥能够截留高浓度高活性微生物,并且能够形成独特的微生态环境,近年来,国内外学者开始利用好氧颗粒污泥进行生物脱氮方面的研究[1].目前,国内外的研究主要集中在培养具有良好脱氮性能的颗粒污泥方面[2],对于利用好氧颗粒污泥实现生物脱氮的工艺条件研究较少[3].本研究试图从反应器脱氮性能和好氧颗粒污泥理化性状方面阐述pH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化生物脱氮过程的影响机理.1装置与方法1.1试验装置采用6个(R1~R6)高60cm,直径5cm,外形相同的有机玻璃柱状反应器,容积1.5L,有效容积1L,试验装置见图1.气体由气泵从反应器底部的微孔曝气器鼓入,通过转子流量计将气量控制在100L/h,相应的气体表面上升流速为1.4cm/s,DO2mg/L.反应器置于恒温箱,运行温度控制在25±1℃,采用间歇式运行模式,运行周期为6h,每个周期进水5min,曝气345min,沉淀5min,排水5min.1个周期结束,约750mL出水从反应器中部排出,然后加入与排出水量相同体积的进水,开始下1个周期运行.6个反应器(R1~R6)进水pH值分别控制在6.0、7.0、7.6、8.0、8.4和9.0,运行过程中每隔15min监测调节每个反应器pH值,使其维持在各自pH值±0.1范围内.1.2接种污泥采用南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室培养的好氧颗粒污泥,其特征为MLVSS/MLSS=0.8,粒径1.5~2.5mm,SVI15~18mL/gMLSS.每个反应器接种污泥100mL,收稿日期：2005-01-11基金项目：江苏省科技厅重点招标项目(0020499)*责任作者,教授,[e-mail]6期张志等：pH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程的影响651转子流量计pH电极温控电极出水气泵隔膜泵进水槽恒温25±1℃MLSS4.5g/L.图1好氧颗粒污泥反应器示意Fig.1Schematicdiagramofaerobicgranulesreactor1.3试验用水采用人工合成的模拟废水,废水组成见表1.表1模拟废水组成Table1Componentsofsystheticwastewater基质名称浓度(mg/L)基质名称浓度(mg/L)CH3COONa768H3BO30.05MgSO4·7H2O25ZnCl20.05K2HPO445CuCl20.03CaCl225MnSO4·H2O0.05FeSO4·7H2O20(NH4)6Mo7O24·4H2O0.05NH4Cl357AlCl30.05NiCl20.05CoCl2·6H2O0.051.4分析项目及测定方法pH值采用pHs-3C型pH计测定;DO采用YSIMODEL58型溶解氧测定仪;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法[4];NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法[4];NO3--N采用酚二磺酸分光光度法[4];MLSS和MLVSS采用重量法[4];胞外聚合物(EPS)用蒸馏水提取,苯酚硫酸分光光度法测定[5];比耗氧速率(SOUR)、异养细菌耗氧速率(SOURH)、亚硝化细菌耗氧速率(SOURNH4+)和硝化细菌耗氧速率(SOURNO2-)根据文献[6]相关方法测定.取适量颗粒污泥,漂洗后装入干净的三角瓶,将预曝气的基质溶液注入三角瓶,然后将三角瓶置于磁力搅拌器上,用溶解氧探头测出DO随时间的变化,比耗氧速率根据所得的DO变化曲线的斜率计算.SOURH、SOURNH4+和SOURNO2-所用基质溶液分别用CH3COONa、NH4Cl和NaNO2配制,将颗粒污泥生物量,COD,NH4+-N和NO2--N浓度分别控制在500,400,20,20mg/L.温度控制在25±1℃.2结果与讨论2.1反应器脱氮性能从图2可见,6个pH值条件下,NH4+-N浓度变化曲线线性较好,NOx--N没有发生较高浓度的积累,基本实现同步硝化反硝化生物脱氮.反应刚开始,NH4+-N的去除比较快,这一短暂阶段主要是物理吸附作用[7].通过扫描电镜观察(图3),粒径1.5~2.5mm的好氧颗粒污泥表面有大量杆状菌和球菌所构成的孔隙,具有吸附特性.而且,从NH4+-N浓度变化曲线上也可以观察到NH4+-N浓度反弹现象,这是由于解吸过程造成的.从图2,图4可见,随着pH值的增大,NH4+-N和总无机氮(TIN)去除率增大.R1由于在pH值6.0条件下,无法为硝化和亚硝化提供充分碱度,硝化细菌和亚硝化细菌活性受到强烈抑制,基本没有发生NOx--N积累,NH4+-N去除率仅达20.2%.与R1相比,R2(pH7.0)和R3(pH7.6)脱氮速率逐渐增大,过程中有少量NOx--N产生,NH4+-N去除率分别达到51.1%和70.9%.随着pH值的进一步升高,R4(pH8.0)、R5(pH8.4)和R6(pH9.0)硝化速率显著增大,氨氮去除率均保持在95%以上,TIN去除率分别达到91.3%,86.0%和74.7%,NO2--N和NO3--N有少量积累,并且随着pH值升高呈现逐渐增加的趋势,这是由于pH值的升高对反硝化作用产生抑制[8].R3~R6出水NO2--N浓度均略高于NO3--N,这是因为反硝化过程中硝酸盐还原酶对亚硝酸盐还原酶存在竞争性抑制作用,在竞争电子过程中,652中国环境科学25卷硝酸盐还原酶处于优势,反硝化碳源优先为硝酸盐利用,从而抑制了亚硝酸盐接受电子的能力[9].R1(pH6.0)030609012015005101520R2(pH7.0)030609012015005101520R3(pH7.6)030609012015005101520R4(pH8.0)030609012015006012018024030036005101520R5(pH8.4)030609012015006012018024030036005101520R6(pH9.0)030609012015006012018024030036005101520NH4+-N浓度(mg/L)NH4+-N浓度(mg/L)NOx--N浓度(mg/L)NOx--N浓度(mg/L)时间(min)时间(min)时间(min)图2pH值对脱氮性能的影响Fig.2EffectofpHvalueonnitrogenremoval—◇—NH4+-N—□—NO2--N—△—NO3--N图3好氧颗粒污泥电镜扫描图片(×500)Fig.3SEMphotoofaerobicgranules(×500)图4不同pH值条件下反应器NH4+-N和TIN去除率Fig.4RemovalrateofNH4+-NandTINunderdifferentpHvaluepH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程有较大影响,在pH值8~9的范围内NH4+-N有较好的去除效果,好氧颗粒污泥硝化细菌和反硝化细菌适宜的pH值条件达到统一,系统脱氮性能得到昀优化.与传统硝化和反硝化昀佳pH值条件相比较[8],好氧颗粒污泥更适合偏碱性的环境.2.2好氧颗粒污泥理化特征2.2.1pH值对好氧颗粒污泥SOUR的影响通过改变基质的组成分别监测了不同pH值条件下SOURH、SOURNH4+和SOURNO2-的变化情况,结果见图5.图5表明,随着pH值的增大,好氧颗粒污泥SOURNH4+、SOURNO2-和SOURH均呈现先增加后降低的趋势.SOURNO2-变化昀大,从R1(pH6.0)时到R5(pH8.4)增大了4.67倍,随着pH值的进一步增大,略微下降.不同pH值条件下,SOURNH4+均大于15mgO2/(gMLVSS·h),变化幅度较小,R4(pH8.0)时达到昀大值23.3mgO2/(gMLVSS·h).在整个pH值的变化范围内,SOURH相对较稳定,均维持在30mgO2/(gMLVSS·h)以上,相对变化小0204060801006.07.07.68.08.49.0pH值去除率(%)TINNH4+-N6期张志等：pH值对好氧颗粒污泥同步硝化反硝化过程的影响653于30%.图5不同pH值条件下好氧颗粒污泥SOUR比较Fig.5ComparisonofSOURunderdifferentpHvalueSOURNH4+SOURHSOURNO2-2.2.2pH值对好氧颗粒污泥反硝化的影响NO3--N为唯一氮源的基质作为进水,采用氮气替代空气进行曝气,为反硝化提供了有利的厌氧环境,同时又保证了良好传质效率,以NO3--N去除率来表征好氧颗粒污泥反硝化能力.试验结果见图6.图6不同pH值条件下好氧颗粒污泥反硝化性能比较Fig.6ComparisonoftheabilityofdenitrificationunderdifferentpHvalue由图6可见,随着pH值的升高,好氧颗粒污泥反硝化能力显著增加,pH8.4时达到了昀大活性,pH9.0时反硝化活性略有下降.随着pH值的升高,好氧颗粒污泥表层的亚硝化细菌和硝化细菌能够获得更多的碱度来补偿亚硝化和硝化过程中的碱度消耗,从而产生更多NO2--N和NO3--N,这一现象也可以从图2连续监测结果得到证明.随着