sharon工艺处理高浓度低碳氮废水的研究

sharon工艺处理高浓度低碳氮废水的研究

传统的生物脱氮理论认为，生物脱氮包括两个阶段：硝化和反硝化。硝化阶段分为两层：氨氧化和亚硝酸盐氧化，即nh4+no2-u3-；反硝化可分为两层：亚硝酸盐还原和亚硝酸盐还原，即no3-、no2-和b2。不同的反应需在不同的细菌和环境下完成,这就决定了反应的的时空不同步性,直接导致了反应器数量的增加、基建费用上升、处理成本增加,而且处理时间延长,有机物需求量大,曝气量增加。这些传统工艺脱氮的不足促使了人们探讨各种更加方便、易控制、费用低的工艺。其中一种短程硝化反硝化工艺——SHARON(singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite)工艺,是由荷兰Delft工业大学于1997年提出并开发的一种新型废水生物脱氮工艺,它在理念和技术上突破了传统硝化反硝化的框架,把短程硝化反硝化放置在一个反应器内进行,因而反应器数量减少,处理费用降低,同时可节省曝气量、有机物及中和化学药剂,缩短了处理时间,且利于管理操作。1工艺原理1.1硝化反硝化的可能性1.1.1itroperia类耐药从进化谱系上看,亚硝酸细菌与硝酸细菌之间的亲缘关系并不密切。所有分离的亚硝酸细菌都被归入proteobacteria门中的β-Proteobacteria纲或γ-Proteobacteria纲。所有分离的硝酸细菌除Nitrospira以外都被归入α-Proteobacteria纲、γ-Proteobacteria纲、δ-Proteobacteria纲,Nitrospira被归入单独设立的Nitrospira门。除了γ-Proteobacteria纲中Nitrosococcus与Nitrococcus的少数具有相对较近的亲缘关系外,其他绝大多数菌株的亲缘关系都相距很远。在各种生境中,亚硝酸盐与硝酸盐细菌彼此为邻并无进化谱系上的必然性,它们完全可以独立生活。当温度升高时,亚硝酸细菌比硝酸细菌的世代时间短,通过控制污泥停留时间,使其小于硝酸细菌的世代时间而大于亚硝酸细菌的世代时间,硝酸细菌就会随着出水带出,反应器中留下来的优势菌种就是亚硝酸细菌,从而实现短程硝化。1.1.2亚硝酸细菌生长速率式中:μ——细菌比增长速率,即单位生物量的增长速率,d-1;μmax——比最大增长速率,d-1;S——限制性微生物增长的基质质量浓度,mg/L;KS——饱和常数,mg/L。当限制性基质浓度很高(S!KS)时,细菌比增长速率等于最大比生长速率,由于NH3是亚硝酸菌的真正基质,SHARON工艺在高基质浓度下运作,因此亚硝酸细菌以最大速率生长。但NH3同时又可作为抑制剂抑制亚硝酸细菌和硝酸细菌的活性,目前所报道的抑制浓度有较大差别,A.C.Anthonisen等通过分批试验发现,NH3对硝酸细菌的抑制质量浓度为0.1~1.0mg/L,对亚硝酸细菌的抑制质量浓度为10~150mg/L,而F.Christian等认为,当NH3质量浓度>5mg/L时就会对亚硝酸细菌产生抑制作用,尽管不同文献报道的NH3抑制浓度差异较大,但从总体上反映NH3对硝酸菌的抑制浓度应小于亚硝酸菌,因此可以调控反应器中的NH3浓度达到亚硝酸细菌的积累。1.1.3细菌回复突变与亚硝酸细菌回复突变的反应SHARON工艺采用的是连续流全混合反应器(CSTR),水力停留时间(HRT)等于污泥停留时间(SRT),因此可以调控HRT使亚硝酸细菌和生长快的反硝化微生物种群留在反应器,而硝酸细菌和生长慢的反硝化细菌流出反应器,实现短程硝化和反硝化。SHARON工艺采用间歇供氧方式,使硝化和反硝化反应交替进行,可以充分利用反硝化过程产生的碱度来中和硝化作用产生的酸度,并且在反应器中强化对混合液CO2的吹脱,使得反应器中的pH始终保持在有利于生物脱氮的范围(7.0~8.5)。1.2sharon工艺控制环境因素根据最小因子定律,生物生长受制于相对数量最少的营养物质(限制性营养物质),改善营养条件将促进细菌生长,在SHARON工艺中通常将氨控制在较高的水平,装置内富集的显然是快生型亚硝酸细菌和反硝化细菌。根据耐受性定律,每种生物对环境因素都有一个耐受范围,任何环境因素超过某种生物的耐受限度(上限或下限),都会影响该种生物的生存,因此SHARON工艺通过控制温度、pH、溶解氧等环境因素来维持短程硝化反硝化。传统观念认为,反应器中的微生物数量越高对反应越有利,所以一般通过改善生物沉降性能(例如,污泥颗粒化)和优化反应器结构(例如,设置三相分离器或安装填料)的方法来积累生物体,这些方法对于单一微生物参加的反应是有利的,但是对于SHARON工艺,反应器中存在着多种细菌,要富集亚硝酸细菌,必须通过排掉增长慢的硝酸细菌才能获得更大比例的亚硝酸细菌,因此反应器在设计时不采用持留菌体,而是通过优化营养条件和环境条件来保证反应所需的菌体数量。2sharon技术的要点2.1ph对sharon工艺的影响温度对生物反应有很大的影响。升高温度,一方面可加快酶促反应,另一方面也可加快酶的变性失活。C.Hellinga等认为,在常温(5~20℃)下,由于亚硝酸细菌的生长速率小于硝酸细菌,前者产生的亚硝酸盐很容易被后者氧化成硝酸盐,但当温度高于20℃时,亚硝酸细菌的生长速率大于硝酸细菌,在考虑富集亚硝酸细菌和减低能耗的条件下,工艺的操作温度控制在30~35℃。pH对SHARON工艺的影响主要体现在两个方面,其一是pH超出硝化细菌的耐受限度,其二是pH影响基质的有效性或抑制剂的毒性。亚硝酸菌的适宜pH在7.0~8.5,而硝酸菌的适宜pH在6.0~7.5,两者在不同的pH下的最小污泥停留时间不同,因此可通过调控工艺的pH淘汰硝酸细菌。由反应式(Ka为反应常数)可得反应器中的浓度与pH关系为:,在正常生物处理系统中,NH4+是氨的主要存在形式,提高pH可以增加NH3的分配比,即亚硝酸菌的基质,有利于富集亚硝酸菌,而且可以抑制硝酸菌的生长。HNO2对微生物生长有抑制作用,由反应式可知反应器中的与pH的关系为:,在正常的生物处理系统中,NO2-是亚硝氮的主要存在形式;升高pH可以减少HNO2的分配百分数,减少对微生物的抑制。2.3低do对亚硝酸菌的影响溶解氧(DO)是控制亚硝酸盐积累的关键参数之一,DO浓度不能太高,太高会使亚硝酸盐氧化,不利于亚硝酸盐的积累,但也不能太低,太低会造成供氧不足,不利于亚硝酸盐的生成。H.Keisuke研究表明,低DO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,使得整个硝化阶段中氨氧化未受到很大影响,而低DO对硝酸菌有明显抑制作用,因而低DO有利亚硝酸积累。H.J.Laanbroek等的研究进一步表明,低DO下亚硝酸菌大量积累是由于亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸菌强,亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2~0.4mg/L,硝酸菌氧饱和常数为1.2~1.5mg/L。在温度25℃、pH7.5、HRT8d、DO6.7mg/L的条件下,N.europaea(亚硝酸菌)的生长速率明显小于N.winogradskyi(硝酸菌),两者的细胞数量之比为0.37,维持温度、pH不变,HRT1.8d,DO浓度降低到接近零时,N.europaea(亚硝酸菌)的生长速率远远超过N.winogradskyi(硝酸菌),两者的细胞数量之比为170。在SHARON工艺中,DO宜控制在1.0~1.5mg/L,供氧方式可采用间歇曝气。2.4预处理+蒸发负荷分为容积负荷和污泥负荷,容积负荷与废水流量和废水中基质浓度直接相关。假设废水流量不变,那么容积负荷取决于废水中基质浓度,进入反应器的废水中基质浓度越高,容积负荷也越高。进水中基质浓度受制于基质抑制浓度和出水排放要求。如果基质浓度超过抑制浓度,反应器的稳定性就会受到较大影响;如果出水不能达到排放要求,反应器的作用将会降低。假设废水中基质浓度不变,那么容积负荷取决于废水流量,进入反应器的废水流量越大,致使HRT越小,污泥停留时间小于细菌最大比增长速率,反应器内的菌体就会流失,反应器的功能也将失去。即使反应器内细菌浓度保持稳定,也需要一定的反应时间,以使基质浓度降低至出水排放要求。SHARON工艺常见的氨负荷为0.35~1.50kg/(m3·d)。污泥负荷可以根据微生物浓度和容积负荷得出,SHARON工艺常用的污泥(以VSS计)氨负荷为0.12~1.67kg/(kg·d)。由于亚硝酸菌的倍增时间短于硝酸菌,通过控制泥龄可逐渐带出硝酸菌而留下亚硝酸菌,从而实现短程硝化。在确保带出硝酸菌的前提下,应尽可能延长水力停留时间,使生物脱氮达到较高的程度,并使反应器稳定运行。R.VanKempen等根据SHARON工艺生产应用的经验,推荐将泥龄控制在1.0~2.5d。3膜序批式反应器短程硝化反硝化脱氮技术与传统生物脱氮相比,工艺操作、反应器构造、运行费用等都具有很大的优越性,国内外也有许多研究者在从事这方面的研究工作。虽然SHARON工艺是个成功的例子,但它是通过温度、pH、溶解氧、水力停留时间、泥龄等参数来实现短程硝化反硝化,其目的在于提供亚硝酸菌的生存环境,抑制硝酸菌的生存环境来富集亚硝酸菌,不同的水质可能所要求的各项调控参数不尽相同,同时也存在一些问题,如硝酸菌会逐步适应高NH3,致使亚硝酸盐浓度下降,硝酸盐浓度上升;冬季维持30℃以上的温度需消耗较高的能源;进水水质波动较大时,会影响菌种数量和类型,影响出水水质。另外李春杰等采