环境温度下短程硝化反硝化试验研究陈徉

环境温度下短程硝化反硝化试验研究陈　徉,　陈英文,　沈树宝(南京工业大学制药与生命科学学院,江苏南京210009)　　　:　在环境温度(20～30℃)下,通过控制反应体系的曝气量和pH,培养了短程硝化反硝化污泥,成功实现了SBR短程硝化反硝化。试验结果表明,在高pH条件下,有利于NH3-N的氧化,同时NO-2-N的累积率大大增加;降低曝气量可提高NO-2-N在体系中的累积率,控制系统的DO为0.4～0.7mg/L(曝气量为0.1L/min)、pH=8.3,在进水NH3-N为50mg/L时,NO-2-N累积率70%;高进水NH3-N浓度对硝酸菌有明显的抑制作用,而对亚硝酸菌的影响不大,进水NH3-N为120mg/L时,NO-2-N累积率可达80%。　　:　环境温度;　短程硝化反硝化;　序批式活性污泥法:X703.1　　:C　　:1000-4602(2008)15-0093-04StudyonShortcutNitrificationandDenitrificationatAmbientTemperatureCHENYang,　CHENYing-wen,　SHENShu-bao(CollegeofLifeScienceandPharmacy,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)　　Abstract:　TheshortcutnitrificationanddenitrificationinSBRwasrealizedbycontrollingpHandaerationrateatambienttemperatureof20to30℃.TheresultsshowthatthehighpHisfavorabletoam-monianitrogenoxidationandnitriteaccumulation.Thelowaerationratecanincreasethenitriteaccumu-lationrate.WhentheDOis0.4to0.7mg/L(aerationrateof0.1L/min),pHis8.3,andtheinfluentammonianitrogenis50mg/L,thenitriteaccumulationratecanachievemorethan70%.Thehighcon-centrationofammonianitrogenintheinfluenthassignificantinhibitionofnitrobacteriaandlittleinfluenceonnitrosobacteria.Thenitriteaccumulationratecanachieve80%whentheinfluentammonianitrogenis120mg/L.　　Keywords:　ambienttemperature;　shortcutnitrificationanddenitrification;　sequencingbatchreactor(SBR)　　:(863)(2006AA02Z211);　(BK2006181,BK2007188);　(2006-1-W-19)　　目前普遍采用的生物脱氮技术[1]是借助硝化菌和反硝化菌的生理功能,将污水中各种形态的氮元素最终转化为气态氮。当反硝化以NO-3为电子受体时,生物脱氮过程被称为全程硝化反硝化[2];当以NO-2为电子受体时,则被称为短程硝化反硝化[3],其标志为NO-2-N的积累达到NO-x-N总量的50%以上[4]。现有的主要短程硝化反硝化工艺为SHARON工艺,为实现短程硝化反硝化应控制其温度在30～35℃[5]。对于大量的城市低浓度NH3-N污水,为保持其温度所需能耗巨大。因此,在常温下·93·第24卷　第15期2008年8月　　　　　　　　　　　　中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATER　　　　　　　　　　　　　Vol.24No.15Aug.2008研究短程硝化反硝化,对于实际的低浓度NH3-N城市污水的处理具有重要意义。笔者采用SBR反应器考察了环境温度下短程硝化反硝化的效果,着重讨论了曝气量、pH及进水负荷等因素的影响。1　材料与方法1.1　SBR反应器由有机玻璃制成(见图1),有效容积为1.5L。SBR的运行周期分为进水期、曝气搅拌期、搅拌期(外加碳源)、沉淀期、排水期,各个阶段的时间分配根据进水负荷的不同作相应调整。1　Fig.1　Schematicdiagramofexperimentfacility1.2　采用自配模拟NH3-N污水进行试验,其主要组分:(NH4)2SO4为0.353g/L,NaHCO3为0.9g/L[CaCO3(代表碱度)与NH3-N的质量比约为7.14],CaCl2为0.03g/L,MgSO4·7H2O为0.004g/L,KH2PO4为0.024g/L;微量元素溶液为0.3mL/L,其中含1.5g的FeCl3·6H2O、0.15g的H3BO3、0.03g的CuSO4·5H2O、0.18g的KI、0.12g的MnSO4·H2O、0.06g的Na2MoO4·2H2O、0.12g的Zn(NO3)2·6H2O、0.15g的Co(NO3)2·6H2O、2g的EDTA(乙二胺四乙酸)。污泥为实验室先期驯化的硝化反硝化污泥,其主要参数为:SV=28%、MLSS=3.0g/L、SVI=93mL/g,污泥整体沉降性能较好。污泥中反硝化细菌为实验室保藏的施氏假单胞菌,可在好氧和兼性两种环境中进行代谢活动。1.3　COD:重铬酸钾法;NH3-N:纳氏试剂光度法;NO-3-N:紫外分光光度法;NO-2-N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS:重量法;pH:pH计;DO:DO测定仪。2　结果与讨论2.1　短程硝化反硝化污泥是在实验室先期培养成熟的硝化反硝化污泥基础上,在稳定的硝化系统中降低溶解氧浓度,引发硝化两类细菌对氧的竞争,导致它们增殖的不平衡,从而发生硝化过程的动力学选择。亚硝酸菌的氧饱和常数为0.2～0.4mg/L,硝酸菌的为1.2～1.5mg/L[6],据此确定好氧反应的溶解氧浓度为0.35～0.8mg/L。通过控制溶解氧浓度将试验分为两阶段,首先控制溶解氧浓度为1～2mg/L,在此条件下运行5d;然后将溶解氧浓度降至0.35～0.8mg/L,并维持在此范围直到试验结束。在整个驯化阶段,进水NH3-N从50mg/L阶梯式增加到120mg/L并稳定下来。污泥驯化历时64个周期,期间进、出水NH3-N及NO-2-N的积累情况分别见图2、3。2　、NH3-NFig.2　Ammonianitrogenconcentrationofinfluentandeffluentincultivatedperiod3　NO-2-N/NO-x-NFig.3　VariationofratiobetweenNO-2-NandNO-x-Nincultivatedperiod由图2、3可知,随着进水NH3-N浓度的升高,出水NH3-N浓度不断降低,而NO-2-N积累率升高,说明反应器内成功培养了短程硝化反硝化污·94·第24卷　第15期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　泥,在常温条件下实现了短程硝化反硝化的顺利启动。由于曝气量的降低及进水NH3-N浓度的提高而导致游离氨(FA)浓度增大,亚硝酸菌在竞争中逐渐占据优势地位,NO-2-N积累率逐步超过50%,直至达到80%以上,并趋于稳定,此时可判定短程硝化反硝化启动成功。2.2　2.2.1　pH的影响pH是亚硝酸硝化的重要影响因素,有研究表明[7],硝酸菌生长的最佳pH值为7.4～8.3,而亚硝酸菌的最佳pH值则高于8。利用亚硝酸菌和硝酸菌的最佳pH不同,通过控制混合液的pH就能控制硝化类型及硝化产物。控制DO为0.4～0.7mg/L(曝气量为0.1L/min)、进水NH3-N为50mg/L,考察pH对短程硝化反硝化的影响,结果见图4。4　pHNH3-N、NO-3-N、NO-2-NFig.4　VariationofNH3-N,NO-3-NandNO-2-NinnitrificationstageunderdifferentpH由图4可知,在高pH条件下,有利于NH3-N的氧化,同时亚硝酸菌在竞争中占据优势,NO-2-N积累率大大增加,所以通过调节pH可以实现对短程硝化反硝化过程的控制。根据试验结果,确定pH=8.3。另外,根据试验结果可知,NH3-N的减少量远远高于NO-3-N和NO-2-N的生成量,这可能是反应器内发生了厌氧氨氧化反应所致。2.2.2　DO的影响研究表明[6],较低的溶解氧浓度对NO-2-N进一步转化为NO-3-N有明显抑制作用。控制pH=8.3、进水NH3-N为50mg/L,通过改变曝气量(0.1、0.2、0.3L/min)来调控体系中的DO值,以控制硝化产物的比例,结果如图5所示。5　NH3-N、NO-2-NFig.5　VariationofNH3-NandNO-2-Nconcentrationinnitrificationstageunderdifferentaerationrates由图5可知,降低曝气量可提高NO-2-N的累积率,曝气量为0.1L/min(DO为0.4～0.7mg/L)时,硝化3h后NH3-N基本降为零,NO-2-N累积率70%。但是,过低的曝气量会造成硝化反应所需溶解氧不足而导致氨氧化不彻底,在曝气量为0.05L/min(DO为0.1～0.3mg/L)条件下,反应结束时对NH3-N的去除率仅为87%。综合考虑对NH3-N的去除效果与NO-2-N的累积率,选择最佳曝气量为0.1L/min,即DO为0.4～0.7mg/L。2.2.3　进水氨氮浓度的影响FA对亚硝酸菌和硝酸菌都有抑制作用,其中硝·95·陈　徉,等:环境温度下短程硝化反硝化试验研究第24卷　第15期酸菌更为敏感。由FA浓度的计算公式[8]可知,其与进水NH3-N浓度成正比。因此进水NH3-N浓度直接影响短程硝化反硝化体系中NO-2-N的积累。控制pH=8.3、曝气量为0.1L/min,改变进水NH3-N浓度,考察NO-2-N的积累情况。结果表明,在高进水NH3-N浓度下,所需硝化时间延长,NO-2-N积累量增加。这表明FA的增加会对硝酸菌产生明显的抑制作用,但对亚硝酸菌的影响不大,因此增大进水NH3-N浓度有利于亚硝酸菌在竞争中取得优势,有利于短程硝化反硝化的进行。2.3　为了更好地控制SBR中的反应进程,在进水NH3-N为50mg/L、pH=8.3、曝气量为0.1L/min的条件下,考察了某单个运行周期内pH及无机氮浓度的变化,结果如图6所示。6　NH3-N、NO-3-N、NO-2-NpHFig.6　VariationofNH3-N,NO-3-N,NO-2-N,andpHinanoperationperiod由图6可知,pH的变化与氨氧化进程紧密相关。值得注意的是,氨氧化结束与pH由降转升的变化都在硝化阶段结束时发生。因此,可通过pH的变化来控制整体反应的进程[9]。3　结论在环境温度(20～30℃)下,通过对进水NH3-N浓度、pH和曝气量的控制,成功实现了短程硝化反硝化。①　pH的升高对硝酸菌的生长有抑制作用,使得亚硝酸菌在竞争中占据优势地位,提高了NO-2-N的积累率,有利于实现短程硝化反硝化,试验确定最佳pH=8.3。②　曝气量的降低对硝酸菌的生长会产生抑制作用,使得亚硝酸菌在竞争中占据优势地位,提高了NO-2-N的累积率,有利于实现短程硝化反硝化。但过小的曝气量可能导致硝化反应供氧不足,使得氨氧化不完全,造成对NH3-N的去除率降低。试验确定最佳曝气量为0.1L/min,即控制系统的DO为0.4～0.7mg/L。③　在pH和曝气量不变的条件下,加大进水NH3-N浓度能抑