氨氮负荷波动对城市污水短程硝化厌氧氨氧化工艺硝态氮的影响

中国环境科学2017,37(2)：520~525ChinaEnvironmentalScience氨氮负荷波动对城市污水短程硝化-厌氧氨氧化工艺硝态氮的影响程军1,张亮1,张树军2,杨延栋3,谷鹏超2,彭永臻1*(1.北京工业大学,国家工程实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京100124；2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心,北京污水资源化工程技术研究中心,北京100022；3.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090)摘要：亚硝酸盐氧化菌(NOB)增长是导致城市污水短程硝化-厌氧氨氧化(partialnitrification/anammox,PN/A)工艺脱氮效率降低的主要原因之一.采用SBR反应器研究了周期性的进水氨氮负荷变化对城市污水PN/A工艺出水硝酸盐的影响.结果表明:恒定曝气量和曝气时间,进水氨氮负荷周期性降低时,PN/A工艺出水硝态氮逐渐增长,导致系统脱氮性能下降.在硝态氮增长之后,保持进水氨氮负荷稳定,系统的脱氮性能未恢复.进一步分析表明:低氨氮浓度下,NOB对于溶解氧的竞争是出水硝态氮增长的主要原因.因此,在城市污水PN/A工艺中,为了维持稳定的脱氮性能需要控制溶解氧和出水氨氮浓度.关键词：负荷波动；短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)；DO；NOB中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)02-0520-06Theeffectsofammoniumloadingratefluctuationonnitrateaccumulationinmunicipalwastewaterpartialnitritation/anammox(PN/A)process.CHENGJun1,ZHANGLiang1,ZHANGShu-jun2,YANGYan-dong3,GUPeng-chao2,PENGYong-zhen1*(1.NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.ResearchandDevelopmentCenterofBeijingDrainageGroupCorporation,BeijingWastewaterRecyclingEngineeringTechnologyResearchCenter,Beijing100022,China；3.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalscience,2017,37(2)：520~525Abstract：Theover-proliferationofnitrite-oxidizingbacteria(NOB)isoneofthemaincausesforthedecreaseofthenitrogenremovalefficiencyinmunicipalwastewaterpartialnitritation/anammox(PN/A)process.MunicipalwastewaterPN/Awasestablishedinasequencingbatchreactors(SBR)andtheeffectofperiodicnitrogenloadingrate(NLR)fluctuationonnitrateaccumulationinthePN/Aprocesswasinvestigated.Duringtheexperimentalperiod,influentammoniumconcentrationvariedperiodicallywhileaerationrateanddurationremainedconstant,inducingavariationofNLRwithintherangeof0.24~0.48kgN/(m3·d).EffluentnitrateconcentrationgraduallyincreasedunderthevariationofNLR,resultinginthedeclineofbothnitrogenremovalrateandefficiency.FollowedbythevariationofNLR,thereactorwasoperatedatastableNLR,whichwasfailedtorestorethenitrogenremovalperformance.NOBwaseasiertocompeteforoxygenatlowbulkammoniumconcentrations,whichwasthemainreasonfortheunwantednitrateaccumulation.Therefore,astricterprocesscontrolofDOandresidualammoniumconcentrationwasessentialtothestableoperationofPN/Asystems.Keywords：NLRfluctuation；partialnitritation/anammox(PN/A)；DO；NOB短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)自养脱氮工艺是一种经济、节能的新型脱氮工艺[1-2].其工艺原理是:在好氧条件下氨氧化菌(AOB)将部分氨氮(NH4+-N)转化为亚硝态氮(NO2--N),在缺氧条件下,厌氧氨氧化菌(Anammox)以生成的亚硝态氮为电子受体,将剩余氨氮转化为氮气的生化反应过程[3].目前,短程硝化-厌氧氨氧化工艺主要应用于高氨氮废水的处理[4].与传统硝化反硝化工艺相比,短程硝化-厌氧氨氧化工艺仅需要将一收稿日期：2016-06-28基金项目：国家自然科学基金(51478013),北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]2期程军等：氨氮负荷波动对城市污水短程硝化-厌氧氨氧化工艺硝态氮的影响521半的NH4+-N转化为NO2--N,从而减少曝气量.根据报道,采用厌氧氨氧化脱氮工艺将使城市污水处理厂能耗降低40%~50%[5-6];其次,短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺无需投加外加碳源,脱氮效率不受进水碳氮比的影响[7];最后,通过回收污水中有机碳源用于厌氧消化产甲烷,可能实现污水处理厂的能量平衡甚至产能[8-9].经过多年的试验研究,城市污水厌氧氨氧化工艺已经在接种污泥的富集培养[10]、反应器的启动和运行控制[11-12]、低温条件下系统的稳定运行[13-14]、系统破坏和恢复策略等方面做了大量研究[15].研究结果显示,PN/A工艺普遍存在NOB增长引起出水硝酸盐增加、总氮去除率下降的问题.有效地抑制NOB的增长是城市污水PN/A工艺稳定运行的关键[16].进水波动是实际污水处理厂普遍存在的现象[17],为确保出水水质,传统硝化-反硝化工艺通过输入过量能量以保证硝化完全,因此进水波动对传统工艺影响较小.然而,对于控制要求更高的PN/A工艺,进水负荷波动对于系统稳定性的影响还不明确.研究负荷波动条件下城市污水短程硝化-厌氧氨氧化工艺硝态氮增长方式并分析其作用机制,对于控制硝态氮的增长保证系统稳定运行具有重要意义.本文采用SBR反应器,通过控制进水氨氮浓度模拟城市污水处理厂负荷波动,考察系统出水硝态氮、氨氮等水质参数的变化规律,探索进水氨氮负荷波动对于系统硝态氮的影响,并给出城市污水一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺硝态氮增长的原因和控制策略.1材料和方法1.1反应装置和接种污泥试验采用2个相同的SBR反应器(图1).反应器采用有机玻璃制成,内径20cm,高40cm,有效容积12L.反应器外围设置水浴加热;为了保证混合和传质效果,反应器设置有搅拌装置;曝气采用曝气泵和曝气砂盘,转子流量计控制曝气量.反应器接种污泥来自一个稳定运行的高氨氮废水一体化厌氧氨氧化反应器[18],污泥形态为絮体和颗粒污泥混合形式,接种污泥反应器总氮去除负荷平均为0.8kgN/(m3·d),污泥平均粒径269μm,其中絮体污泥(粒径小于200μm)占到41%.接种污泥用自来水冲洗4次之后投加到反应器中,初始混合液污泥浓度分别为3354,3510mg/L.12365478图1SBR反应器示意Fig.1SchematicdiagramoftheSBRreactor1.pH,DO,温度在线监测;2.流量计;3.曝气泵;4.水封;5.取样口;6.曝气砂盘;7.搅拌桨;8.水浴加热1.2进水水质和试验方案试验采用配水,每周期进水量相同,通过改变进水氨氮浓度模拟城市污水进水氨氮负荷的波动.配水以自来水为本底,投加NH4HCO3.进水水质(mg/L):COD:8.7~16.0;NH4+-N:18.6~92.5;NO2--N:0.0~2.2;NO3--N:0.0~6.3.pH:7.2~8.1.试验分为3个阶段,表1为进水氨氮浓度和负荷.阶段Ⅰ:启动和稳定期.系统接种污泥后,进水氨氮浓度从80mg/L降低到40mg/L,相应的反应时间从4h缩短至2h,稳定运行62个周期;阶段Ⅱ:负荷波动.进水氨氮浓度以40mg/L为基准进行波动,SBR1和SBR2每隔一个周期进水浓度分别降低为30,20mg/L,试验进行81个周期;阶段Ⅲ:进水氨氮浓度稳定维持40mg/L,用于系统恢复,试验持续42个周期.两个反应器除进水氨氮浓度以外,其他指标控制相同.反应器运行方式为:进水10min,连续曝气120min,沉淀25min,排水10min,每天运行3个周期.试验过程中控制曝气量恒定,溶解氧浓度为0.06~0.28mg/L,控制反应器内温度26±1℃,通过投加NaHCO3以保持反应出水pH值不低于6.8.522中国环境科学37卷表1试验各阶段进水氨氮浓度和负荷Table1InfluentammoniumconcentrationandNLRpresentedineachphase阶段ⅠⅡⅢ项目浓度NLR浓度NLR浓度NLRSBR180~400.4840300.480.32400.48SBR280~400.4840200.480.24400.48注:NH4+-N浓度单位:mg/L;NLR单位:kgN/(m3·d).1.3检测指标和方法pH值、温度和DO采用便携式检测仪(WTW340i,Germany)进行检测,进出水水样分别检测氨氮、亚硝态氮、硝态氮等指标.检测方法如下:NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;NO2--N采用N-(1萘基)-乙二胺分光光度法测定;NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定.污泥浓度采用滤纸过滤称重法;好氧呼吸速率(OUR)采用活性污泥呼吸仪(StrathkelvinInstruments,UK)检测.2结果和讨论2.1进水负荷对系统硝态氮的影响2.1.1反应器启动和稳定运行SBR1和SBR2启动和稳定运行结果分别如图2和图3第Ⅰ阶段所示.启动初期进水NH4+-N浓度为80~90mg/L,出水NH4+-N浓度维持在10mg/L左右,出水NO3--N浓度约为10mg/L,硝态氮产生比例为0.1左右.反应器稳定运行15个周期后进水NH4+-N浓度降低为40mg/L.出水NH4+-N维持在10mg/L左右,NO2--N浓度持续低于1mg/L,出水NO3--N浓度进一步降低,硝态氮产生比例低于0.1,总氮去除负荷维持在0.24kgN/(m3·d),反应器稳定运行62个周期.试验结果表明保持进水氮负荷恒定,可以实现稳定的一体化短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮.020406080100120140160180010203040508090100氮素浓度(mg/L)周期数进水氨氮出水亚硝氮出水氨氮出水硝氮阶