SBR法对焦化废水生物脱氮研究陈雪松

J声;`袖件带2004年第23卷第5期夕2口刀动盯肠了FZ厂口刀刀2印勿了及少已刀`已ssBR法对焦化废水生物脱氮研究AStudyonBio一DenitrifieationofCokingWastewaterbySBRProeess陈雪松许惠英李成平(浙江树人大学生物与环境工程学院,杭州130012)ChenXuesongXuHuiyingLiChengPing(SehoolofBiologiealandEnviornmentiaEngineierng,’zhejiangshuernuinversity,Hangzhou130012)摘要采用S日R工艺对焦化废水的有机物降解和生物脱氮进行了研究。试验结果表明.焦化废水的生物脱氮是以短程硝化/反硝化的途径存在的,而且在好氧阶段存在同时硝化/反硝化(SNO)过程.好氧阶段的反硝化效率约占整个反应周期脱氮效率的37.0%。SBR反应器对NH3一N的去除效率在95.8%一99.2%.COcD,的去除效率在85.3%一92.6%。由于出水中NOZ一N的积累,NoZ一N对eoDc:浓度贡献值得关注。关键词:序批式活性污泥法焦化废水短程硝化/反硝化同时硝化/反硝化(SNO)AbstraetAnSBRProeessusedfordegradationandbio一denitrjfieationoforganiesineokingwastewaterwasstudied.TheexPerimentalresultindieatedthatashortnitrifying/denitrifyingcourseoeeurredintheeokingwastewaterbio·denitrifieation,andmeanwhjletherewasasimultaneousnitrifieation/denitrifieation(SND)Pro-cessundertheaerobieeondition.Thedenitrifyingrateintheaerobicstagewasaeeountedfor37.0%ofthedenitrifieationinthewholereaetionPeriod.TheremovalrateofNHs·NwasuPto95.8%~99.2%,andthatofCODc,wasuPto85.3%一92.6%.AsNOZ一Nwasaeeumulatedintheeffluent,moerattentionshouldbePaidtoitseontributiontoCODe卜Keyword:SBRProeessCokjngwastewaterShort一eoursenitrifieation/denitrifieation5imultaneousnitrifieation/denitrifieation(SND)1前言焦化废水中含有大量的有机物(包括许多难降解的稠环芳烃和杂环化合物,如因垛、奈、哇琳等),而且氨氮、挥发酚和氰化物浓度较高。是一类难降解高氨氮的有机废水〔`〕。传统的生物脱氮过程由硝化反应和反硝化反应实现。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过程来完成的。第一步先由亚硝酸菌将氨氮(NH扮转化为亚硝酸盐(NO`),第二步再由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐(NOj)。反硝化反应是在缺氧条件下,反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐的N弘和N+3作为能量代谢中的电子受体被还原成N:或姚O,有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化的过程。在高氨氮浓度废水的生物脱氮过程中,存在短程硝化/反硝化生物脱氮途径,即亚硝酸细菌将NH才氧化为NO,之后,直接实现反亚硝化生物脱氮。短程硝俗反硝化生物脱氮途径与传统的硝化/反硝化脱氮途径相比,在处理高浓度含N废水中具有如下优点:(1)硝化阶段节省25%的耗氧量;(2)在反硝化过程中节省了40%的碳源,在较低的C加下就能实现反硝化脱氮;(3)缩短了反应历程,提高了脱氮效率12]。本试验采用SBR工艺进行焦化废水的有机物降解和生物脱氮研究。SBR工艺的主要特征是运行工况为间歇操作,其典型流程包括进水、反应、沉淀、排水、闲置等五个阶段。sBR池兼进水、生物降解、活化搅拌、出水、闲置等功能于一体。可以方便灵活地进行缺氧一好氧的交替处理过程,不需污泥回流系统。第一作者陈雪松,女,1972年生,1998年毕业于浙江农业大学,硕士,讲师。185S日R法对焦化废水生物脱氮研究陈雪松Z如刃厂口刀刃己之Zt日j及次七刀乙已5材料与方法废水来源与水质试验用废水为杭州钢铁集团公司焦化厂废水,废水经该厂污水处理系统隔油、调节、气浮处理后,作为试验系统的进水,其水质见表1。试验中用15%的NaZCO3溶液调节碱度和pH。2.2试验装置和运行参数表1焦化废水水质及范围(mg/)LCODerNH3一NN02一NN03一N7.0一9.0750一1450300一650100一260氰化物20一45SBR试验装置示意见图1。整个运行周期为48h,包括进水期0.5h、反应期39h、沉淀期3h、排水期0.5h、闲置期sh。其中反应期包括两个好氧/缺氧交替的过程,分别为好氧曝气(gh)、缺氧搅拌(gh)、好氧曝气(gh)、缺氧搅拌(12h)。3.2生物脱氮途径反应器中污泥浓度为5080mg/L,pH控制在7.5一7.8,溶解氧浓度控制在3.0左右时,焦化废水在反应期内的NH3一N、NOZ一N、NO3一N浓度的变化情20400350300250200150100图ǎ曰乱日à侧雀见况进水压缩机控控制器器碱碱池池上上\\、··.....卜~~~~~-一一5:图,SBR处理装置示意图3结果与讨论3.1污泥的培养驯化以焦化厂废水处理二沉池的活性污泥作为接种污泥,通过曝气/搅拌的方式来控制好氧硝化和缺氧反硝化环境。为了使各类硝化细菌和反硝化细菌能适应高浓度的焦化废水环境,在培养驯化的前期采用经过稀释的焦化废水,并补充适量的甲醇。稀释水NH3一N控制在65一100mg/L,COD为500一800mg/L。由于亚硝化菌和硝酸菌的世代周期较长,生长缓慢,2周后NH3一N的去除率仅28%左右。第四周NH3一N的去除率上升到56%一72%。4周后逐步减小焦化废水稀释比,增加进水中NH3一N浓度。第七周废水不再进行稀释,污泥浓度达到4200mg/L,第八周出水NH3一N浓度已稳定在1smgL/以下,N02一N浓度在50一120m留L,NOZ一N/(N02一N+N03一N)值在92%一98%,CODer在120~200mgL/。在曝气阶段pH值下降较快,需要投加NaZCO3溶液调节PH在6.5一8.2。061218243036时l司(h)-闷卜-NOZ一N:-刁卜一NH3一N:一(卜一NO3一NO图2废水中氮形态变化曲线由图2表明,在整个反应周期内,反应器内废水中NO3一N的浓度都维持在较低的水平(在4.74-15.2mg/L之间),而N02一N浓度则变化较大,在好氧阶段NOZ一N显著上升,在缺氧阶段则下降明显。即反应期内主要以短程硝化/反硝化的途径存在的。废水中NH3一N浓度较高会阻碍生物硝化的完成,Ainhoinson[,〕认为游离氨是抑制硝酸细菌活性的主要原因。氨氮和游离氨在溶液中存在电离平衡:NH3+HZO芡二二尧NH才+OH-___17l户AI=—Xl4[N万才一N]xlopHKb/Kw+10PH式中,FA—游离氨的浓度;Kb—氨的离解常数;Kw—水的电离常数;刀万葺一刀-一.氨氮浓度。废水中游离氨浓度主要受NH才一N浓度和pH影响。Anthoinson的实验结果认为游离氨对硝酸细菌的l右界抑制浓度为0.lmg/L。当废水中NH3一N浓度大于loomg/L、pH高于6.2时,废水中游离氨浓度即大于一186一君声”袖针奋2004年第23卷第5期hS刁z塔的az’1E2不lron77I朗Z日了5乞eIncse3,3CODcr和N02一N的关系CODc:反映了废水中受还原性物质污染的程度,水中的还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很普遍的,因此,CODcr通常作为有机物相对含量的指标。反应期内CODcr与NO厂N的变化曲线见图3。通常情况下,在好氧阶段CODcr的降解速度快于缺氧状态,而图3中两个好氧阶段CODcr的降解速度明显低于缺氧阶段。主要是由于焦化废水存在的简捷硝化/反硝化过程,废水中NOZ一N的浓度较高,CODc「值主要反应了有机物和NOZ一N协同作用的影响。在好氧阶段,有机物在降解的同时,废水中产生大量的硝酸盐氮,存在CODc,上升的因素,导致CODCr变化缓慢。在缺氧阶段,反硝化过程中有机物作为碳源和电子供体提供能量被氧化分解,同时N02一N被还原为N:或NZO以气体的形式释放,废水中NOZ一N浓度减少,使CODc,较快的降解。在扣除了N02一N影响后(按l.ogN02一N产生l.14geoDer),Cooer的变化情况见图3,图3为在同一个反应周期内CODcr的N02一N的变化曲线,主要反应了废水中有机物的降解情况。说明不论在好氧阶段和缺氧阶段,有机物都有不同程度的降解,反应前期降解速率大于后期。ǎ曰谈日à侧裸之l己之25020030015010050。ǎ曰谕日à握说。口O口硝酸细菌的抑制浓度。在反应期的。一gh(好氧阶段l),NH3一N浓度由340m妙下降到巧4m叭,NH3一N浓度降低了186mgL,No3一N浓度与N02一N浓度合计上升了1巧mglL。在反应期的18~27h(好氧阶段2),NH3一N浓度降低了149mg/L,而NO3一N浓度与N02一N浓度合计上升了IOgmg/L。忽略氮源用于细菌的合成生长,硝化反应时NH3一N浓度的减少应该与N03一N浓度与N02一N浓度的增加量相当。而两个好氧阶段实际NO3一N浓度与NOZ一N浓度的上升明显低于NH3一N的硝化量,说明在好氧阶段也存在反硝化作用,即在好氧阶段存在同时硝化/反硝化(SND)过程。许多文献有同时硝化/反硝化(SND)现象的报道[4一7]。SBR反应器采用静止沉降、间歇排水的方式,减少了活性污泥的外流,可实现较高的污泥负荷。在稳定运行阶段,废水中污泥浓度(MLS)S维持在4.2-5.sigL之间,可观察到好氧颗粒污泥的存在,包括硝化细菌和反硝化细菌在内的多种微生物相互聚合,形成良好稳定的共生关系。颗粒污泥呈橙黄色,粒径大约在0.8一2.7mm,沉降性能良好。SND形成的主要原因是由于颗粒污泥内部的溶解氧梯度造成。在颗粒污泥外部,溶解氧浓度较高,主要以好氧的、降解有机物的异样氧化菌和亚硝酸细菌为主。由于外部溶解氧的大量消耗和氧传递的受阻,颗粒污泥的内部形成了缺氧区,反硝化细菌占优势,从而形成了在好氧阶段同步硝化反硝化的微环境。好氧阶段的反硝化效率约占整个反应周期脱氮效率的37.0%。各个阶段的硝化/反硝化速率见表2。表2反应期各个阶段的硝化/反硝化速率lmg/(L·h)l反应阶段好氧阶段l缺氧阶段1好氧阶段2缺氧阶段2硝化速率20石7一16.56-反硝化速率7乡]13.974.36521表2的数据表明,好氧阶段2的硝化速率小于好氧阶段1的硝化速率,但变化不大。而反硝化速率则有明显的差异,好氧阶段2的反硝化速率为好氧阶段1的55.1%,缺氧阶段2的反硝化速率仅为缺氧阶段1的37.3%。反硝化过程中反硝化菌以有机物作为碳源及电子供体,为氧化的过程提供能量。易生物降解的有机碳源反硝化速率高,而难生物降解的有机碳源反硝化速率低,随着有机物的不断降解,反硝化速率也随之下降。即越到后期反硝化速率越低,造成了出水中N03一N的积累。036912151821242730333639时间(h)-.卜一coDer(扣除N02一N):-今-coDer:-(卜-NO3一N。图3反应期内COcDr与NOZ一N的变化曲线3.4稳定运行结果在稳定运行阶段,SBR反应器8个运行周期的进、出水数据见表3。表3的数据表明,SBR反应器进水CODcr浓度在1068一1395mg/L,出水中CO