用ORP作为氧化沟同步硝化反硝化控制参数

1、用ORP 作为氧化沟同步硝化反硝化控制参数侯红勋1,陈伦强1,王淑莹1,T akashi M ino 2,Hiroyasu Satoh 2(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100022;2.Institute of Environmental Studies,U niversity of T o kyo ,T okyo,113-8656Japan摘 要:同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrificat ion,简称SND是氧化沟工艺实现优良脱氮效果的主要原因,为了较好实现SN D,采用O RP 作为氧化沟工艺

2、SN D 的控制参数.采用缺氧 厌氧 氧化沟模型对市政污水进行了生物脱氮研究.U OR P 在-3030mV ,NH +4和NO -3的含量均比较低,发生了较好的SND;U OR P在30mV 以上,出水的总无机氮(T IN中95%以上为NO -3,该状况下硝化效果良好,U ORP 在-30mV 以下,硝化不充分,出水的T I N 中78%以上为NH +4;U ORP 在-3030mV ,T N 的去除率在88%以上,SN D 作用去除的NO -3占总的NO -3去除的99%以上;氧化沟中的NH +4和N O -3之比的对数与U ORP 有着很好的相关性,相关系数R =-0 97.关键词:污水

3、处理;脱氮;氧化沟;同步硝化反硝化中图分类号:X 703 1文献标识码:A 文章编号:0254-0037(200612-1093-04收稿日期:2005 11 28.基金项目:国家自然科学基金项目(50521140075;国家自然科学基金资助(20377003.作者简介:侯红勋(1977-,男,河南南阳人,博士生.同步硝化反硝化为硝化和反硝化两种生物反应在同一反应器中进行的微生物反应现象.近年来有许多关于SND 的研究报道1,Hyungseok 2和Rikke 3用SBR 反应器研究发现SND 的发生,Bertanza 4研究了传统时曝气工艺中的SND,Koji 5研究了厌氧、缺氧、好氧工艺中

4、的SND,Xiaodi 6则通过氧化沟工研究了SND,多停留在SND 现象的观察分析,而对于SND 进行有效的控制方面研究较少.在实现SND 的环境中,DO 变化较快,且变化幅度大,可以作为辅助控制参数;连续流中pH 值相对稳定,且变化幅度小,受进水水质影响小,不能有效反映SND;而在连续流中ORP 相对稳定,与水中的 (O 2(OH -, (NO -3 (NH +4有较好的相关性,ORP 能很好的反映活性污泥絮体内部的微观好氧缺氧比例8.本研究通过ORP 和DO 综合控制氧化沟中的曝气量,在DO 较低情况下,ORP 能够反映活性污泥宏观和微观生态环境,定性反映活性污泥中的 (O 2 (OH

5、-, (NO -3 (NH +4,从而通过ORP 来控制系统的SND.1 试验材料与方法1 1 试验装置图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diag ram of ox idation ditch system 试验装置由进水水箱、带前置缺氧、厌氧选择区的氧化沟反应器和二沉池组成,有效容积分别为200、280和95L,试验装置示意图如图1所示.前置缺氧区、厌氧区和氧化沟的容积分别为7、21和252L,水力停留时间(H RT分别为0 5、1 5和18h.试验模型内平均流速约为1cm/s,循环一次需时57m in.在氧化沟前端的缺氧区实现前置反硝化,U ORP 在-100mV 以下,

6、而在氧化沟内,通过严格第32卷第12期2006年12月北京工业大学学报JOU RNA L OF BEIJIN G U N IVERSIT Y OF T ECHN OLO GY V ol.32N o.12Dec.2006控制曝气量,使沟中硝化反应实现的同时进行反硝化反应.在氧化沟中没有严格缺氧段也能实现总氮损失.进水由储水箱经蠕动泵与回流污泥混合进入前置缺氧区,混合液经厌氧区流入氧化沟,缺氧区和厌氧区分别设搅拌器进行搅拌,氧化沟内设曝气装置和搅拌推流装置使活性污泥在氧化沟内循环流动,泥水经二沉池分离后上清液排出系统,大部分污泥回流入前置缺氧区,剩余污泥定期排放.在氧化沟的出水口处设置DO 、OR

7、P 、pH 在线测定仪.1 2 活性污泥和试验用水该研究在北京市某大型氧化沟工艺污水处理厂进行,接种污泥来自该水厂的回流污泥,试验用水取自该水厂的曝气沉砂池.中试用水为城市市政污水.原水中 COD , BOD , (NH +4, T N 和 TP 分别为260430、160230、35 551 2、55 466 8和7 18 0mg/L.pH 为7 47 5, MLSS 为5 56 0g/L, V SS 为2 93 5g/L,温度1724 .2 试验结果与讨论氧化沟工艺为传统的污水处理工艺,实现SND 生物脱氮更是得天独厚的.主要因为该工艺HRT 通常为1430h,较长的H RT 使氧化沟中底

8、物浓度较低,需要相对较低的DO 浓度.通常氧化沟工艺平均DO 在0 5mg/L 以下,形成好氧-缺氧的DO 梯度,产生了一个很好的好氧-缺氧微环境,在絮体外缘进行了好氧硝化反应,同时在絮体深层进行缺氧反硝化反应.氧化沟中,曝气池HRT 为18h.污水在沟中快速循环,稳定状态下,在沟内2个曝气头之间的DO 梯度和ORP 梯度不明显.DO 在0 061 5mg/L,相对变化幅度较大;而稳定状态下U ORP 受曝气和水流流态影响较小,在氧化沟中相对比较稳定,通常在-5050mV,相对变化幅度较小(总体变化幅度为-400400mV,故采用U ORP 作为SND 的控制参数.图2 不同ORP 状态下的N

9、H +4,N O -3和T IN 的变化F ig.2 V ar iations of N H +4,N O -3and T IN in t he effluent during different O RP conditions 曝气量对试验结果的影响较大,试验过程采用转子流量计对曝气量进行微调,使ORP 稳定在较小范围内.经过连续3个月试验,缓慢调节曝气量,连续检测氧化沟出水的NH +4,NO -3,NO -2等指标,通过在线ORP 仪、DO 仪和pH 仪反馈信息对曝气量进行微调.检测出水中的NH +4,NO -3(本研究中 (NO -2很低,在1 0mg /L 以下.TIN(NH +4、N

10、O -2和NO -3之和与ORP 的变化关系图如图2所示.由图2可知,U ORP 在30mV 以上时,氧化沟内曝气量充分,硝化比较充分,出水中的总无机氮中95%以上为NO -3.U ORP 在-30mV 以下时,氧化沟曝气量不足,硝化不充分,出水中的TIN 中78%以上为NH +4.U ORP 在-3030mV 区域内,SND 在该状态下能顺利进行,出水NH +4和NO -3均较低.该状态是一个过渡状态,相对难以控制.若曝气量或者进水负荷在一定时间有较大变化,该状态就会向2种状态转化.氧化沟工艺H RT 较长,抗冲击负荷能力较强,这一状态能够被稳定控制.本研究工艺生物脱氮的反硝化分2部分,一个

11、是在前置缺氧区(选择区的反硝化过程,另一个是在氧化沟内宏观的缺氧区反硝化和微观缺氧反硝化过程,前者为常规的反硝化,后者为SND.在曝气充分的情况下,氧化沟出水含有部分NO -3,部分NO -3随回流污泥回到前置缺氧区通过类似于A/O 工艺的缺氧反硝化被还原为氮气去除;在曝气不充足的状态下,氧化沟中产生的NO -3大部分在曝气池产生的过程中即被还原,沟中NO -3保持在较低的水平下,此时系统的反硝化大部分发生在氧化沟曝气池中.图3为不同ORP 状态下SND 对于全部反硝化的贡献所占的比例以及总氮的去除率.1094北 京 工 业 大 学 学 报2006年U ORP 在-3030mV,TN 的去除率

12、在88%以上,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除的99%以上.SND 作用对TN 去除的百分比在80%以上,SND 对TN 去除平均占系统TN 去除作用的90%.回流至前置缺氧区的NO -3含量较低;曝气量加大,ORP 升高,SND 作用去除的NO -3占总的NO -3去除份额减少,一部分NO -3回流至前置缺氧段反硝化,部分NO -3排入水体;曝气量较小时,ORP 较低,系统反硝化充分,NH +4不完全硝化,出水有NH +4超标风险.U ORP 在-80100mV,O 2/OH -保持相对稳定,对ORP 的影响不大,ORP 主要受NH +4和NO -3的影响.试验期间,氧化沟末

13、端的DO 在0 10 5mg /L,pH 值为7 47 8.氧化沟的H RT 较长,对各种物质都有较强的缓冲能力,加上严格控制曝气量,使SND 在一个较为稳定的状态,这种状态下,DO 变化幅度不大,且浓度比较低,出水口处距离曝气点相对较远,所以出水口处的DO 更能够保持在比较稳定的状态下,同时连续流过程中,出口处的pH 值也维持在较窄的变化范围内,保持相对稳定,O 2/OH -对系统ORP的影响不大.氧化沟中的NH +4和NO -3之比的对数与U ORP 有着很好的相关性lg( (NH +4/ (NO -3=-0 030!U ORP -0 017(1式中相关系数R =-0.97,lg( (NH

14、 +4/ (NO -3与ORP 的相关关系如图4所示 .图3 T N 的去除率和SN D 对T N 去除的百分比F ig.3 Rste of T N remo val and t he percent of SN D to T N 图4 lg ( (NH +4/ (N O -3与ORP 的关系F ig.4 Rclation between lg ( (NH +4/ (N O -3and OR PU ORP 与lg( (NH +4/ (NO -3有着较好的相关性,说明U ORP 可以很好指示SND 的进行状况.实际运行中,将ORP 和DO 仪结合使用,同时参考运行过程中NH +4和NO -3的变

15、化情况,来指导实际水厂运行.3 结论本研究用ORP 作为氧化沟工艺SND 的控制参数对该工艺SND 进行了探讨.1U ORP 在30mV 以上,出水中的TIN 中95%以上为NO -3,该状况下硝化效果良好;U ORP 在-30mV 以下,硝化不充分,出水中的T IN 中78%以上为NH +4,U ORP 越低,硝化越不充分;U ORP 在-3030mV,NH +4和NO -3的含量均比较低,此时发生了较好的SND;2通过对不同U ORP 状态下SND 对于全部反硝化的贡献所占的比例以及总氮的去除率进行研究发现,U ORP 在-3030m V 时,T N 的去除率在88%以上,SND 作用去除

16、的NO -3占总的NO -3去除的99%以上.SND 作用对TN 去除的百分比在80%以上;3U ORP 在-7080mV,O 2/OH -保持相对稳定,对U ORP 的影响不大,ORP 主要受NH +4和NO -3的影响.氧化沟中的NH +4和NO -3的对数与U ORP 有着很好的相关性,相关系数R =-0 97.参考文献:1HOL MA N J B,WAR EHA M D G.COD,ammonia and dissolved ox ygen time profiles in t he simultaneous nitrificat ion/denitrifacat ion proces

17、sJ.Biochemical Engineer ing Jour nal,2005(22:125 33.2HYN GSEO K Y ,K YU HON G A ,HY UN G JIB L ,et al.Nitrogen remo val from synthetic w astew ater by simultaneous nitri ficat ion and denitrification (SNDvia nitrite in an inter mittently aerated reactor J.Wat.Res,1999:33(1:145 54.1095第12期侯红勋等:用ORP 作

18、为氧化沟同步硝化反硝化控制参数1096北 京 工 业 大 学 学 报2006年3R IKK E L M,RA YM ON D J Z,VAL ERIO G,et al.Challeng es for simultaneous nitrification,denitr ification,and phosphorus remov al in microbial aggr egates:mass transfer limitation and nitrous oxide productio nJ.F EM S M icrobiology Ecology, 2005(52:329 38.4BERT

19、A NZA G.Simultaneous nitrification denitr ifacation process in extended aer at ion plants:pilot and real scale ex periencesJ.W at.sci.tech,1997,35(6:53 61.5K OJI M,T AK AHIK O N,M ASAHI DE G,et al.Character istics of nitrification and denitrification of the media anaerobicanoxic ox ic processJ.Wat.s

20、ci.tech,1996,34(12:137 143.6X IAODI H,HAN S J D,JOHN W G.Conditions and mechanisms affect ing simultaneous nitr ification and denitr ification in apasveer ox idation ditchJ.Bior esource T echnolog y,1997(59:207 215.7F U ERHACKER M,BA U ER H,ELL IN GER R,et al.Approach for a novel co ntrol strategy f

21、or simultaneous nitr ificatio ndenitr ification in activated sludg e r eactorsJ.Wat.Res,2000,34(9:2499 2506.8BA IK U N L,PAU L L,BISHOP.M icro pro files of activated sludge floc deter mined using microelectrodesJ.Wat.Res,2004(38:1248 1258.Use ORP to Control Simultaneous Nitrification andDenitrificat

22、ion in Oxidation Ditch ProcessH OU Hong x un1,CH EN Lun qiang1,WANG Shu y ing1,T akashi Mino2,H iroyasu Satoh2(1.K ey Laborator y of Beijing for Water Q uality Science and W ater Environment Recovery Engineering,Beijing U niversity of T echnolog y,Beijing100022,China; 2.I nstitute of Environmental Studies,U niversity of T okyo,T oky o,113-8656,JapanAbstract:Simultaneous nitrification and denitrification(SNDis the main reason to the high nitrogen