SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的优化

中国环境科学2015,35(2)：403~409ChinaEnvironmentalScienceSBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的优化高春娣*,王惟肖,李浩,焦二龙,彭永臻(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124)摘要：采用SBR法以实际生活污水为研究对象,通过交替缺氧好氧的运行模式实现了短程硝化的快速启动.在不同的缺/好氧时间比条件下考察了短程硝化的启动时间、污染物处理效果以及氨利用速率的变化.结果表明,在缺氧/好氧时间比为1:1和2:1条件下,分别用了31,55d使得两系统的亚硝酸盐积累率达到90%,短程状态稳定.氨氮去除率达到95%以上,COD出水在50mg/L以下,总氮去除率提高20%,污染物的去除效率有所提高.由全程到短程的转变期间,系统氨利用速率分别提高了67.5%和89.8%,同时提高了短程硝化的效率.期间,污泥沉降性较好,污泥容积指数稳定在60~80mL/g.关键词：废水；交替缺氧好氧；短程硝化；氨利用速率；沉降中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)02-0403-07Optimizationofefficiencyonpartialnitrificationunderthemodeofalternatinganoxic/oxicinsequencingbatchreactor.GAOChun-di*,WANGWei-xiao,LIHao,JIAOEr-long,PENGYong-zhen(CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(2)：403~409Abstract：UsingSequencingBatchReactor(SBR)treatingdomesticwastewater,quickstartofpartialnitrificationwascarriedoutthroughthemodeofalternatinganoxic/oxic.Timeofachievedpartialnitrification,treatmentefficiencyandammoniautilizationratewereinvestigatedindifferentratioofanoxic/oxictime.Theresultsshowedthattheratioofanoxic/oxictimewas1:1and2:1,whiletwosystemsnitriteaccumulationrateraisedto90%after31daysand55daysrespectively,thestateofpartialnitrificationwasstable.Besides,ammoniaremovalefficiencywasattainedabove95%andtheCODeffluentconcentrationwaslessthan50mg/L.Thetotalnitrogenremovalwasenhancedabout20%,andpollutantsremovalefficiencywasincreased.Formthecompletenitrificationtothepartialnitrification,ammoniautilizationrateincreased67.5%and89.8%respectively,atthesametime,efficiencyofthepartialnitrificationwasimproved.Meanwhile,sludgehadsignificantlybettersettlingperformance,sludgevolumeindexwasstableat60~80mL/g.Keywords：wastewater；alternatinganoxicaerobic；partialnitrification；ammoniautilizationrate；sedimentation近年来,短程硝化反硝化已经成为水处理领域的研究重点和热点,对短程硝化的实现及相关内容进行了大量的研究[1-2].与传统生物脱氮工艺相比,短程硝化反硝化工艺可节约25%的供氧量,减少40%的反硝化有机碳源(以甲醇计)[3],反硝化速率高出了63%,缺氧阶段产生的生物量下降了30%[4].通过温度、pH值、游离氨、低溶解氧、实时控制、交替等方法可以抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长,使氨氧化菌(AOB)在系统中占优势,进而实现亚硝化[5].交替工艺是指在一个周期内的反应阶段,缺氧好氧交替循环运行.它不仅在工业废水[6]、豆制品废水[7]、垃圾渗滤液[8]中有一定的应用,也可以用于生活污水[9],并从实验室规模逐渐扩大到实际的污水处理厂,也可用于污水处理厂的升级改造[10].不需要投加化学药剂,仅需要简单操作曝气的开关[11]就可以实现交替工艺.Katsogiann等[12]采用先好氧20min后缺氧1h的运行模式,循环3次可以实现短程硝化.与传统模式相比,COD和悬浮固体的去除率基本相同;在溶解收稿日期：2014-05-13基金项目：国家自然科学基金项目(51478012);国家青年自然科学基金(51108005);北京市教育委员会科技计划项目(KM201410005009)*责任作者,教授,[e-mail]404中国环境科学35卷氧为2g/m3条件下,交替系统的脱氮效率为71.10%,然而在传统系统上只有24.37%[13].从传统工艺转化为交替系统不需要添加任何投资费用[13],可以在一定程度上减少曝气时间,节约能耗.目前,交替好氧缺氧工艺实现短程多以实时控制为主[7,10,14],这对试验装置及设备的要求相对较高,投资较大,运行成本高,而以非实时控制为手段的研究较少[11].同时,交替条件下主要研究的是温度、pH值和溶解氧(DO)对实验效果的影响[15],缺乏交替时间比对短程效率优化的研究[11,16].本研究在非实时控制的条件下,利用AOB与NOB生理特性的不同,采用序批式反应器(SBR),交替缺/好氧的运行模式处理实际生活污水,快速实现短程硝化,通过不同缺/好氧时间比来确定优化条件,包括实现短程的时间及其污染物处理效果,氨利用速率的改变,并考察期间污泥沉降性的变化情况.1试验材料与方法1.1试验装置及废水成分12378654空气泵图1SBR装置示意Fig.1SchematicdiagramofSBR1-搅拌器;2-溶解氧探头;3-pH探头;4-溶解氧仪;5-转子流量计;6-曝气头;7-加热棒;8-排水及取样口本试验采用2个相同SBR反应器,均由有机玻璃制成,为圆柱体,有效体积为8L,如图1所示.在反应器壁上有3个口,分别用于进水、排水和排泥;以3个曝气砂头作为微孔曝气器,采用鼓风曝气的方式,并以转子流量计调节进气量.试验所用的进水来自北京市某高校家属院,属于低C/N比城市生活污水,其进水COD浓度为150~250mg/L,平均浓度为188mg/L,NH4+-N浓度为60~80mg/L,平均为70mg/L,C/N比约为2.65,NO2--N浓度为0~0.36mg/L,NO3--N浓度为0~2.4mg/L,pH值为7.0~7.8.1.2污泥来源、驯化及试验运行污泥取自实验室中试SBR工艺排放的剩余污泥,平均接种到两个SBR反应器中,按照传统SBR工艺缺氧1h、好氧4h进行驯化,驯化后的污泥达到氨氮全部氧化,亚硝酸盐积累率几乎为0,并且污泥具有良好的沉降性能,SV%为20%~25%.运行方式按照先缺氧后好氧的模式交替运行,交替循环3次后沉淀排水,其中SBR1缺/好氧时间比是1:1,即缺氧搅拌45min,好氧曝气45min;SBR2缺/好氧时间比是2:1,即缺氧搅拌60min,好氧曝气30min.总反应时间为270min,每天运行2个周期,温度为25℃,排水比为50%,污泥龄为30天,污泥浓度保持在2500~3000mg/L.1.3分析方法表1FISH分析中采用的寡核苷酸探针Table116SrRNA-targetedoligonucleotideprobesusedinFISHanalysis探针荧光染料序列(5'-3')FA(%)EUB338GCTGCCTCCCGTAGGAGTEUB338IIGCAGCCACCCGTAGGTGTEUBmixEUB338IIIFITCGCTGCCACCCGTAGGTGT-Nso1225CY3CGCCATTGTATTACGTGTGA35NIT3CY3CCTGTGCTCCATGCTCCG40注:EUBmix由EUB338,EUB338II,EUB338III按1:1:1比例混合而成;EUBmix采用目标探针杂交所需的甲酰胺浓度COD采用COD快速测定仪测定;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法;NO2--N采用N-1-(萘2期高春娣等：SBR法交替缺氧好氧模式下短程硝化效率的优化405基)-乙二胺光度法;NO3--N采用麝香草酚分光光度法;SV%用100mL量筒30min沉降法.每个反应器内放置Multi340i型(WTW公司)便携式多功能测定仪,测定反应过程中的pH值、溶解氧质量浓度.分光光度计为UV-1200型紫外可见分光光度计(上海美谱达有限公司).荧光原位杂交(FISH)按照Amann[17]所述的操作方法进行,本实验中所用到的探针如表1所示,EUBmix探针针对几乎全部Eubacteria,Nso1225的目标菌为Betaproteobacterialammonia-oxidizingbacteria,NIT3的目标菌为GenusNitrobacteria.1.4氨利用速率的测定氨利用速率(AUR)通过测定混合液中起始的氨氮浓度,并间隔一定时间段测定混合液中氨氮的浓度,根据测定结果即可得到氨氮浓度随时间的变化曲线,利用曲线的斜率r和测定的混合液MLVSS值,由公式AUR=r/MLVSS求得氨利用速率(mgNH4+-N/(gVSS·h)).其中,采用人工配置混合液,以氯化铵为氮源,碳酸氢钠为碱度,并且保证氮源及碱度足量(设定氨氮浓度为60mg/L,0.5g/LNaHCO3每0.2g/LNH4Cl)[18].将污泥清洗后与混合液混合,连续曝气2h,温度为25℃,其间每隔20min取样测定氨氮浓度.为减小误差,进行3组平行试验.2结果与讨论2.1不同缺/好氧时间比条件下短程硝化的快速启动经过A/O模式驯化,污泥处在全程状态,其亚硝酸盐积累率(NAR)几乎为0,氨氮基本去除完全.后改为交替模式,SBR1、SBR2分别采用缺/好氧时间比为1:1和2:1进行试验.2个反应器中NAR变化如图2所示,其中前6d为全程驯化阶段结果,从第7d开始进行交替实验.从图2可以看出,SBR1反应器从改为交替模式后第3dNAR就达到了50%,又经过28d后,积累率增长到90%,并且长时间稳定运行,实现了短程硝化.而SBR2反应器,NAR达到50%用了17d,增长到90%用了55d,比SBR1多用24d.其原因认为如下,首先,因为交替运行模式中,短时间的曝气只能提供一定DO,在曝气初期系统中的DO浓度较低,限制了亚硝酸盐转化为硝酸盐的过程.其次,由于SBR1比SBR2每个循环的曝气时间长15min,每个周期总曝气时间长45min,使氨氧化过程更充分,亚硝酸盐浓度较高,积累较快,而SBR2曝气量以及曝气时间有限,亚硝酸盐积累较慢.因此,相较而言,在缺/好氧时间比为1:1条件下,能够快速启动短程硝化.020406080100120140160020406080100NAR(%)SBR1SBR250%90%时间(d)全程图2交替缺氧好氧模式下亚硝酸盐积累率变化F