采用序批式反应器短程生物脱氮工艺处理高氨氮制药废水李勇智

第23卷增刊2003年现代亿工ModernChe而ealIndustyr2003163采用序批式反应器短程生物脱氮工艺处理高氨氮制药废水李勇智’彭永臻,,2王淑涝2范彩安2(l.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.北京工业大学环境与能源工程学院,北京100022)摘要:根据制药废水高氨氮、高pH值、高碱度的特点,采用序批式反应器(SBR)对该废水短程生物脱氮的可行性和影响因素进行了研究。在常温(23土l)℃的条件下,实现了低碳氮比制药废水的短程硝化与反硝化,脱氮效率达99%以上。结果表明,在高游离氨条件下,硝酸菌比亚硝化菌对游离氨更为敏感,反应体系中亚硝酸盐的平均积累速率远大于硝酸盐的平均积累速率。在处理该制药废水的短程硝化与反硝化过程中,pH值的变化表现出一定的规律性,其变化反映了硝化和反硝化进行的程度。可以利用pH值变化的特征点来准确判断硝化和反硝化过程的结束,进而实现对该过程的在线模糊控制。关键词:制药废水;短程生物脱氮;硝化与反硝化;游离氨;在线控制中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:0253一4320(2X()3)51一0163一以NitrogenermovalfromhParmaeeuitcalwastewaetrviaintirteusingsequeneingbatehreactorlLoYng一hiz`,尸￡脚`oY-gn认en’,2,环讨刃`hSu一户gnZ,厂姓刃cai一an(1.CollegeofMunieipalandEnviornmenatlEngineeirng,HabrinlnsitutteofeTehnolo留,Harbinl50001,china;2·Colle罗ofEnvimnmenaltandEnegyrEnigneeirng,BeijingUnivesriytofeTehnofogy,Beijing100022,China)Abstaret:uboarot叮一sealeexpeirmentsweereonduetedapplyingsequeneingbaetheraetor(SBR)aeitvatedslud罗poreesstoawastewatersetram如maPhanrraeeutiealafeotyr.NiotrgenermovaleanbeaehievedviaP的alinitrifeationanddeniitrifea-itonandhteeiffeieneywasabove99%at(23土l)CC.hTeexpeirmenalters过stindieatethathtein`teo五dizesraermoersensi-itvetofereammoniathanammoinaoxidize招inthewastewater.hTeaveargeaeeumulationaretOfniitret15muehhigherhtanhtatofniatrte.DiurnghteniotrgenermovalviainitretPathw叮,theendofinitrifeationanddeni创ifeationeanbeexacdydeeidedbymointoirngthev丽ationofpH.Conse甲en街,o-nlineeonotrlforin加genermovalformthephamraeeuitealwastewatereanbeaehievedandhteeostofoPerationeanbeerdueed.eKywords:phaxmaeeuitealwastewater:shorteutbioloigealni加罗nermoval;niitr五eationanddein苗ifeation;fereammo-nia;on一lineeon加l北京某药业公司以生产生殖健康药品为主,在药品生产过程中产生的废水含有大量结构复杂的有机化合物以及高浓度氨氮,直接排放将对环境构成严重影响。目前,所排放的废水经好氧生化处理能够去除废水中大部分的有机物,但出水的氨氮质量浓度仍然在10om岁L左右,排人受纳水体会导致水体富营养化乃至水体黑臭等一系列环境问题。短程生物脱氮的概念就是将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮,采用适当手段阻止其进一步氧化为硝酸盐氮,然后直接进人反硝化阶段。这将节省25%因供氧而消耗的能源,在反硝化过程中将节省40%的有机碳源,同时反应速率大幅度提高,剩余污收稿日期:2X()3一03一26;修回日期:2X(]3一06一10基金项目:国家自然科学基金重点项目(50138010)和国家“863”重大科技专项(20(]3AA6()1010)资助作者简介:李勇智(1971一),男,博士生;彭永臻(1949一),男,博士,教授,博导,研究方向为水污染控制工程及其智能控制,通讯联系人,010一67392627,[e-mail]。DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2003.s1.048164现代亿工第23卷增刊泥量大为减少〔’一5〕。短程脱氮工艺尤其适用于低碳氮比、高氨氮、高pH值和高碱度废水的处理。实现短程硝化与反硝化的关键在于抑制硝酸菌的增长,从而使亚硝酸盐在硝化过程中得到稳定的积累e[]。笔者采用序批式反应器(SBR)探索了短程生物脱氮的可行性和各种影响因素,并在此基础上对该过程的控制参数进行研究,以期实现对该过程的在线模糊控制[7〕。1试验材料与方法1.1废水来源与水质试验用水采用该药业公司的生产废水,废水水质中化学需氧量(con)、5日生化需氧量(BODS)、离子氨氮(N田一N)、总氮、总磷的质量浓度分别为:250一500、130一280、80一200、90一240、1一Zm酬L,总碱度(以CaCo3计)为800一1400m留L,pH值为8.8一9.6。可以看出,该制药废水的可生化性较差,具有高氨氮、高pH值、高碱度特点。1.2污泥的培养和驯化实验所用污泥取自该药业公司废水处理的曝气池。污泥放人BSR反应器中,考虑到制药废水中有机物的毒性,废水经稀释后进人该反应器。因为废水中缺乏磷元素,补加少量磷酸二氢钾以满足微生物对磷的需要。通过不断地延长反应时间,不排泥,充分提高污泥龄。控制水温为(23土l)℃,经2个月的培养和驯化,反应体系已进人稳定状态。1.3实验装置与方法废水设有搅拌器,其作用是在非曝气状态或者气量很小时保持泥水的混合均匀。BSR工艺一个周期的运行基于几个不同阶段(如图1)。在进水阶段,废水进人反应器并与活性污泥混合。在好氧阶段,微生物利用溶解氧降解有机物,同时发生硝化反应。接着进人缺氧阶段,停止曝气,在搅拌下加人有机碳源发生反硝化反应,使废水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮转化成为氮气。在反硝化反应结束后,停止搅拌,沉淀,排水,同时排掉剩余污泥,反应器进人闲置阶段。1.4分析项目与方法采用SB一2型COD快速测定仪、钠氏试剂光度法、N一(1一蔡基)一乙二胺光度法、察香草酚分光光度法分别测定COD、N咐一N、NO牙一N及NO多一N的质量浓度。溶解氧和pH值分别采用YslModel5000型和Wl,Win。肠bpHlevelZ在线传感仪测定。游离氨氮(NH3一N)的质量浓度通过下式计算闭:尸(NH3一N)=17/14[10pH户(N嘴一N)/(lopH+e6344/r)]式中,T为温度(K)。入国山山山泪进水余泥夕土土土反硝化沉淀图1SBR工艺各个阶段所用的SBR反应器为有机玻璃制成,高70。m,直径30。m,底部泥斗为圆台形,总有效容积为巧oL在反应器壁的垂直方向每隔10。m设置一个取样口(兼有排水作用),反应器底部设有排泥放空管,以勃砂块作为微孔曝气头,采用鼓风曝气方式。反应器2结果与讨论2.1生物脱氮过程各种氮形态的变化活性污泥经过2个月的培养与驯化,体系脱氮进人稳定状态。图2反映了处于稳定阶段的一个典型周期内N咐一N、NO牙一N、NO了一N、N3H一N的质量浓度及pH值随时间的变化关系。生化反应开始时N民一N质量浓度为50.l2m留L,计算可知pH值为9.61,温度21℃,NH3一N质量浓度高达38.53mg/L。当氨氮的氧化过程结束时,No了一N的质量浓度仅为1.39mg/L,而N街一N的质量浓度却达到了42.7m岁L,亚硝化率(NO牙一N占NO玄一N与Nof一N总量的质量分数)为%.8%。说明在整个氨氮氧化过程中硝化菌的活性受到了充分的抑制,而亚硝化菌的活性并未受到影响。在硝化过程中,pH值一直处于较高的水平,这主要是由于废水碱度高的缘故(见图3)。进水中总碱度、碳酸盐碱度、重碳酸盐碱度(以aCC03计)分别为1039、277.5和484.5mg/L。硝化过程结束时,体系的总碱度仍维持在733.3m留L。正是因为废水的高碱度特性,系统的pH值维持在8.0以上。这样的pH值不适宜于硝化细菌的生长,但对亚硝化菌的影响较小囚。pH值始终处于较高水平也是造成反应器N-Oz一N稳定积累的原因之一。2003年李勇智等:采用序批式反应器短程生物脱氮工艺处理高氨氮制药废水165划傲O6口`840O。。。。。10“988OU笼笼笼犷犷1泊:侧是锐喇饵061102080332400060反应时间/耐n1一N咐一N;2一NH3一N;3一NO-2一N;4一N03--一N;5一pH值图2一个反应周期内N碳一N、oN牙一N、Nor一N、N姚一N浓度和pH值的变化在N姚一N逐渐减小的过程中,NO牙一N和NO-3一N的平均积累速率表现出不一样的规律。N-Oz一N平均积累速率在硝化过程开始的Zh增长较快,之后的6h内Noj一N的平均积累速率维持在约2.87m岁(g·h)的较高水平(即每小时每克微生物所积累的No牙一N为2.87mg)。而在硝化开始阶段,虽然N姚一N浓度处于较高水平,但活性污泥体系中小部分硝化菌仍有很小的活性,所以在反应30-120而n内,Nof一N的平均积累速率有很小幅度的增加,不过其最大值也仅达到0.24m酬(g·h)。之后,NH3一N的作用使硝酸菌的活性不再发挥作用,系统中不再有NO至一N的产生,所以,NO犷一N的平均积累速率开始逐渐下降,反应结束时其值为0.089m盯(g·h)。内`口,J.口山nù-一勺0一U:,占99丫曰:之ǎ毕萝àd242016128七ó0501勺202,`1几00,公.丫:的之哥暇略娜翁件好氧l缺氧120180240300360反应时间/口ln8.07.57.0、、尸、工n甘0864口山丫闷旨、ǎ的8目。àdl一总碱度;2一碳酸盐碱度;3一重碳酸盐碱度;4一pH值图3一个反应周期内碱度的变化060概俞厄贫翁汽犷扁滋艺。反应时间/耐n反应进行到第270而n,停止曝气,并加人有机碳源,使反应进人反硝化阶段。由图2可知,以NO牙一N作为电子受体的反硝化反应进行很快,lh内反应器中就不再检测到NO歹一N和N-Os一N,脱氮效率大于99%。2.2游离氨对短程生物脱氮过程的影响生化反应开始时,N田一N质量浓度为90.2mg/L,NH3一N质量浓度为31.39mg/L,pH值为8.92,CoD为309.2m留L。N姚一N质量浓度与NO犷一N、N-Oz一N的平均积累速率的关系如图4所示。反应开始阶段,NH3一N浓度处于较高水平。在去除有机物过程中,原污水中的一些碱性物质分解,pH值下降很快,NH3一N质量浓度也很快下降到20.09mg/L。但在此过程中,N姚一N并未发生氧化,N-Oz一N和NO丁一N并未产生积累。在有机物去除过程结束后,N玩一N开始氧化,出现Nof一N和NO至一N的积累。N玛一N浓度也因硝化过程pH值和N民一N浓度的下降而逐渐减小。l一N0-2一N;2一N玛一N;3一N-O3一N图4硝化过程N玛一N浓度和NO牙一N、NO至一N平均积累速率的关系很明显,硝化菌比亚硝化菌对N姚一N更为敏感,可以通过利用制药废水中高氨氮、高pH值条件下产生的高NH3一N浓度来实现对硝化细菌活性的抑制,从而使NH3一N的氧化停留在N0-2一N阶段,实现短程硝