不同有机碳源对SBR工艺同步硝化反硝化影响张万友

2010年第29卷第12期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·2395·化工进展不同有机碳源对SBR工艺同步硝化反硝化影响张万友1，张兰河1，2，3，杨涛1，张海丰1（1东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012；2城市水资源开发利用（北方）国家工程研究中心，黑龙江哈尔滨150090；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090）摘要：采用序批式生物反应器（SBR）处理模拟废水，在pH值7.0～8.0、温度30～32℃、DO浓度0.5～1mg/L、MLSS(4000±300)mg/L、NH4+-N35～45mg/L条件下，考察乙酸钠、淀粉和葡萄糖作为碳源对SBR工艺同步硝化反硝化效果的影响。结果表明：投加葡萄糖时，COD去除率达到93.95%，出水硝酸盐浓度为7mg/L；投加淀粉时，COD去除率仅70%，出水硝酸盐浓度为12mg/L；采用乙酸钠作为碳源时，COD去除率为88.34%，出水硝酸盐浓度为4mg/L。COD/NH4+-N为12，分次投加乙酸钠时，氨氮去除率高于95%，总氮去除率高于90%，实现了同步硝化反硝化。在同步硝化反硝化SBR系统中，乙酸钠比淀粉和葡萄糖更适合作为碳源。关键词：溶解氧；序批式生物反应器；碳源；同步硝化反硝化中图分类号：X522文献标志码：A文章编号：1000–6613（2010）12–2395–05EffectsoforganiccarbononsimultaneousnitrificationanddenitrificationinsequencingbatchreactorZHANGWanyou1，ZHANGLanhe1，2，3，YANGTao1，ZHANGHaifeng1（1SchoolofChemicalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，Jilin，China；2NationalEngineeringResearchCenterofUrbanWaterResources，Harbin150090，Heilongjiang，China；3SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150090，Heilongjiang，China）Abstract：Asequencingbatchreactor（SBR）wasusedtotreatsyntheticwastewater.Effectsoforganiccarbonsincludingsodiumacetate，amylumandglucoseonsimultaneousnitrificationanddenitrification（SND）wereinvestigatedwhenpH，temperature，DO，MLSSandNH4+-Nwere7.0—8.0，30—32℃，0.5—1mg/L，（4000±300）mg/Land35—45mg/L，respectively.ResultsindicatedthatremovalefficiencyofCODwas93.95%，andeffluentNO3－-Nwas7mg/Lwhenglucosewasusedascarbonsource.RemovalefficiencyofCODwasonly70%andeffluentNO3－-Nwas12mg/Lwhenamylumwasusedascarbonsource.Forsodiumacetate，theCODremovalefficiencywas88.34%andtheeffluentNO3－-Nwas4mg/L.WhenCOD/NH4+-Nwas12andsodiumacetatewasaddedintermittently，theremovalefficiencyoftotalnitrogenwashigherthan90%，andsimultaneousnitrificationanddenitrificationwereachieved.Asacarbonsource，sodiumacetatewasfoundmoreappropriateforSNDintheSBRsystemthanglucoseandamylum.Keywords：dissolvedoxygen；sequencingbatchreactor；carbonsource；simultaneousnitrificationanddenitrification近年来，随着水环境污染和水质富营养问题的日益尖锐以及公共环境意识的日益增强，污水脱氮问题在全球范围内引起了广泛的重视[1]，同步研究开发收稿日期：2010-05-18；修改稿日期：2010-07-16。基金项目：吉林省科技发展计划项目-科技引导计划应用基础研究（20090599）资助。第一作者简介：张万友（1957—），男，教授，硕士生导师。联系人：张兰河，博士，副教授，主要从事废水与废气的生物治理技术的研究。[e-mail]。DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2010.12.027化工进展2010年第29卷·2396·硝化反硝化作为一种经济有效的脱氮工艺具有明显的优越性。同步硝化反硝化（SND）是指硝化和反硝化反应在同一反应器中相同操作条件下同时发生[2－6]。它使原本独立的硝化和反硝化两个过程在一个反应器中同时进行，不需外加碳源和碱度[7]，简化了生物脱氮工艺流程，缩短了废水处理周期，在一定程度上减小了污水处理占地面积、降低了处理能耗，进而大大提高了生物脱氮效率，目前已成为研究热点，受到国内外的广泛重视。有机碳源是微生物能量代谢所需碳的主要来源，有机碳源作为异养好氧菌和反硝化过程的电子供体，被认为是实现完全生物硝化反硝化的关键因素之一。对于SND体系，由于硝化过程与反硝化过程的一体化，使得碳源对于整个硝化反硝化过程的影响变得更加重要。国外关于C/N对SND效果的影响进行了理论研究。Mavinic等[8]在间歇曝气完全混合（IACM）反应器中投加乙酸和甲醇，发现能够明显强化反应器中同步硝化反硝化作用。Chiu等[9]采用SBR研究C/N比对SND的影响，在低C/N比的情况下，由于碳源的不足导致了SND的不平衡。当C/N比为11.1时，SND效率较高，随着氨氮负荷率的增加，氮的去除率逐渐降低。国内关于碳源对同步硝化反硝化的影响也进行了研究。马放等[10]利用SBR反应器探讨了DO和COD对同步硝化好氧反硝化的影响。结果表明，DO在0.5～0.6mg/L时，同步硝化好氧反硝化脱氮效率最高。总氮（TN）去除率随着COD/TN增加而增加，当COD/TN为10.05时，总氮去除率最高可达70.39%。张可方等[11]采用SBR处理城市污水，研究DO和C/N对同步硝化反硝化脱氮效率的影响。当DO为0.5～1.5mg/L时，TN最高去除率达到93.74%；C/N在3.3～10之间时，C/N越高，出水NO3－-N浓度越低，SND效果越好。虽然许多学者对SND进行了研究，但大多研究集中在工艺运行条件对同步硝化反硝化的影响上，很少考察碳源的种类、COD/NH4+-N和碳源投加方式对同步硝化反硝化效果的影响。为了降低能耗和运行负荷，本研究采用SBR工艺考察了不同碳源、COD/NH4+-N和碳源投加方式对同步硝化反硝化的影响，探索同步硝化反硝化一体化工艺运行规律，为生物反应器的优化设计及管理运行条件的确定提供科学依据。1材料和方法1.1实验装置及运行SBR反应器采用有机玻璃制成（内径10cm，有效容积2.5L），放置于恒温水浴锅中。SBR反应器每天运行2个周期，通过时间继电器控制每一运行周期的反应时间。混合液中的溶解氧浓度通过转子流量计控制。SBR反应器采用进水→曝气7h→沉降0.5h→排水的操作方式，每周期排水1.5L，并排出污泥混合液50mL，实验装置如图1所示。图1SBR工艺实验装置示意图1—溶解氧仪；2—pH计；3—进水箱；4—进水泵；5—进水阀；6—曝气泵；7—曝气头；8—转子流量计；9—出水阀接种污泥取自吉林市污水处理厂二沉池。驯化期间MLSS控制在（4000±300）mg/L，DO浓度控制在0.5～1.0mg/L、pH值为7.0～8.0、温度30～32℃。COD维持在400～500mg/L，NH4+-N从3mg/L逐渐增加到35～45mg/L，每天运行2个周期，连续运行一个月。驯化过程中COD和NH4+-N的去除率随着运行时间的增加而逐渐提高，当COD和NH4+-N去除率分别达到90%和95%左右时，表明SBR生物反应器成功启动。稳定运行阶段NH4+-N保持在35～45mg/L，其它实验条件与驯化阶段相同。1.2实验用水实验用水采用人工配制废水，主要采用CH3COONa、葡萄糖和淀粉作为碳源，COD控制在400～500mg/L，NH4Cl为氮源，逐渐增加进水的氨氮浓度。KH2PO4为磷源，以MgSO4、CaCl2、FeSO4和MnSO4等作为微量元素的来源。配水成分见表1。表1稳定运行阶段实验配水微量元素成分单位：g/50LKH2PO4NH4ClMgSO4CaCl2FeSO4MnSO413.5～4.03180.060.06第12期张万友等：不同有机碳源对SBR工艺同步硝化反硝化影响·2397·1.3分析方法COD采用重铬酸钾法；NH4+-N采用纳氏试剂光度法；NO2－-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3－-N采用紫外分光光度法；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；MLSS采用烘干恒重法；溶解氧浓度（DO）采用JYD-1A型溶解氧测定仪测定；pH值采用pHs-2C型pH计测定。2结果与讨论2.1碳源种类对同步硝化反硝化的影响碳源可以分为三大类：易生物降解的溶解性有机物，如甲醇、葡萄糖等；可慢速生物降解的有机物，如淀粉、蛋白质等；细胞物质，主要为活性污泥自溶后释放出来的有机碳[12]，可被细菌利用进行反硝化。试验分别采用降解速率慢的淀粉和降解速率较快的葡萄糖和乙酸钠作为外加碳源，采取反应初始投加碳源的方式，考察不同碳源对同步硝化反硝化的影响。添加有机碳源后进水COD保持在400～500mg/L，NH4+-N保持在35～45mg/L，投加每种碳源连续运行15个周期，每个周期取样进行检测。图2表明，采用乙酸钠、葡萄糖、淀粉作为碳源时，一个运行周期结束，NH4+-N去除率均高于95%，硝化菌主要为自养菌，在硝化过程中不需要碳源。图3表明，一个运行周期内3种不同有机碳源对COD去除率影响均较大。葡萄糖为易降解有机物，当反应3h后，COD去除率达到93.95%，说明大多数的有机物已经被降解。采用乙酸钠作为碳源，反应器运行3h后，COD去除率达到88.34%。采用淀粉作为碳源时，降解过程比较缓慢，反应器运行3h后，COD去除率只有57.7%，7h后COD去除率只能达到72%，这说明在一个周期运行时间内不能有效降解淀粉。图2不同碳源对氨氮去除率的影响◇进水氨氮；■出水氨氮；▲氨氮去除率图3不同碳源对COD去除率的影响△乙酸钠浓度；■葡萄糖浓度；▲淀粉浓度；□去除率（乙酸钠）；*去除率（葡萄糖）；●去除率（淀粉）图4不同碳源下进水和出水硝态氮和总氮浓度的变化■进水硝氮；▲进水总氮；*出水硝氮；○出水总氮从图4可以看出，3种不同有机碳源对出水硝酸盐浓度影响较大。采用葡萄糖作为碳源时，出水硝酸盐浓度为7mg/L。这主要是由于葡萄糖降解2h后，COD去除率达到88.95%，剩余少量葡萄糖所消耗的DO逐渐减少，导致污泥絮体中缺氧区减少，这在一定程度上影响了反硝化的进行，进而造成出水硝酸盐的积累（7mg/L），影响总氮去除效果。乙酸钠也为易降解有机物，降解3h后COD去除率为88.34%，降解时间大于葡萄糖，对反硝化影