实时控制交替好氧缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺研究

实时控制交替好氧缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺研究

由于传统活性污污泥处理的硝化作用不完全，反硝化作用很少。总氮的去除率仅为10%30%，水中还含有大量氮和磷。因此，只有改进传统的活性废水处理方法，加强生物脱氮功能，才能解决水体日益激烈的“富营养化”问题。近年来,污水生物脱氮技术已成为当今水污染控制领域中的一个重要研究方向,已引起世界各国的普遍关注.生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成,即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮,再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出.传统生物脱氮过程中硝化作用的最终产物是硝酸盐,反硝化作用以NO-3为电子受体,实际上,从氮的微生物转化过程来看,氨被氧化为硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开.对于反硝化菌,无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均可以作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经NH+4→NO-2→N2这样的途径完成,人们把经此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生物脱氮工艺.从反应历程来看,短程硝化-反硝化生物脱氮工艺比传统生物脱氮过程减少两步,因而它具有降低能耗、节省碳源、减少污泥生成量、反应器容积小及占地面积小等优点,因此,它越来越受到国内外污水处理专家的重视,并成为污水生物脱氮研究领域的热点.但经过对当前国内外污水处理短程硝化反硝化生物脱氮工艺研究现状的分析,发现目前研究的短程硝化反硝化生物脱氮工艺普遍存在对反应温度和pH值要求较高,同时硝化类型不稳定,易向传统全程硝化转化等问题.例如,荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺要求废水水温要在30～35℃才能稳定实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺.然而,我们知道,很少有满足这种温度条件的废水.此外,控制pH值和游离氨实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺一般要求pH在8以上才能获得稳定的亚硝酸盐积累.城市污水的pH值大多数情况下属于中性,而工业废水的pH值较复杂.如果被处理水属于中性或酸性,那么,采用pH值控制实现短程硝化工艺就必须向水中投加碱性物质,这样势必增加运行成本.当被处理水属于碱性时,是否可直接应用控制pH值实现短程硝化脱氮工艺还应视废水的pH值而定.因为硝化过程是一个消耗碱度的过程,产生的H+会不断中和废水中的OH-,使废水的pH值逐渐降低.当pH值低于抑制硝酸菌的阈值时,硝酸菌就会增殖,硝化类型就会向全程转化,此时,为获得短程硝化脱氮过程,就必须向废水中投加碱性物质.因此,控制pH值实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺仅适合于高pH值的废水,该工艺同样存在一定局限性.除此之外,我们前期研究还发现亚硝酸盐浓度累计到一定程度将对亚硝酸菌产生抑制作用,从而降低硝化反应速率.为解决以上问题,受文献启发,并在前期工作的基础上,对SBR法短程硝化反硝化生物脱氮工艺进行改进,即采用交替好氧/缺氧运行方式实现SBR法短程硝化反硝化脱氮工艺.2反应器内水温的控制本研究采用的试验装置为SBR反应器,由有机玻璃制成(如图1所示).上部为圆柱形,底部呈圆锥体,高700mm,直径300mm,总有效容积38L.在反应器壁上的垂直方向设置一排间距50mm的取样口,用以取样和排水;底部设有排泥管;以粘砂块作为微孔曝气器,采用鼓风曝气,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pHS-3CpH计和具有Ag/AgCl复合电极的哈纳pH211型ORP仪分别在线测定反应过程中的pH值和ORP(氧化还原电位)值,并根据反应阶段ORP和pH值的变化逐时取样测定COD,NH+4-N,NO-2-N,NO-3-N,MLSS和碱度等指标.试验用废水取自某豆腐加工厂排放的黄泔水,为了便于研究,本试验用自来水对黄泔水进行了稀释,使进水COD值满足试验要求,并根据试验投加一定量氯化铵来维持反应器内氨氮浓度.试验中所采用的分析方法均按照国家环境保护局发布的标准方法.并且文中给出的试验结果都是经过几个运行周期试验得出重现性很好的试验数据.2工艺实现与试验数据本研究拟采用2种方法实现交替好氧/缺氧短程硝化反硝化,即固定时间控制策略和实时控制策略.在此基础上,对交替短程硝化反硝化脱氮工艺与传统SBR法短程硝化反硝化脱氮工艺进行比较,并做出科学的评价.为了使上述2种方法实现的交替好氧/缺氧短程硝化反硝化与传统SBR法短程硝化反硝化具有可比性,以上3种工艺均在大小、体积和结构完全相同的反应器内实现,反应器内的种泥是由其它反应器排放的剩余污泥经平均分配获得的.整个试验过程中获得的试验数据也均是在相同的试验条件下(即维持进水COD值、氨氮浓度和初始混合液污泥浓度近似相等,同时恒定曝气量和反应器温度控制在一定水平上)运行几个周期后得到的.试验过程中曝气量恒定在0.6m3·h-1;控制进水COD和氨氮浓度在300mg·L-1和63mg·L-1左右;同时反应器内温度保持在(26±1)℃(远低于SHARON原理温度);通过定期排泥使反应器内初始混合液污泥浓度始终保持在4.5g·L-1左右.另外,实际运行过程中选择豆制品废水作为反硝化阶段投加的碳源,投加方式采用根据生成的亚硝酸盐浓度大小一次性投加所需的碳源量.3种工艺运行工况如表1所示.3结果和分析3.1硝化反应的时间控制目前研究交替好氧/缺氧脱氮工艺多集中在连续流活性污泥法中.但是,这些研究中,好氧/缺氧的时间分配都是采用固定时间控制,这种时间控制策略很难满足实际工程中污染物浓度的变化.因此,在前期对过程控制研究的基础上,提出实时控制策略实现交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮新工艺.为了更好地比较实时控制和时间控制实现交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮过程,首先进行了预先设定时间控制交替好氧/缺氧脱氮工艺研究.根据传统SBR短程硝化反硝化脱氮工艺所获取的运行参数,把一个SBR运行周期分成2个子周期,每个子周期包括好氧和缺氧2个阶段,这2个阶段分别由曝气装置和搅拌设备来控制.而在交替好氧/缺氧的时间分配上,采用的是平均分配的方法,即把传统SBR法硝化反应需要的时间平分为2部分,同时考虑硝化反应的滞后性.所得出的时间控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化运行方案如表1所示.试验结果见图2.图中用虚线将整个反应过程分成4个区域,即交替进行好氧硝化和缺氧反硝化.从图中还可以看出,在2次硝化反应过程中,随着硝化反应的进行,反应器内氨氮浓度逐渐降低,同时亚硝酸盐氮浓度逐渐升高.由于本研究硝化类型属于短程硝化反硝化([NO-2]/[NO-X]>95%),因此,硝酸盐氮浓度很低,2次硝化过程中硝酸盐氮浓度均低于1mg·L-1.出水中未检测出亚硝酸盐氮的存在.这说明反硝化作用是很彻底的.从图2中也可以看出,在硝化和反硝化反应时间安排上存在一些问题:(1)第1阶段硝化反应的时间分配偏少.图中显示经过4h的硝化,亚硝酸盐氮的产生量不到10mg·L-1,如此少的亚硝酸盐氮经反硝化还原产生的碱度也将较少,因此,第1阶段反硝化产生的碱度为第2阶段硝化所利用的意义不大.(2)第1阶段反硝化反应的时间分配偏多.图2显示,在反硝化10min时,水中就检测不到亚硝酸盐氮,这主要与产生的亚硝酸盐氮浓度低和投加的碳源量多有关.而预先设定的第1阶段反硝化时间是30min,因此,多出的20min厌氧搅拌不仅造成能源的浪费而且易使硝化菌活性降低.(3)第2阶段硝化反应时间分配不足.从图2看出,第2阶段硝化过程停止曝气时,反应器中氨氮仍有剩余,约10mg·L-1左右.由此得出,停止曝气时,硝化反应并没有结束.(4)第2阶段反硝化反应时间分配过剩.图中显示,第2阶段反硝化共布设了2个检测点,均未检测出亚硝酸盐氮浓度,可以依此推论,反硝化所需时间小于等于30min.因此,与预先设定的反硝化时间相比,将有近30min的时间浪费.综上,当进水COD和氨氮浓度变化不大时,按照此时间分配方案进行交替好氧/缺氧短程硝化反硝化或许能够达到预期的目的.然而实际工程中,进水水质和水量随时间波动较大,同时生物处理系统本身又具有复杂性,因此,很难掌握曝气和搅拌时间的合理分配.3.1.2和其它原因反应的反应特性为了解决预先设定时间控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化运行中存在的问题,在前期对污水处理实时控制参数研究的基础上,提出采用实时控制策略实现交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮,控制参数选择氧化还原电位(ORP)和pH值.在交替好氧/缺氧短程硝化反硝化过程中,通过在线检测ORP和pH值把握短程硝化反硝化的进程,实时调节曝气和搅拌时间,经过十几个周期的运行,获得了稳定的处理效果.图3显示了一个反应周期反应器内ORP和pH的变化规律及NH+4-N,NO-2-N和NO-3-N的转化过程.从图3中可以看出,ORP和pH总的变化趋势同前面研究基本相同,所不同的是由于在硝化阶段增加了一个缺氧反硝化过程,使得ORP和pH的变化表现出交替好氧/缺氧的特征.整个脱氮过程类似于预先设定时间控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化过程,也分为2个阶段,每个阶段又都包含硝化和反硝化过程.ORP在曝气起始阶段首先表现出下降趋势,50min左右达到最低点,然后开始升高,升高的速率为先慢后快,最后速率趋于稳定.根据前面的研究,ORP曲线的下降表示了微生物对有机物和氨氮的吸附和利用;经过最低点后,ORP开始缓慢攀升,结合图4和图5,此阶段仍然以降解有机物为主,硝化作用还很弱.随着继续曝气,在120min左右ORP曲线有个快速跃升(P点),对照图中NH+4-N,NO-2-N和NO-3-N的变化以及图4和图5中碱度和COD的变化,这一快速跃升点(P点)表明从此点开始耗氧有机物基本不再降解,系统开始进入硝化阶段.在交替好氧/缺氧短程硝化反硝化工艺中,这一点又定义为第1判断点,即第1阶段的曝气时间必须大于该点出现的时间,避免提前结束曝气.随着硝化作用的进行,反应器中氨氮的浓度逐渐减小,亚硝酸盐氮的浓度逐渐升高,当反应进行到200min左右时(Q点),ORP的变化速率趋于稳定,定义此时的变化点为第2判断点,即此时反应器内亚硝酸盐氮有了一定积累,那么,Q点是否可以作为停止曝气的标志呢?经过大量试验发现,此点停止曝气进行缺氧反硝化虽然能够及时的减少反应器内亚硝酸盐氮积累和产生一部分碱度,但是并不能够充分发挥交替好氧/缺氧短程硝化反硝化的优势.因此,经过Q点后,又曝气了一段时间,此间ORP变化率很小,然后停止曝气进入第1阶段反硝化.第2阶段ORP的变化类似于第1阶段,所不同的是硝化结束时ORP有特征点出现(R点),有关这方面的理论解释参见参考文献.图5中缺氧反硝化开始阶段COD升高是因外加碳源引起的.随着反硝化的进行,COD逐渐减小.与ORP变化相对应,pH在交替好氧/缺氧短程硝化反硝化工艺中也同样存在以上特征点(图3),具体解释参见参考文献.两个阶段反硝化时间的判定仍然依靠传统SBR法短程反硝化所获得的控制策略,即pH由升高转为下降指示着反硝化的结束.因此,在交替好氧/缺氧短程硝化反硝化过程中,根据反应器内ORP和pH值的变化,可以合理控制好氧/缺氧交替时间.3.2工艺主要特点和评价交替好氧/缺氧脱氮工艺突出的优点是节省硝化过程的碱度投加量.为了具有可比性,选择3种工艺初始重碳酸盐碱度为270～280mg·L-1,对于方案设计中给定的进水氨氮浓度和COD,此碱度略显不足.两种交替好氧/缺氧脱氮工艺数据取自3.1节交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺.实时控制传统SBR法短程硝化反硝化生物脱氮工艺试验结果见图6和图7.由图6可以看出,由于碱度不足,硝化结束时,仍残留部分氨氮没有被去除(2mg·L-1左右).同时,硝化结束时ORP和pH曲线上的特征点不明显,给判断何时停止曝气带来困难.由于异养菌和自养菌对溶解氧的饱和亲合度不同,使得硝化反应常常发生在耗氧有机物降解完成之后,因此,3种工艺对有机物的去除效率基本相同,出水COD均达到100mg·L-1以下,符合国家《污水综合排放标准》.而对氨氮和总氮的去除,不同工艺表现出不同的特点.首先,在预先设定时间控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺中,由于2段好氧/缺氧时间设定的不合理,造成曝气结束时出水中仍存留10mg·L-1左右的氨氮(图2),这样,引起反应器最终出水中的氨氮浓度较高(12mg·L-1左右).其次,在由ORP和pH作为实时控制参数适时控制的传统SBR短程硝化反硝化脱氮工艺中,由于初始碱度的不足,造成硝化不完全,曝气结束时出水中仍有2mg·L-1左右的氨氮没有被利用(图6),而此时重碳酸盐碱度已消耗待尽(图7).最后,在由ORP和pH作为实时控制参数适时控制的交替好氧/缺氧SBR短程硝化反硝化脱氮工艺中,由于交替好氧/缺氧这种运行方式,使得在第1阶段反硝化产生的碱度可以为第2阶段硝化所利用,以补充原始反应器内碱度的不足.由图4所示,在第1阶段反硝化过程中产生了72mg·L-1的重碳酸盐碱度,这部分碱度为后续的硝化反应的完成提供了保证,同时也使在pH变化曲线上能够出现表征硝化反应结束时的特征点.因此,采用实时控制实现的交替好氧/缺氧短程硝化反硝化工艺不仅硝化完全,而且这种运行方式还有利于抑制异化反硝化的发生,使反应器最终出水中基本检测不到氨氮浓度.为了对3种脱氮工艺进行全面、科学的评价,分别计算了3种工艺的硝化速率和硝化时间以及反硝化速率和反硝化时间,列于表2中.表中υ1N和υ1DN分别表示第1阶段的硝化速率和反硝化速率,T1N和T1DN表示第1阶段的硝化时间和反硝化时间;同理,υ2N、υ2DN、t2N和t2DN分别表示第2阶段的硝化速率、反硝化速率、硝化时间和反硝化时间.由表2可以看出,实时控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化脱氮工艺的硝化速率最快,其硝化速率为预先设定时间控制好氧/缺氧短程硝化反硝化工艺和实时控制传统SBR法短程硝化反硝化脱氮工艺的1.38倍和1.82倍.而从硝化时间和反硝化时间来看,固定时间控制交替好氧/缺氧短程硝化反硝化工艺问题最大,因为该工艺的硝化时间和反硝化时间是人为根据经验设定的,本研究中硝化时间设计偏小,为325min;而反硝化时间却设计偏大,为90min,是3种工艺中最长的.