高氮豆制品废水的亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮工艺

书书书　第５６卷　第４期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５６　Ｎｏ．４　２００５年４月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ａｐｒｉｌ　２００５檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文高氮豆制品废水的亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮工艺高大文１，彭永臻２，王淑莹２（１哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨１５００９０；２北京工业大学环境与能源工程学院，北京１０００２２）摘要：采用序批式活性污泥法，通过控制溶解氧浓度开发出处理高氮豆制品废水的新工艺．实验结果显示，当曝气阶段反应器内溶解氧浓度保持在０．５ｍｇ·Ｌ－１左右时，曝气过程中ＮＯ－２Ｎ／ＮＯ－狓Ｎ的比率始终维持在９３％以上，并且曝气结束时，有大约８７．６％的氨氮是通过同步硝化反硝化途径去除的．因此，控制反应器内溶解氧浓度在０．５ｍｇ·Ｌ－１左右时，在一个反应器内同时实现了亚硝酸型硝化反硝化和同步硝化反硝化．经过理论计算和机理分析，在此溶解氧下，亚硝酸菌的比增殖速率近似为硝酸菌的２．２２～２．４３倍，并且低溶解氧容易在活性污泥颗粒内形成进行反硝化作用的缺氧区．因此，在常温下，只要采用溶解氧传感器控制ＳＢＲ反应器内溶解氧浓度在０．５ｍｇ·Ｌ－１左右，就可以实现稳定的亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮工艺．关键词：同步硝化反硝化；亚硝酸盐积累；豆制品废水；生物脱氮中图分类号：Ｘ７０３　　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００５）０４－０６９９－０６犖犻狋狉狅犵犲狀狉犲犿狅狏犪犾犳狉狅犿犺犻犵犺狀犻狋狉狅犵犲狀狊狅狔犫犲犪狀狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉犫狔狊犻犿狌犾狋犪狀犲狅狌狊狀犻狋狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀犪狀犱犱犲狀犻狋狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀狏犻犪狀犻狋狉犻狋犲犌犃犗犇犪狑犲狀１，犘犈犖犌犢狅狀犵狕犺犲狀２，犠犃犖犌犛犺狌狔犻狀犵２（１犛犮犺狅狅犾狅犳犕狌狀犻犮犻狆犪犾牔犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犎犪狉犫犻狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犎犪狉犫犻狀１５００９０，犎犲犻犾狅狀犵犼犻犪狀犵，犆犺犻狀犪；２犛犮犺狅狅犾狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犪狀犱犈狀犲狉犵狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００２２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｎｕｔｒｉｅｎｔｒｅｍｏｖａｌｆｒｏｍｈｉｇｈｎｉｔｒｏｇｅｎｓｏｙｂｅａｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ）．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｈｅｎＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｔ０．５ｍｇ·Ｌ－１ｄｕｒｉｎｇａｅｒａｔｉｏｎ，ｎｉｔｒｏｓａｔｉｏｎｒａｔｅ（ＮＯ－２Ｎ／ＮＯ－狓Ｎ）ｗａｓａｌｗａｙｓｍｏｒｅｔｈａｎ９３％ｄｕｒｉｎｇｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌ狏犻犪ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｕｐｔｏ８７．６％ｗｈｅｎａｅｒａｔｉｏｎｗａｓｅｎｄｅｄ．Ｓｏｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ狏犻犪ｎｉｔｒｉｔｅａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＳＮＤ）ｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｉｎａｓｉｎｇｌｅｒｅａｃｔｏｒｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｔ０．５ｍｇ·Ｌ－１．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄｉｚｅｒｓｗａｓａｂｏｕｔ２．２２—２．４３ｔｉｍｅｓｔｈａｎｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｅｒｓａｔＤＯ＝０．５ｍｇ·Ｌ－１，ａｎｄｔｈｅａｎｏｘｉｃａｒｅａｆｏｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｅａｓｉｌｙｂｕｉｌｔｉｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｉｎｔｈｅＤＯｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ狏犻犪ｎｉｔｒｉｔｅａｔｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｕｌｄｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｓｏｌｏｎｇａｓＤＯｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｔ０．５ｍｇ·Ｌ－１．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｏｙｂｅａｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ　　２００４－０２－０３收到初稿，２００４－０４－３０收到修改稿．联系人及第一作者：高大文（１９６７—），男，博士，副教授，现工作单位为东北林业大学森林资源与环境学院．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１３８０１０）；黑龙江省自然科学基金资助项目（Ｅ０２３０）．　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００４－０２－０３．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｄｒ．ＧＡＯＤａｗｅｎ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（５０１３８０１０）ａｎｄｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｅ０２３０）．　引　言近几十年来，尽管生物脱氮技术有了很大的发展，但是硝化和反硝化两个过程仍然需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行．因此，在实际工程应用中，传统生物脱氮工艺存在不少问题［１］．随着人们对生物脱氮技术的不断研究，近年来开发出很多新型生物脱氮工艺，其中同步硝化反硝化（ＳＮＤ）生物脱氮工艺就有可能克服传统生物脱氮工艺中存在的一些问题．目前，国内外研究报道显示，ＳＮＤ生物脱氮工艺已成为污水生物脱氮技术领域的研究热点［２～１０］．同步硝化反硝化工艺，就是使一个反应器内同时存在好氧环境和缺氧环境，则硝化反应和反硝化反应就有可能在同一反应器内同时发生，从而达到去除含氮化合物的目的．因此，与传统生物脱氮工艺相比，ＳＮＤ工艺将省去第二阶段的缺氧反硝化池或减少其体积，这将大大缩短生物脱氮的工艺流程，减少工程造价．溶解氧是影响硝化过程的重要因素之一，不少研究结果表明，低溶解氧下易发生亚硝酸盐积累［１１，１２］．亚硝酸菌的氧饱和常数一般为０．２～０．４ｍｇ·Ｌ－１，而硝酸菌的为１．２～１．５ｍｇ·Ｌ－１．因此，低溶解氧下，亚硝酸盐大量积累的主要原因是由于亚硝酸菌对溶解氧的亲和力要比硝酸菌强，使得低溶解氧下亚硝酸菌增殖速率加快，补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降，整个硝化阶段中氨氧化未受到明显影响．本研究选择控制溶解氧浓度在０．５ｍｇ·Ｌ－１左右来实现亚硝酸型同步硝化反硝化．由于实验是在硝化菌培养、驯化完成后进行的，而此时的硝化菌中硝酸盐菌所占的比例大于亚硝酸盐菌，因此在控制溶解氧的同时，还应兼顾排泥，通过泥龄的控制使反应器内硝酸盐菌的量逐渐减少，亚硝酸盐菌逐渐累积并成为优势菌种．１　实验材料与方法本研究采用的实验装置为ＳＢＲ反应器，如图１所示．此装置由有机玻璃制成，总有效容积３８Ｌ．以黏砂块作为微孔曝气器，采用鼓风曝气，通过转子流量计调节曝气量；反应器外壁缠有电热保温丝，由温度控制仪控制反应器内温度，用温度传感器在线监测反应器内水温的变化；用ＹＳＩ５０Ｂ型ＤＯ仪在线监测曝气阶段的ＤＯ浓度，并在曝气过程中，逐时取样测定ＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－２Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＭＬＳＳ和碱度等指标．实验用废水取自某豆腐加工厂排放的黄泔水，ＣＯＤ浓度在１００００～１５０００ｍｇ·Ｌ－１，ｐＨ值在３．５～５．０．为了便于研究，本实验用自来水对黄泔水进行了稀释，并根据实验投加一定量氯化铵来维持反应器内较高氨氮浓度．实验中所采用的分析方法均按照美国水工业协会发布的标准方法［１３］．Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＳＢＲｐｒｏｃｅｓｓ１—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；２—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｂｅ；３—ｐＨｍｅｔｅｒ；４—ｐＨｐｒｏｂｅ；５—ＤＯｍｅｔｅｒ；６—ＤＯｐｒｏｂｅ；７—ｍｉｘｅｒ；８—ｏｕｔｌｅｔ；９—ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒ；１０—ａｉｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；１１—ａｉｒｄｉｆｆｕｓｅｒ；１２—ｗａｓｔｅｓｌｕｄｇｅ；１３—ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ；１４—ｌｉｑｕｏｒｔａｎｋ；１５—ａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｔａｎｋ　２　结果和分析２１　亚硝酸型同步硝化反硝化的实现为了避免高温对实现亚硝酸型硝化反硝化工艺的干扰，采用反应器内温度为（２８±１）℃．实验过程中，设置ＳＢＲ工艺运行工况为：短时进水曝气８ｈ搅拌１ｈ沉淀１ｈ排水０．５ｈ，一天运行１个周期．在控制反应器内溶解氧浓度为０．５ｍｇ·Ｌ－１和污泥龄１４ｄ的条件下，经过９ｄ的运行，曝气结束时出水中主要以亚硝酸盐氮为主，硝酸盐氮在１ｍｇ·Ｌ－１以下，亚硝酸盐累积率达９２％以上，实验结果如图２所示．由图２可以看出，反应器在０．５ｍｇ·Ｌ－１溶解氧控制下运行时，由于反应初期硝酸盐菌还占有很大比例，因此，并没有马上出现亚硝酸盐积累．随·００７·化　　　工　　　学　　　报　　第５６卷　着运行天数的增加，从第６天开始，亚硝酸盐累积率开始上升，而且上升速率逐日加快，到第９天时出现突跃，达到９２％．从第９天以后，亚硝酸盐累积率虽有上升，但上升速率明显减慢，并趋于稳定，到第１１天时，亚硝酸盐累积率达到９６％以上，曝气结束时，出水中硝酸盐氮浓度维持在１ｍｇ·Ｌ－１以下．至此，认为通过控制反应器内溶解氧浓度实现了亚硝酸型硝化反硝化生物脱氮工艺．图２还显示出，随着运行天数的增加，曝气结束时出水中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的浓度逐渐减小，到第５天时，亚硝酸盐氮达到最低值３．４ｍｇ·Ｌ－１左右．从第５天开始，亚硝酸盐氮开始小幅度增长，而硝酸盐氮继续下降，到第９天时，亚硝酸盐氮稳定在４．５ｍｇ·Ｌ－１左右，硝酸盐氮在１ｍｇ·Ｌ－１以下．结合图３，可以看出，在第９天时，曝气阶段进、出水氨氮浓度分别为４８．９ｍｇ·Ｌ－１和９．８ｍｇ·Ｌ－１，因此，有大约３９．１ｍｇ·Ｌ－１的氨氮在曝气过程中被去除．分析硝化过程氨氮消耗的原因主要有两个，一个是曝气初期被异养菌降解ＣＯＤ时作为氮源所利用；另一个原因就是有可能发生了同步硝化反硝化（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＮｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＤｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，简称ＳＮＤ）．Ｆｉｇ．２　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＯ－２Ｎ，ＮＯ－３ＮａｎｄｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆＮＯ－２ＮａｃｃｏｕｎｔｆｏｒＮＯ－狓Ｎｉｎｎｉｔｒｉｆｉｅｄｅｆｆｌｕｅｎｔ（ＤＯ＝０．５ｍｇ·Ｌ－１）　下面以第９天为例，初步证明当反应器内溶解氧维持在０．５ｍｇ·Ｌ－１时，反应体系发生了同步硝化反硝化现象．首先进行两点假设：（１）假设降解去除的ＣＯＤ等于微生物可以完全利用的ＢＯＤ（而实际上ＢＯＤ要小于ＣＯＤ）；（２）假设反应器内氨氮等于总氮（而实际上氨氮要小于总氮）．在活性污泥法中，为保证微生物的正常生长，一般要求污水中营养元素的比例取ＢＯＤ５∶Ｎ∶Ｐ＝Ｆｉｇ．３　ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＨ＋４Ｎｉｎｉｎｆｌｕｅｎｔａｎｄｅｆｆｌｕｅｎｔｄｕｒｉｎｇ