部分短程硝化SBR实现低CN比生活污水碳源的充分利用赵梦月

2016年11月CIESCJournalNovember2016第67卷第11期化工学报Vol.67No.11DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160980部分短程硝化SBR实现低C/N比生活污水碳源的充分利用赵梦月，王博，郭媛媛，彭永臻（北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，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：为实现低C/N比生活污水中碳源的充分利用，以部分短程硝化SBR为研究对象，通过减少进水输入碳源的量和增加反硝化利用碳源的量两方面来提高碳源利用率(反硝化利用碳源的量与总进水碳源的量的比值)，分别考察了进水量、排水比、曝气时间、沉淀时间、曝气后搅拌时间对碳源利用率的影响。结果表明，排水比由50%变为35%，碳源利用率由15.1%提高到24.8%；曝气时间由2h增加到2.25h，碳源利用率由24.8%提高到27.5%；曝气后增加1.5h的搅拌过程，碳源利用率又提高了3.8%，此时出水的亚硝态氮积累率（NAR）为94.8%，24NO-N/NH-N−+为1.7，表明了系统稳定的短程硝化效果，且能为同步厌氧氨氧化-反硝化（SAD）工艺提供更适宜的进水。通过调节以上运行参数，部分短程硝化SBR对于低C/N比生活污水的碳源利用率得以提升，节省了后期曝气去除有机物的能耗，进而削弱好氧异养菌的生长，有效避免好氧异养菌过度增殖对氨氧化菌（AOB）的冲击，维持系统稳定的短程硝化效果。关键词：部分短程硝化；低C/N比；生活污水；曝气；沉淀；排水；碳源利用率中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2016）11—4825—12EfficientorganicsutilizationoflowC/NratiodomesticsewagethroughpartialnitritationSBRZHAOMengyue,WANGBo,GUOYuanyuan,PENGYongzhen(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:InordertoefficientlyutilizecarbonsourceoflowC/Nratiodomesticsewage,twomethods(reducingorganicsinputandincreasingcarbonsourceconsumptionthroughdenitrification)wereintroducedthroughthepartialnitritationSBR.Inthisstudy,fivefactors,i.e.influentvolume,drainageratio,aerationtime,precipitationtimeandstirringtimeafteraerationwereinvestigatedtoassesstheeffectontheutilizationefficiencyofcarbonsource（theratiobetweenthequalityofcarbonsourceconsumptionthroughdenitrificationandthetotalorganicsinput）.Theresultsshowedthatwhenthedrainageratiowasdecreasedfrom50%to35%,theutilizationefficiencyimprovedfrom15.1%to24.8%;whentheaerationtimewasincreasedfrom2hto2.25h,theutilizationefficiencyincreasedfrom24.8%to27.5%andwhen1.5hofstirringtimeafteraerationwasadded,theutilizationefficiencyincreasedby3.8%.Meanwhile,thenitriteaccumulationrateoftheeffluentwas94.8%andthe24NO-N/NH-N−+was1.7,indicatingthatthepartialnitrificationwasstablymaintained,andtheeffluentwasmoreproperforsimultaneousanammoxanddenitrification(SAD)process.Allinall,theorganicsutilizationefficiencywas2016-07-12收到初稿，2016-08-03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:2016-07-12.Correspondingauthor:Prof.PENGYongzhen,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51478013)andtheFundingProjectsofBeijingMunicipalCommissionofEducation.化工学报第67卷·4826·promotedgraduallythroughtheadjustmentoftheoperationalparametersabove,bywhichtheaerationenergyforconsumingorganicswassaved,andthenthemultiplicationofaerobicheterotrophicbacteriawasweakenedwhichavoidedstrikingtheammoniaoxidizingbacteria(AOB)effectively,keepingthenitritationeffectstable.Keywords:partialnitritation;lowC/Nratio;domesticsewage;aeration;precipitation;drainage;organicsutilizationefficiency引言随着经济的发展，人们的生活水平和饮食结构发生了很大变化，对肉禽类等蛋白质的摄入增多导致生活污水中的氮素含量显著增加[1]；同时许多小区设置化粪池，使生活污水中的有机物在进入污水处理厂前被消耗，降低了进水中的有机物含量[2]，上述两点是生活污水C/N比低的主要原因。若要实现低C/N比生活污水深度脱氮，一种方式是通过传统工艺外加碳源，如甲醇、乙酸钠、葡萄糖等[3]，而这种做法会造成处理成本的提高；另一种方式是调节污水处理工艺的运行参数[4]或改良现有工艺[5-7]。赵梦月等[8]成功应用部分短程硝化工艺（即氨氮在完全短程硝化前停止曝气）来处理低C/N比生活污水，长期试验结果表明，此工艺能维持稳定的短程硝化效果，改善低氨氮、低C/N比污水短程硝化在进水水质波动情况下容易被破坏的不足，其出水的24NO-N/NH-N−+大于1.32，满足进入SAD系统的进水水质条件，在SAD系统中，厌氧氨氧化菌与反硝化菌共存并协同去除氮素实现系统的深度脱氮[9-11]。然而，在部分短程硝化SBR稳定运行期间，发现在上一个周期闲置过程中亚硝态氮大部分已经被去除，使得下一周期进水前剩余的亚硝态氮很少，因此进水中的有机物主要是通过曝气去除，既浪费了碳源，又增加了由此而产生的曝气能耗。部分短程硝化SBR工艺在运行过程中必然会伴随着除碳过程[12]，而碳的去除主要有两种途径，一是反硝化利用去除，二是曝气去除。对于低C/N比生活污水，原水中的碳源有限，如果能够最大程度地利用原水碳源，既能降低由于缺乏碳源带来的短程硝化反硝化不稳定的影响，又能节省后期曝气去除碳源的能耗。对碳源的合理分配和有效利用可以作为污水厂运行能耗的重要评价依据，碳源利用充分的工艺通常表现出优良的出水水质[13]。同时，由于活性污泥均是微生物混合培养，污泥中同时存在多种不同功能的微生物种群[14]，其中异养菌在好氧过程中利用碳源增殖速率快，造成污泥量快速增加；而好氧氨氧化菌（AOB）是自养菌，具有生长速率低及世代周期长的特性[15]。若大量有机物被好氧异养菌利用，好氧异养菌快速生长繁殖，常常会造成系统硝化效果不稳定，出水氮素不达标的问题。若在曝气前，原水中的有机碳源大部分被反硝化利用，可以实现污水中碳源与氮源的分离，一方面可以降低后续曝气处理过程的有机物负荷，另一方面势必减少系统中好氧异养菌的生长，有效避免其过度增殖对AOB的冲击。为了最大程度地通过利用原水中的碳源来去除有机物，使得系统以一种节能环保的方式实现氮的短程转化和有机物的去除，同时仍然能够维持稳定的短程硝化效果，且能为SAD工艺提供进水，本文通过改变部分短程硝化SBR的运行模式、调整相应运行参数，以寻求最佳的工艺运行条件，最终实现低C/N比生活污水碳源的充分利用。1材料与方法1.1部分短程硝化（PNSBR）长期试验装置与运行PNSBR的有效容积为12L，以曝气砂头作为微孔曝气器，曝气量为100～60ml·min−1，运行方式为进水0.5h，曝气2～3h，沉淀1h，闲置2.5～1.5h，每周期6h，排水比为50%，运行过程中的混合液污泥浓度（MLSS）为2500～3500mg·L−1，挥发性固体浓度（MLVSS）约为MLSS的85%。以低C/N比生活污水为原水，其氨氮浓度为40～85mg·L−1，亚硝态氮浓度与硝态氮浓度均在检测限以下，COD浓度为110～320mg·L−1。1.2批次试验装置与运行若要提高碳源利用率，可通过减少进水输入碳源的量和增加反硝化利用碳源的量来实现。减少进水输入碳源的量即减少进水量，而增加反硝化利用碳源的量涉及的影响因素较多。PNSBR长期运行结果表明，反硝化主要发生在3个阶段：进水、沉淀及闲置。进水阶段主要发生外源反硝化，沉淀和闲置阶段主要发生内源反硝化[8]，外碳源与内碳源均来自原水。增加反硝化利用碳源即强化外源反硝化第11期赵梦月等：部分短程硝化SBR实现低C/N比生活污水碳源的充分利用·4827·和内源反硝化，使更多的碳源被用于反硝化反应。若要强化外源反硝化，在进水碳源充足的情况下，需要进水前剩余更多的亚硝态氮。首先，可以在不破坏部分短程硝化的前提下适当延长曝气时间产生更多的亚硝态氮，那么下周期进水前剩余的亚硝态氮也就增加；其次，适当延长沉淀时间，将贮存的内碳源更长时间地用于全部的水进行内源反硝化，那么下周期进水前剩余的亚硝态氮也可能增加。若要强化内源反硝化，可以在内源反硝化过程中增加搅拌操作使得泥水充分混合达到内碳源被充分利用的目的。围绕上述影响因素，分别进行了减少进水碳源输入与增加反硝化利用碳源的批次试验。1.2.1减少进水碳源输入的试验减少进水的碳源即减少进水量，分为进水后泥水混合物总体积改变和不变两种情况：总体积改变即相同量的污泥按梯度加入不同量的生活污水，反应器的有效容积不同；总体积不变即排水比梯度变化，但反应器的有效容积不变。该试验分为两组进行：每组试验均采用3个相同的SBR反应器，如图1(a)所示，该反应器是由有机玻璃制成，有效容积为1L，均以曝气砂头作为微孔曝气器，并以转子流量计控制曝气量，磁力搅拌器的速率控制在600r·min−1。每组试验前均用蒸馏水洗泥3次，以去