SNAD工艺在不同间歇曝气工况下的脱氮性能

中国环境科学2017,37(2)：511~519ChinaEnvironmentalScienceSNAD工艺在不同间歇曝气工况下的脱氮性能郑照明,李军*,杨京月,杜佳(北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100122)摘要：探讨了城市污水SNAD生物膜反应器在高溶解氧工况下的脱氮性能.SBR反应器以城市生活污水为进水,反应器内放置鲍尔环生物膜载体,控制温度为30℃,采用间歇曝气方式,曝气阶段曝气量为500L/h,溶解氧浓度达5mg/L.阶段1控制曝气和非曝气时间都为20min,生物膜的NOB活性较低,反应器具有良好的脱氮性能.反应器的总氮平均去除率和出水总氮浓度平均值分别为89%和11mg/L.阶段2、阶段3和阶段4研究了曝气时间对反应器脱氮性能的影响.曝气时间对生物膜的厌氧氨氧化活性影响较小,对生物膜的NOB活性影响较大.阶段3控制曝气时间为60min,生物膜的NOB活性较低,反应器的总氮平均去除率和出水总氮浓度平均值分别为83%和14mg/L.阶段4控制曝气时间为160min,生物膜的NOB活性较高,反应器的总氮平均去除率降低至50%,出水总氮浓度平均值为35mg/L.关键词：SNAD；生物膜反应器；生活污水；不同间歇曝气工况中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)02-0511-09NitrogenremovalperformanceoftheSNADprocessunderdifferentintermittentaerobicconditions.ZHENGZhao-ming,LIJun*,YANGJing-yue,DuJia(BeijingKeyLaboratoryofWaterScienceandWaterEnvironmentalRestoration,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(2)：511~519Abstract：Thesimultaneouspartialnitrification,anammoxanddenitrification(SNAD)processfortreatingdomesticwastewaterwasinvestigatedunderhighdissolvedoxygen(DO)concentration.Intermittentaerobicconditionwasoperatedinasequencingbatchreactor(SBR)withtheairflowrateof500L/hat30℃.TheDOconcentrationwasupto5mg/L.DomesticwastewaterwasusedasinfluentandKaldnesringswereusedasbiomasscarriers.Inphase1,thereactorwasoperatedwiththeaerobictimeandnon-aerobictimeofboth20min.Asaresult,thebiofilmperformedlownitriteoxidizingbacteria(NOB)activityandthereactorachievedhighnitrogenremovalperformance.Theaveragetotalinorganicnitrogen(TIN)removalefficiencyreached89%withtheaverageeffluentTINconcentrationof11mg/L.Besides,theeffectoftheaerobictimeontheSNADbiofilmreactorperformancewasevaluatedduringphase2,phase3andphase4.TheresultsshowedthatthelengthofaerobictimeplayedalittleeffectontheanammoxactivityoftheSNADbiofilm,whiletheNOBactivitywaslargelyaffectedbythelengthofaerobictime.Inphase3,theaerobictimewascontrolledat60min.Asaresult,thebiofilmperformedlowNOBactivityandthereactorachievedhighnitrogenremovalperformance.TheaverageTINremovalefficiencyreached83%withtheaverageeffluentTINconcentrationof14mg/L.Theaerobictimeofphase4wascontrolledat160min.Onthecontrary,thebiofilmperformedhighNOBactivityandthereactorperformedpoornitrogenremovalperformance.TheaverageTINremovalefficiencydecreasedto50%withtheaverageeffluentTINconcentrationof35mg/L.Keywords：SNAD；biofilmreactor；domesticwastewater；differentintermittentaerobicconditions含氮污水的大量排放会造成水体富营养化.传统生物脱氮采用硝化反硝化技术,存在着曝气能耗高,污泥产量大,需要额外投加碳源等缺点[1].厌氧氨氧化是一种经济环保的脱氮工艺.在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐氮作为电子受体氧化氨氮,无需消耗有机碳源[2].研究表明在SNAD工艺中,亚硝化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌可以在一个反应器中相互合作,实现氮素和有机物的去除[3-5].但是SNAD工艺多集中于处理高氨氮高温污水,鲜有关于处理城市生活污水的报道[6-7].溶解氧浓度对SNAD工艺的脱氮性能具有收稿日期：2016-05-30基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07202-013)*责任作者,教授,[e-mail]512中国环境科学37卷重要影响[8].因为高浓度溶解氧会抑制厌氧氨氧化菌的活性并且促进NOB的代谢生长,降低反应器的总氮去除能力,所以许多研究在低溶解氧条件下运行SNAD工艺[9-11].但是低浓度溶解氧不利于AOB(ammoniaoxidizingbacteria)活性的发挥,导致反应器的脱氮性能低下.研究表明采用生物膜工艺和间歇曝气方式可以有效缓解溶解氧对厌氧氨氧化菌的抑制作用[12-13].此外,间歇曝气工况对NOB的活性具有强烈的抑制作用[8,14].因为从缺氧进入好氧阶段,NOB比AOB需要更长的滞后期才能恢复活性[15].但是,当间歇曝气工况中的曝气时间较长时,厌氧氨氧化菌的活性可能受到抑制,NOB的活性可能增强,导致SNAD工艺的脱氮性能降低.因此有必要研究间歇曝气工况中曝气时间对SNAD生物膜工艺脱氮性能的影响.本实验拟研究城市生活污水SNAD生物膜工艺在高溶解氧工况下的脱氮性能.考察不同间歇曝气工况对反应器脱氮性能的影响,从而为SNAD工艺在城市污水处理中的工程应用提供指导作用.1材料和方法1.1实验装置-SNAD生物膜反应器1167891234510图1SBR反应器示意Fig.1TheschematicdiagramofSBRreactor1.进水泵;2.空气流量计;3.曝气盘;4.电磁阀;5.SBR运行模式出水;6.加热棒;7.DO探头;8.pH探头;9.鲍尔环;10.水力搅拌器;11.PLC控制器反应器采用SBR运行方式,安装PLC控制系统实现反应器的自动运行,周期运行完毕之后马上进行下一个周期,装置如图1所示.反应器为圆柱形结构,高79cm,直径为38cm,有效容积为89.5L,反应器内填充鲍尔环作为生物膜载体(K3载体,AnoxKaldnes,北京),鲍尔环生物膜照片如图2所示,鲍尔环的直径为25mm,分成多个小格,每个小格的直径为4mm,鲍尔环堆积体积为34L,反应器有效盛水容积为77.7L,每周期排水63L,排水比为81%.在底部设置曝气盘,采用温度控制箱在线监测并控制反应器内水温,反应器侧壁(距底部以上20cm处)安装水力搅拌器,排水口设置在底部以上20cm处,排水口直径为20mm.图2SNAD生物膜反应器中鲍尔环照片Fig.2ThephotoofKaldnesringinSNADbiofilmreactor1.2SNAD生物膜反应器进水和运行工况反应器进水采用北京工业大学家属区生活污水,试验阶段主要水质指标如下:CODCr200~300mg/L;NH4+-N60~80mg/L;NO2--N1mg/L;NO3--N1mg/L;TOC50~60mg/L;TN100~140mg/L;pH为7.5~8.0;碱度300~400mg/L.实验采用的反应器前期已经实现良好的SNAD脱氮性能.整个实验过程曝气量控制为500L/h,温度控制为30℃.实验分为4个阶段,周期运行工况为:进水(5min),间歇曝气工况,后曝气(20min),沉淀(10min),排水(10min),静置(1min).间歇曝气工况由曝气阶段和非曝气阶段组成,在非曝气阶段,曝气停止,水力搅拌器启动,使载体在反应器内处于流化状态,增加微生物和底2期郑照明等：SNAD工艺在不同间歇曝气工况下的脱氮性能513物的接触.阶段1为SNAD生物膜反应器高效脱氮阶段,阶段2至阶段4研究了曝气时间对反应器脱氮性能的影响,各阶段间歇曝气工况的设置见表1.表1SNAD生物膜反应器运行工况Table1OperationconditionsintheSNADbiofilmreactor阶段时间(d)曝气/非曝气时间(min)间歇曝气次数曝气阶段溶解氧浓度(mg/L)11~2020/2065.60(±0.3)221~4040/2035.32(±0.3)341~6060/2025.36(±0.3)461~80160/014.62(±0.3)1.3批试实验装置及其运行条件1.3.1批试污泥取阶段1(20d)、阶段2(40d)、阶段3(60d)和阶段4(80d)反应器中的鲍尔环进行生物膜的脱氮活性测定.实验前将鲍尔环置于30℃自来水中洗去表面的残留基质.1.3.2批试实验水质实验采用模拟废水,配水氮素组分为NH4Cl和NaNO2.碳源采用无水乙酸钠.其他微量元素组分浓度参照Tang等[16]的文献.各脱氮活性测定时的配水组分见表2.表2批试实验主要配水组分(mg/L)Table2Thesyntheticwastewaterofbatchtests(mg/L)指标厌氧氨氧化反硝化亚硝酸盐氮氧化NH4+-N7000NO2--N707070NO3--N000乙酸钠052001.3.3批试实验装置和程序实验采用1000mL烧杯,烧杯内放置50个鲍尔环,进行3次平行重复实验.厌氧氨氧化和反硝化活性测定步骤参照文献[16-17]:(1)配置泥水混合液;(2)启动恒温磁力搅拌器,转速为500r/min,用保鲜膜密封烧杯口,通氮气10min(氮气纯度99.999%);(3)停止通氮气,将烧杯连同磁力搅拌器放入30℃的恒温培养箱中.NOB活性测定:(1)配置泥水混合液;(2)往烧杯中鼓入空气,曝气量控制为250mL/min(周期内DO大于6mg/L),启动恒温磁力搅拌器,转速为500r/min,将烧杯连同磁力搅拌器放入30℃的恒温培养箱中.每隔一定时间取样测定主要组分浓度.污泥活性计算根据公式(1).=2460(1L1000××−×××污泥活性起始浓度计