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文档简介

1、实现同步硝化反硝化废水的低成本迈克奥尼尔*和奈杰尔霍兰*进程管理器 ,北西水,奥克兰,曼彻斯特,英国*高级讲师 公共卫生工程、土木工程系、利兹大学 LS2 9 jt,英国文摘奥贝尔工艺废水的处理,在溶解氧浓度为 1.5 毫克/ L 时同时存在硝化和反硝 化。潜在的这个过程同时提供降低成本和简化在地中海环境脱氮的操作。 这项 工作的目的是为了探讨这些要求 ,并试图描述一种机制的实验验证。 在恒化器中 使用混合培养生长,在好氧 /缺氧循环条件下观察同步硝化反硝化。降低途径 , 或“亚硝酸盐分流 ”不能被证明,但它可能解释反硝化菌在好氧条件下的滞后现 象。反硝化作用持续一段时间之前,氧取代硝酸盐作为

2、终端电子受体的响应, 滞后的长度是在缺氧条件下的持续时间。关键字奥贝尔氧化沟工艺、硝化、反硝化、活性污泥、污水引言自 1960 年代后期,地中海的状况不断恶化 ,部分原因是在沿海地区的海洋自然 生态系统面临严重的污水污染(萨利巴, 1978 )。对于地中海污染的第一次审 查表明,近岸海域污染的临界水平主要是由于大量的生活污水排放处理不当 , 加上一个有机质含量较高和有毒分数较大且不受控制的工业成分(GFCM,1972) 。高达 85%的整体地中海污染来自陆地, 这包括一个年度 1042 x 103 吨的磷负荷。所以说这种大量养分的投入是不足为奇的,赤潮定期记录在 地中海包括一些有毒的物种,如鳍

3、藻,膝沟藻和具。1975 年地区政府的地中海行动计划的采用已导致了一系列的环境管理方案, 包 括使用和安全处置的国内和工业废水(德费克和萨利巴, 1986 )。一个广泛的 处理系统是实用的,具有去除营养物质的能力,从低成本的选项,如芦苇床系 统通过高技术,生物植物(霍兰, 1990 )。利用好氧硝化细菌和缺氧反硝化细 菌从废水中完全脱氮是相对简单的。 然而 ,当利用这些微生物在污水处理过程中 有必要提供单独的需氧和缺氧的区域。这增加了所需处理反应器的总体积(即 该计划的资金成本),也使得操作过程更加复杂。本文报告了一个称为“奥贝 尔系统的同步硝化反硝化”的处理过程,仅仅一个曝气反应器,从而大大

4、降低 资本和运营成本。奥贝尔系统 奥贝尔系统的过程是由一个多通道氧化沟组成的一个单一系统,活性污泥工艺 采用串联操作的两个或两个以上的循环反应器。该系列反应堆(渠道或车道 )是最常见的框架 -中心构造,水深 4.3 米,每一个渠道有一个无尽的流路和一个完全 混合反应器,使其快速流入并迅速分散在混合液中。混合液一般在水平圆盘表 面曝气和混合。水流在重力作用下从一个通道通过水下堰口流到下一个通道。 这个过程是一个专有的系统,其销售在美国的瓦克夏环保工作展览公司。奥贝尔氧化沟的最常见的应用是在延时曝气方式,同心三通道都具有相同的横 截面,从而导致外(或第一)通道大约有一半的总池容积,中间(或第二)通

5、 道有三分之一的盆地体积和内部(第三)通道有约盆地的六分之一体积。在一 个“正常”的奥贝尔应用程序中所有的浪费饲料和 RAS 进入第一通道,只有 一半的体积和曝气容量存在。第一通道并具有高的氧摄取率和低(零至 0.5 毫 克 /升)的溶解氧。第二通道 ,三分之一的体积和曝气盘 ,溶解氧量为 0.5 到 1.5毫克/升。第三通道,用剩下六分之一的体积和磁盘,溶解氧量为2 到 5 毫克 /升。对于单一的渠道系统这种固有的分层使溶解氧量减少了 20% 。可能,更重 要的是,这个特殊的性质和溶解氧分层通过奥贝尔系统强化营养物质的自身除 磷。曝气是通过不锈的塑料曝气盘 ,直径 1.38 米,厚 13 毫

6、米。有一些小孔的面 孔,通过盘的轴向中心线方向膜封闭。圆盘的两面都覆盖着数百个半金字塔形 的凸起用来弥补因小孔关闭而减少的氧量。磁盘操作距离在 0.23 到 0.53 米之 间,最佳转速为 40 到 60 转/分。它可以在锥形突起的两个方向旋转并混合进 入顶端,约30%以上的氧传递到此。这个整体的浸没范围为 0.30 m ,40到60 转的速度方差和反转功能在氧输送方面提供了一个打开/关闭的比例为 5:1。一种独特的运行方式对奥贝尔系统有着旁路功能。此功能是把分流联合污水稀释 并送到第三通道而暴雨径流污水被送到外部渠道(斯默尔伍德 ,1989) 。这种操 作方式允许生物固体的库存增加存储和充气

7、前两个通道 ,而澄清器固体库存大 幅降低。这就排除了固体存储在澄清器内的失衡 ,以及防止固体颗粒冲刷过堰。 在一个类接触稳定的模式下,在第三通道流程花费一到两个小时。停留时间就 足以提供所需的处理效果 ,更好于不处理的。只要稀释雨水污水的条件存在, 旁路装置就可以利用。 奥贝尔工艺中的生物持续峰流是平均流量的 7至10倍, 且保持在四到五天内即不违反排放许可。奥贝尔工艺可以设计为将硝化和反硝化同时发生在第一渠道(纳韦尔 ,1988) 。虽然阿普尔盖特 (1980)展示了在南亨茨维尔 (德州 )污水处理厂的奥贝尔工艺中 TN 高达 91%的去除率并不能保证,但 80%的去除率却是一个更现实的成就

8、。 在地中海环境下具有同步硝化 /反硝化作用的奥贝尔工艺是最具吸引力的特性。 这种说法是与现有的理论相反的, 因为硝化反硝化过程需要单独的缺氧 /好氧区(霍兰,1990)。它已经表明,在奥贝尔系统外圈通道中的溶解氧浓度保持在 几乎为零,不仅可以硝化和反硝化同时发生,而且可以缩短反应途径。代替常 规的方法在方程(1)硝酸盐不会作为中间物质产生,在方程(2)中反硝化作用将生 成亚硝酸盐。NH/ - NO5 a NO; - NO - N “aNH4 NO; NO N;O N2这个缩短的途径被称为“亚硝酸盐分流”。这项研究的目的在于:1)复制奥贝尔氧化沟系统存在的条件。2)确认同步硝化反硝化条件下可能

9、发生零溶解。3)调查“亚硝酸盐的存在分流”建议用替代的机制来解释同步硝化和反硝化作用的这一现象。材料和方法实验研究采用2L的玻璃恒化器进行无菌发酵(LH发酵),从硝化活性污泥获 取混合液培养基。在初始阶段研究使用的培养基中(毫克/升):实验室肉汁粉,200 ;尿素,47 ; NaCI,11 ; CaC12.2H20, 6.2; MgS04.7H20,3; K2HP04, 44;NaHC03, 400b准备的这2L的培养液要在120摄氏度的条件下蒸70分钟。反 应器是连续流动条件下运作,通过的释速率为0.05 /h,恒定条件为温度为200 摄氏度,PH值为7 . 2。培养液在反应器中通过蠕动泵和

10、电线以防止污染。培 养液容器的数据每天进行监测。分析方法所有的分析方法中,概述的程序遵循标准方法 (脉冲幅度分析 ,1992) 。分析:悬 浮固体浓度(称量);溶解氧浓度(整形极谱探头); pH 值( pH 探针);氧 化还原电位(氧化还原电极);氨氮;亚硝态氮(离子色谱法)和硝态氮(离 子色谱法)。结果建立硝化反应这种恒化器是通过结合活性污泥 (1 升 )和新制备的介质 (4L) 在 5 升的容器中 曝气一个星期以适应活性污泥的新媒介。在接种后 , 在恒化器中建立硝化作用 是不容易,且相当大的时间都花在优化条件的稀释率和进水氨氮浓度上。然而 当使用稀释速率为 0.01 /小时时,完全硝化作用

11、得以实现了。同步硝化反硝化的建立为了增加反硝化作用产的溶解氧浓度, 将反应器减少到两个阶段。 最初 ,浓度下 降约 4 mg / L 到 1.5 mg / L, 然后进一步减少到 0.5 mg / L 。此外,必须添加碳 源以对进水中反硝化作用提供电子。 这是通过使用酵母提取物(100 mg / L)以补 充 250 mg / L 的乙酸酯。 这对保持亚硝态氮和硝态氮和全硝化态氮的浓度无明 显影响。硝酸盐氮浓度仍始终高于 19 毫克 /升, 但大多数时候亚硝酸盐氮是无 法觉察的。氮的质量平衡在这段时期的脱氮率为 24毫克NO 3 - N / L do抑制硝化作用的第二阶段在反应器中建立的硝化和

12、反硝化,试图抑制发生在硝化反应第二阶段亚硝酸盐 转化为硝酸盐的时期。理论上应该是比较简单的,许多作者建议,环境参数在 第二阶段都比较敏感: pH 值增加;亚硝态氮浓度升高;游离氨氮浓度升高, 温度升高(兰达尔和布斯1984)。第二阶段的硝化抑制的最终目标,是在硝化 第二阶段抑制结果的条件下建立一个亚硝酸盐分流和亚硝酸盐的积累。亚硝酸 盐分流是通过硝化反应比反硝化反应产生更多的亚硝酸盐而形成的。相比之下 建立的亚硝酸盐表明,亚硝酸盐分流不发生Ammonia-NNitrate-N氨氮硝酸盐氮83周期丁呦心仏网开始时间图1增加反应器的进水氨氮和pH值对硝化程度的影响为了提高联合电离反应器中的氨的浓度

13、,且通过增加2M的氢氧化钠使反应器中 的pH值从7.2增加到8.5 (图1,阶段1)。然而这对硝化速率和硝酸盐的浓 度影响不大,仍高于30mgTL。因此下一个步骤是保持PH为8.5,增加一定的氨 在支流中通过50 mg/ L铵态氮(图1,阶段2)。此外,硝化杆菌没有抑制作用, 事实上,硝态氮量增加了一倍以上,5天后从32毫克/升变为66毫克/升。两 者均增加了,总共196.7 mg/L氨氮温度从20摄氏度变为250摄氏度(图1, 阶段3和4)。硝酸氮浓度又继续上升达到最高,为83.2 mg/ L,第二阶段仍然 不降。缺氧/好氧同时硝化脱氮循环针对难以抑制硝化菌属,另一种方法是采取缺氧期间硝化作

14、用抑制,其次是含氧 条件下为了抑制反硝化作用。如此循环开始的 24小时周期包括曝气4小时和 20小时无曝气。这产生了一个4小时的有氧阶段,溶解氧浓度达到约5毫克/ L, 随后由缺氧段的溶解氧浓度下降到零和氧化还原电位为负价值。分析了日常的 周期,同时由于这种循环作用使硝态氮的最大浓度从 40mg/L 下降到 11mg/L。 亚硝酸盐氮的浓度仍同于先前的 9mg/L。产生稳态的循环后,三次氮物种的浓 度保持恒定在 15 天(图 2)。图表,图 2,一个氮物种的出现后有氧 /缺氧的周期变化 为了获得更好的曝气周期和更详细的分析硝酸盐和亚硝酸盐的产生, 每 30分钟 将进行一次实验分析。 每日内氨氮

15、浓度保持波动在 100和 170毫克/升,在曝气 阶段溶解氧浓度峰值约在 7 毫克/ L 左右。曝气停止后溶解氧迅速减少。曝气 停止八小时后,反应器没有溶解氧且在整个缺氧期内检测到的浓度为零。反应器内容物在好氧阶段的氧化氧化还原电位测量值约70到80 mV当下降到低于300 mV时曝气停止。在24小时周期内pH值保持在8.5左右,轻微下降的pH 将在缺氧阶段观察到(表 1)。表 1,在超过 24小时的昼夜周期内,一个典型反应器内的变化。图表:时间 溶解氧 氧化还原电位 PH 氨氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮有氧时期开始 有氧期结束在硝态氮的硝化阶段,氮浓度低至 0.45 mg /L和亚硝态氮浓度低至

16、1 . 6 5mg/L。充气后有2小时的滞后期前浓度开始下降,检测这些项目将在 3-4 小时之内。在周期内没有证据表明亚硝酸盐或硝酸盐的存在。第二日的实验进行中,影响进水速率的因素是曝气阶段开始之前的时间。这将终止反硝化作用,且反硝化作用中的碳源会很快耗尽。因此它应该允许建立硝化作用的产物,且存在的亚硝酸盐分流更容易识别。通过以前做的实验,氨的 浓度波动在 100 和 170毫克/ 升之间。在曝气周期内水中的溶解氧浓度升至约 8 mg / L ,其余的周期内其慢慢地降至 4 到 5 mg / L 。碳源缺乏时,溶解氧的浓 度不下降为零时是不会发生异养作用的。这种情况反映在氧化还原电位上,一 旦

17、它们达到高峰, 整个周期将维持在 100 毫伏的。在 24 小时内由于硝化作用的 发生,pH值将缓慢下降到最6.9,并伴随着二氧化碳产生。在整个周期内亚硝态 氮和硝态氮的浓度均增加, 虽然他们的浓度仍然很低 (亚硝态氮 1.42 毫克/ 升, 硝态氮 1.92 毫克/ 升)。本实验还没有产生显着的亚硝酸盐或硝酸盐,因此亚 硝酸盐分流的存在与否它不可能得出任何结论(表 2)。 最后一日进行的实验,目的是延长曝气时间直到硝化作用达到高峰,当脱氮达 到顶峰时关掉曝气,重复这个周期过程。氨氮浓度的波动范围在 120 至 170毫 克/升之间,似乎这是整个实验的趋势。溶解氧迅速的达到最高的9 mg /

18、L 并在整个曝气周期内浓度保持 7 - 8 mg / L 。此反应共计 14 小时的曝气时间使 硝化作用已经达到顶峰。 最初曝气停止后溶解氧的浓度迅速下降 , 但仍以 1mg/L 的浓度保持八小时。反应器进行了四个小时之后,溶解氧下降到零。氮的浓度 在这日明显高于以前的实验结果,对亚硝态氮和硝态氮的浓度分别为为 15.4 mg/L, 50 mg/L (图 3)。这是第一次出现如此大量的硝态氮。一旦曝气停止, 氮气将不会像通常一样快速下降 , 大量的氮存在于反应堆中。表 2,在超过 24 小时昼夜循环期间改变反应器的内容,碳源是不存在的 图表:时间 溶解氧 氧化还原电位 PH 氨氮 亚硝酸盐氮

19、硝酸盐氮 好氧阶段开始 好氧阶段结束在 33 小时之后,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度分别下降至 25.3mg / L 和 9.6 (图 3) 。据推测,这是由于长时间曝气影响了反硝化作用,使反硝化能力减弱。图表: Air on 开启空气 air off 关闭空气 图 3 ,较长的曝气时间对一昼夜好氧 / 缺氧以周期内的反硝化能力有一定的影响 观测硝化停止点和反硝化开始点 这是硝化反硝化发生明显异常操作的条件下的实验结果。这个实验的目的是探 讨硝化和反硝化的开关之间的边界时期,并试图定义导致这样的开关条件。这 样做的最好办法是逐步调整溶氧浓度和监控亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度。现 有的溶解氧控制设施是

20、不存在的,所以唯一的选择是充气数小时,然后关闭反 应器中的曝气和监控内容。充气停止六个小时后,反应器中的溶解氧浓度下降 到零。在实验中反映了氧化还原电位读数从 +56 下降到-400 。在反硝化过程中, pH值从7.66缓慢上升到曝气时间结束时的8.72 (见表3)。表 3,停止曝气后的反应混合液的物理特性 图表:停止曝气时间(小时) 溶解氧(毫克 / 1 ) 氧化还原电位( MV) pH 值 最重要的是反应器中的氮浓度。 在结束 90分钟后的曝气周期内亚硝酸盐氮浓度 不断增加达到最大值 13.5 mg / L 。七个小时后其浓度稳步下降至零。曝气停 止三小时半后硝态氮的浓度立即从开始的5.77mg/升下降到零。这些结果表明在一个期间内,有同步硝化反硝化反应。考虑到亚硝态氮的隔离点是在开关 2 小时后,当溶解氧浓度在为 2mg

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