SBR工艺实现长期稳定的部分短程硝化

2016年6月CIESCJournalJune2016第67卷第6期化工学报Vol.67No.6DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151877SBR工艺实现长期稳定的部分短程硝化赵梦月，彭永臻，王博，郭媛媛（北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，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：采用SBR工艺以实际生活污水为研究对象，通过3组预实验得出实现部分短程硝化（部分4NH-N+转化为2NO-N−）的最佳曝气量和曝气时间，启动长期运行的部分短程硝化序批式反应器（PNSBR），在好氧阶段以最佳曝气量[7.2～12L·(h·L)−1]和曝气时间（2～3h）曝气，持续运行110多天（450多个周期）。结果显示，出水亚硝态氮积累率稳定维持在94%～100%，表明了长期稳定的短程硝化效果；出水2NO-N−与4NH-N+的比值大部分集中在2～4之间。进一步的分析得出，在PNSBR长期运行中，一方面通过控制曝气量和曝气时间使得好氧阶段溶解氧较低，更利于AOB的生长代谢而抑制NOB的活性；另一方面排水后剩余的亚硝态氮通过利用进水中的碳源反硝化去除（本周期的内源反硝化和下周期的外源反硝化），避免了为NOB提供底物的可能，从而实现了稳定的部分短程硝化。同步厌氧氨氧化和反硝化（SAD）工艺广泛存在，PNSBR反应器作为SAD的前置反应器，可提供满足SAD运行的进水，因此部分短程硝化是一项有潜力的工艺。关键词：污水；曝气；溶解氧；降解；部分短程硝化；同步厌氧氨氧化与反硝化中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）06—2525—08Achievementoflong-termandstablepartialnitritationinsequencingbatchreactorZHAOMengyue,PENGYongzhen,WANGBo,GUOYuanyuan(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Inthisstudy,asequencingbatchreactor(SBR)wasusedtotreatdomesticwastewater,andtheoptimalaerationrateandtimetorealizepartialnitritation(PN,4NH-N+waspartiallyconvertedto2NO-N−)wereobtainedthroughthreepreliminarytests.Along-termPNSBRwasoperatedmorethan110d(450cycles)withanoptimalaerationrate[7.2—12L·(h·L)−1]andtime(2—3h)duringaeration.Theresultsshowedthatthenitriteaccumulationrateintheeffluentmaintained94%—100%,indicatingthestablepartialnitrification.Theratiosbetween2NO-N−and4NH-N+wereintherangeof2—4.Furtheranalysisdemonstratedthatinthelong-termoperationofPNSBR,thelowdissolvedoxygen(DO)bycontrollingaerationbenefitedtheammoniaoxidizingbacteria(AOB)activitybutinhibitedthenitriteoxidizingbacteria(NOB)one.Ontheotherhand,theresidualnitriteafterdecantinginacyclewasremovedviadenitrification(endogenousinthiscycleandexogenousinnextcycle)byusingorganicsinrawwastewater,throughwhichsubstratesforNOBwereprohibited,andthusstablePNwasrealized.Theprocessofsimultaneousanammoxanddenitrification(SAD)waswidespread,andPNSBR,asa2015-12-10收到初稿，2016-02-25收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：赵梦月（1991—），女，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（51478013）；北京市教委资助项目。Receiveddate:2015-12-10.Correspondingauthor:Prof.PENGYongzhen,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51478013)andtheFundingProjectsofBeijingMunicipalCommissionofEducation.化工学报第67卷·2526·pre-treatmentreactor,canprovidesubstratesforSAD,andthusPNwasapotentialtechnologyinfuture.Keywords:wastewater;aeration;dissolvedoxygen;degradation;partialnitritation;simultaneousanammoxanddenitrification引言传统生物脱氮工艺不能完全满足低C/N比生活污水脱氮要求，很多国内外研究者进行了新型生物脱氮技术的研究开发。厌氧氨氧化（Anammox）反应是近年来自然界及污水生物处理过程中新发现的一种氮的自养转化途径，是指在缺氧条件下，Anammox微生物以亚硝态氮为电子受体，氧化氨氮为氮气的生物转化过程。与传统硝化反硝化脱氮相比，Anammox脱氮过程具有脱氮效率高、能耗与成本低、污泥产量少等显著优势，在污水生物脱氮过程中具有广泛的应用前景[1]。但在实验研究与实际工艺中，Anammox也存在一些缺陷。首先，污水中存在有机物对Anammox有不利影响，同时污水中不存在Anammox菌需要的底物亚硝态氮，因此短程硝化通常作为Anammox的前置工艺[2]。短程硝化是将硝化反应控制在氨氧化阶段,即通过特定的调控方法将亚硝酸盐氧化菌（NOB）淘洗出反应器并将氨氧化菌（AOB）持留在反应器中,使得硝化过程最终产物为2NO-N−[3]。相比传统的全程硝化，短程硝化可以节省曝气量25%，节约碳源40%，减少产泥300%[4]。目前实现短程硝化的可行性控制策略主要包括低溶解氧（DO）、高温、SRT控制、游离氨(FA)和游离亚硝酸（FNA）抑制、运行方式及曝气时间控制等[4]。但是对于低氨氮、低碳氮比的生活污水，维持稳定的短程硝化比较困难，主要是受进水氮负荷和有机负荷影响较大且容易被破坏。其次，在Anammox进水中亚硝态氮浓度与氨氮浓度的比例为1.32[5-7]时，Anammox才仅能去除90%左右以氨氮和亚硝态氮形式存在的氮，仍有10%左右的氮转化为硝态氮不能被去除[8]。因此，仅利用Anammox技术，脱氮不够彻底且效果不尽理想。近年来研究发现，Anammox菌与反硝化菌能共存于同一反应器中，在一定程度上发挥各自的优势，协同提高总氮的去除率[9-10]，为含氮有机污水同步脱氮除碳提供了新的方向。反硝化菌可以去除Anammox产生的硝态氮，同时也会与Anammox菌争夺反应底物亚硝态氮，Pathak等[9]与Dong等[11]的研究均表明反硝化菌对于亚硝态氮的竞争能力超过Anammox菌，因此同步厌氧氨氧化与反硝化（SAD）工艺的进水中亚硝态氮浓度与氨氮浓度的比值至少应大于Anammox反应中两者的比值1.32，即有足够的亚硝态氮存在才能使Anammox菌与反硝化菌协同去除氮素。然而如何维持长期稳定的短程硝化不被破坏、如何长期稳定地获得亚硝态氮浓度与氨氮浓度的比值大于1.32的原水作为SAD工艺的进水，目前尚未得到有效的控制方法。本研究通过调节曝气量和曝气时间进而控制DO浓度实现部分短程硝化（PN，即部分氨氮转化为亚硝态氮），控制曝气过程中曝气量较低、曝气时间较短、DO浓度较低，使得AOB一直处于优势地位，NOB的活性被抑制，亚硝态氮转化为硝态氮的反应不易发生，从而有利于维持长期稳定的短程硝化。同时通过曝气量和曝气时间的控制实现PN出水中亚硝态氮浓度与氨氮浓度之比大于1.32，满足SAD工艺对进水水质的要求。相比短程硝化，PN能进一步减少曝气时间、节约能耗。相比半短程硝化(即一半的氨氮转化为亚硝态氮)，PN无须精确控制出水中亚硝态氮与氨氮的比例，只需使其大于1.32即可，因此控制简单且允许一定程度上氮负荷和有机负荷的波动。SBR工艺相对于传统的AO、A2O工艺而言，具有占地面积小，节省回流、基建等费用，耐冲击负荷，反应推力大，运行灵活、便于实现高度自动化，能有效抑制污泥膨胀等优点。因此本研究应用SBR工艺探究了不同曝气量和曝气时间对PN的影响，以期稳定维持短程硝化，降低供氧能耗并为SAD工艺提供所需进水。1材料与方法1.1实验装置与运行本实验分为预实验和PNSBR工艺长期运行阶段。预实验由3组实验组成，均采用图1所示的小试SBR反应器。该反应器是由有机玻璃制成，有效容积为1L，以曝气砂头作为微孔曝气器，并以转子流量计调节曝气量。长期运行的SBR反应器如图2(a)所示，有效容积为12L，曝气方式与小试SBR相同。预实验一采用1个小试SBR反应器，反应器第6期赵梦月等：SBR工艺实现长期稳定的部分短程硝化·2527·图1预实验SBR示意图Fig.1SchematicdiagramofSBRforpreliminarytests1—pH/DOmeter;2—DOprobe;3—pHprobe;4—sampleoutlets;5—airpump;6—gasflowmeter;7—aerator;8—rotor;9—magneticstirrer内加入体积比为1:1的活性污泥和生活污水，通过调节转子流量计控制反应器内溶解氧为0.4mg·L−1左右，曝气2h，监测反应过程中的pH和DO，记录转子流量计的曝气量范围。取样间隔为0.5h，以测定水样中的氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度。根据预实验一的结果，预实验二采用3个小试SBR反应器且同时开始曝气，调节转子流量计，使一号、二号、三号小试SBR反应器的进气量分别为50、100、200ml·min−1，定义曝气量为单位时间单位污水量所需的进气体积，即进气量与处理污水量的比值，那么曝气量为6、12、24L·(h·L)−1，曝气3.5h。其他条件与预实验一相同。根据预实验二的结果，预实验三采用1个小试SBR反应器，以探究最佳的曝气量和曝气时间。除了进气量调节为60ml·min−1[曝气量为7.2L·(h·L)−1]以外，其他运行条件均与实验二相同。根据3组预实验的结果得出实现部分短程硝化的最佳曝气时间和曝气量。启动部分短程硝化序批式反应器（PNSBR），运行方式如图2(b)所示，在好氧阶段应用预实验得到的最佳曝气时间和曝气量，排水比为50%，污泥浓度（MLSS）维持在2500～3500mg·L−1之间。1.2污泥、污水的来源与成分上述实验的活性污泥均取自本实验室中试短程硝化反硝化SB