复合生物反应器亚硝酸型同步硝化反硝化王建龙

第33卷第12期2007年12月北京工业大学学报JOURNALOFBEUINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.33No.12L地c.2007复合生物反应器亚硝酸型同步硝化反硝化王建龙,彭永臻,王淑莹,高永青,刘莹(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100022)摘要:以实际生活污水为对象,利用有效容积为12L的间歇式复合生物反应器(填料体积填充比为30%).通过控制洲oo)稳定实现了亚硝酸型同步硝化反硝化脱氮.试验结果表明.在同步硝化反硝化条件下,随着川OD)的升高,亚硝化率逐渐降低,总氮去除率也呈下降趋势.曝气结束,川oo)4m以L时,系统的亚硝化率和总氮去除率均小于50%;当可OD)为Zmg/L,温度维持在(28土1)℃,硝化过程中亚硝化率始终维持在85%以上,p(N嘴一N)去除率大于98%,总氮去除率在75%左右.因此,在试验条件下,只要控制嗓气盘,使得曝气结束时反应器内川oo)为Zgm/L,就可实现稳定的亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮.关扭词:同步硝化反硝化;亚硝酸盐积累;复合生物反应器;脱氮中图分类号:x703.1文献标识码:A文章编号:0254一0037(2007)12一2310一05同步硝化反硝化脱氮工艺(simultaneousnitrifieationanddenitrifieation,简称为SND)是指在一个反应器内同时发生硝化和反硝化反应,从而达到去除含氮化合物的目的.要实现亚硝酸型SND,关键在于将pN(嘴一N)氧化过程控制在p(N街一N)阶段,阻止p(N街一N)进一步氧化,然后直接进行反硝化.但是,在开放、动态的反应器系统中,往往很难持久稳定地维持较高p(N街一N)的积累并实现SND,目前对此现象的理论解释也还不充分.国内外学者在这些方面做过很多研究发现,很多因素都能导致硝化过程中p(N呀一N)的积累,如温度、pH、游离氨(队)浓度、可oo)、HRT、氮负荷等〔`一,].大多数学者认为,当硝化阶段的温度在较低(15℃)或较高(30℃)、维持较低川oD)、控制p(FA)与氮负荷等均可实现一定程度的p(N呀一N)积累.但越来越多的研究表明,通过高p(FA)的抑制作用获得p(N街一N)积累是不稳定的,而通过维持较低爪oo)所获得的p(N街一N)积累才是稳定和持久的〔4一6].大多生产性试验的结果认为,应控制爪oD)在0.5一2.smg/L7[一101.到目前为止,短程sND已在垃圾渗滤液、豆制品废水和人工配水实验室规模研究中取得成功.由于影响p(N街一N)积累的控制因素多且复杂,而不同废水的水质特征各异,因此,要稳定实现短程SND还需要进一步的研究与探索.试验采用活性污泥和生物膜相结合的复合生物反应器,以学校生活小区的生活污水为处理对象,研究了爪oD)对sND过程中p(N街一N)积累的影响,并通过控制可oo),稳定实现了亚硝酸型SND.1试验材料与方法试验设备如图1所示,试验所用反应器为圆柱形,高50cm,直径加。m,有效容积12L,有机玻璃制造.采用鼓风曝气,用转子流量计调节并维持曝气量,用温控仪和加热器调控水温.试验期间反应器内温度为(28士l)℃,pH=7.35一7.51.HBR运行工况为:短时进水一曝气(11h)一沉淀(0.5h)一排水(0.5h),一天运行2个周期,每个周期结束后排水6L,然后瞬时进水6L,污泥龄(SRT)控制在30d左右.反应器内部填充收稿日期:2006一12一08.基金项目:“十一五”科技支撑计划项目(2006BAC19B03);高等学校博士学科点专项科研基金(20060005002);北京市属高等学校创新团队项目(05005013200504).作者简介:王建龙(1978一),男,河北邢台人,博士生.第12期王建龙等:复合生物反应器亚硝酸型同步硝化反硝化1311瑞琪生物填料,其物理性能见表1.载体挂膜后的填充率为30%.1.2试验水质与监测方法试验采用学校居住小区生活污水为对象,通过加自来水稀释和投加醋酸钠、KHZP氏、N氏el,调节进水夕(OCD)、户(TN)、产(PT),其他进水水质参数见表2.水样经过滤后直接测定.p(COD)采用SB一1型COD快速测定仪,总氮采用总氮测定仪(MulitN/C3000型),氨氮采用纳氏试剂比色法;亚硝酸盐氮采用N一1一蔡乙二胺比色法;硝酸盐氮采用察香草酚分光光度法;MLSS采用重量法.日日日{{{{{「「「团团「「「「团团荞荞荞{{{4444444叮叮叮叮1.温控仪20RP探头3.pH探头4.加探头5.气体流量计6.暴气机图1试验设备Fig.1Expeirment叹uipment表l瑞琪生物坡料物理性能Table1Charaeteirst五csofdC卜C田,祀r材料。/(g·。m一3)。/mmK。/%90一95压缩强度/kPa断裂伸长率/%连续耐热温度/℃耐酸碱稳定性聚丙烯类0.9一0.921.5一0.841.2一49.23.60一3.9780一100稳定衰2主要水质今教Table2MainPar曰meetsrofarwwatermg.L-水质指标产(COcDr户(TN)产(N嘴一N)夕(P碳一P)P(SS)平均值本文中由于微生物生长所消耗的氮忽略不计,同步硝化反硝化脱氮效率的计算公式为〔7〕尸(N田一N进水)一户(N哎一N出水)X100%(1)一J.几沪护万廿....`..、一一TN”`其中1。3刀NT为同步硝化反硝化脱氮效率.污泥驯化及挂膜试验所用污泥取自北京某污水厂氧化沟工艺二沉池回流污泥,采用逐渐提高进水氨氮浓度的方法对污泥进行驯化、培养,为了加快培养速度保持反应器温度在28一30℃.经过20d的运行,系统氨氮转化率超过98%,填料表面已附着1层厚度约0.smm的生物膜,整个系统的污泥驯化和填料挂膜阶段结束.控制反应器内可lx〕)=0.5m岁L,经过20d的运行后,好氧结束时,总氮去除率稳定在70%左右.在31d不排泥的情况下,系统总氮去除率仍维持在70%以上,同步硝化反硝化系统启动完成.2试验结果与讨论2.11)O对SND的影响通过调节曝气量控制曝气结束时反应器中的爪oD),研究了不同川oo)条件下系统中氮形态的变化和脱氮情况,如图2所示.随着p(OD)的升高,p(NH犷一N)去除率逐渐升高,当p(OD)1mg/L时,可N碳一N)去除率超过90%.4种川oo)下,p(TN)去除率依次为57.2%、“.4%、72%、49%.由此可知,当p(DO)=2.0mg/L时,系统的脱氮效率最高,并且此时系统p(N街一N)累积率超过85%.当越以))Ztng/L时,系统逐渐由亚硝酸型同步硝化反硝化转化为全程同步硝化反硝化,并且系统脱氮效1312北京工业大学学报2070年率快速降低.因此,通过控制反应器内川oD)可以实现亚硝酸型同步硝化反硝化.通过计算发现,在曝气的最初sh内,爪OD)分别为0.5、1、2、4mg/L时,反应器内的硝化速率分别为每天每g的vSS中N碳一N的质量为0.018、0.024、0.032、0.0459.由此可见,在反应初期,硝化速率随反应器内爪oo)的提高而增加.这是因为在同时去除有机物和进行硝化反硝化的工艺中,硝化菌在活性污泥中的比例较低,约占5%左右,且大多处于污泥絮体的内部,爪oo)增加将提高oo对生物絮体的穿透力,因此可以提高硝化反应速率.2.2亚硝酸型SND的实现试验过程中,控制曝气阶段结束时反应器内爪oD)二2.0mg/L,经过20d的运行,曝气结束时,出水中主要以p(N街一N)为主,p(N呀一N)2mg/L,p(N街一N)累积率达85%以上,试验结果如图3所示.求、巴之óǎ年dZ过、ǎ之.旧O乙d0()0000..ùó艺6420ǐTlesesesesllweeseses门eseseseses月esesee!弓esesseesJn4000凡j,`,且ǎ,闷·的日à、(砰扮H乙d岁、已ǎ之匕d成Z丫一工之àd100806040200ǎ7闷·的日à、ǎ21阮0乙dǎ21旧O乙d了了V丫一一州州叼叼户叫叫一一p(DO卜{{{.0005mg·L一lll斗斗又渭渭同同ǎ一l曰·的日à、ǎ之儿工己d图2川OD)对亚硝酸型NSD的影响Fig·2Theefcfetof产(OD)onsND0612182430t/d图3亚硝酸型sND的实现Fig.3SNDvianitirtebycont动i昭the户(lx〕)由图3可见,反应器在控制溶解氧条件下运行时,由于反应初期硝酸盐细菌还占有很大比例,因此,并没有马上出现亚硝酸盐积累.随着运行天数的增加,从第gd开始,亚硝酸盐累积率开始上升,而且上升速率逐日加快,到第22d时亚硝酸盐累积率达到83.4%.从第22d以后,亚硝酸盐累积率趋于稳定,维持在85%以上,曝气结束时,出水中p(N呀一N),通过控制曝气结束时反应器内爪oo)实现了亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮技术.从图3可见,整个试验过程中p(N田一N)去除率始终大于98%,系统硝化性能良好.随着运行天数的增加,曝气结束时,出水中p(N呀一N)与p(N呀一N)之和逐渐减小,从第sd开始,出水中p(N街一N)开始逐渐升高,而p(N街一N)逐渐下降,到第22d时,p(N街一N)稳定在10mg/L左右,p(N呀一N)2mg/L.随着系统中亚硝酸盐累积率的升高,系统脱氮效率也逐渐升高,试验过程中总氮去除率升高了约n%(由63.5%升高至74.8%),因此,与全程同步硝化反硝化脱氮相比,亚硝酸型同步硝化反硝化脱氮效率更高.2.2特征曲线周期分析为了进一步了解低溶解氧下,在复合生物反应器内易发生亚硝酸型同步硝化反硝化现象,进行了一个典型反应周期氮形态随曝气时间变化试验分析.试验中调节曝气量,控制曝气结束时爪OD)=2.0mg/L,并对曝气过程进行了在线pH、爪OD)检测和采样,分析测定了p(N田一N)、p(N-os一N)、p(N街一N)和p(COD),对典型周期内氮形态转化和去除过程进行了分析,并绘制其随时间的变化曲线见图4.由图4可见,曝气125min时.反应器内川OCD)降到100mg/L以下,而此时亚硝酸盐氮和硝酸盐氮均未检出,结合氨氮的变化,说明此前没有发生硝化反应,氨氮的降低是由于异养菌同化作用造成的.随着继续曝气,p(COD)的降解速率减慢.180min时,爪COD)降至50mg/L以下,此后爪OCD)趋于恒定,第21期王建龙等:复合生物反应器亚硝酸型同步硝化反硝化1313岁、译食100120140户一n碑ì8丫ìn尸一6产ìO刁一4ǐ一八“工ì,ùresesLll卜...卜...`....n0n00nonà006j件2口..且ǎ一l曰·国日à、d0000000凡j2J..lǎ一l闷·切日)/(QO口àdǎ一l曰·助日à、d说明已进入难降解阶段,此时p(DO)和pH曲线分别出现了拐点A和角而此后180一350min内,尸(N可一N)快速降低,尸(N--OZ一N)、p(N--Os一N)仍在omg/L附近,而此时总氮去除率呈线性增长,因此,此时是系统同步硝化反硝化脱氮效率最高阶段.350min后,系统中亚硝酸盐氮开始增长,但增长速率非常缓慢,到430min时才接近1mg/L,由于已实现了亚硝酸型硝化,此时p(N-O3一N)二0.13mg/L.曝气550min时,硝化过程结束,尸(N田一N)全部转化为产(NO三一N),尸(N--OZ一N)累积率达90.4%,此时p(DO)和pH曲线分别出现了拐点B和y.从150一550min的氨氮变化来看,氨氮共减少了近44.3mg/L,而增加的p(N呀一N)、p(NO了一N)和硝酸盐氮的和为11.2mg/L.因此此阶段同步硝化反硝化脱氮效率达74.8%.由硝化效果看,550min时硝化国.757.3犷犷稚黑……t/(min·5一,)图4典型周期反应器内特征曲线Fig.4T即iealeyeliestudyoftheSNDvianitirteinHBR反应已经结束,系统中的氮主要以N街一N的形态存在,随着曝气的继续,N--Oz一N逐渐转化为N-Os一