垃圾填埋场渗沥液处理系统中sbbr工艺的脱氮机理

垃圾填埋场渗沥液处理系统中sbbr工艺的脱氮机理

垃圾提取物是高氨氮浓度和cod含量的废水。由于c-c1比值低、ph值低、水质水量变化大等特点，已成为水处理研究领域的难题和热点。短程硝化-厌氧化反应的共同原理为高氨氮废水中的脱氮提供了一种新的高效生物脱氮方法。与传统的抗a-o生物脱氮方法相比，这条方法至少可以节省25%的能耗，不需要添加碳源。在运营过程中，污泥产量小，运营成本高（fux，2002）。2002年6月，世界上第一个以短程硝化-厌氧化反应为理论基础的工业装置是荷兰西南部的独立卫生机厂，该装置由前硝化检测器和厌氧化检测器组成（mulder，2004）。短程硝化-厌氧氨氧化应用有2种途径.一种是短程硝化与厌氧氨氧化在分开的设备中进行.VanDongen等人利用SHARON-ANAMMOX组合系统处理高氨氮废水,经过两年的连续运行,SBR反应器中超过80%的NH+4-N转化为氮气(Dongen,2001).荷兰鹿特丹Dokhaven市政废水处理场采用的就是这种工艺.另一种是短程硝化与厌氧氨氧化是在同一个反应器内完成即CANON.Sliekers等人分别选用序批式反应器(Sliekers,2002)和气提式反应器(Sliekers,2003),运用该原理进行了系列的实验研究,但是序批式反应器的氧传递效率较差使得反应器的处理效率较低,而气提式反应器则需要不断的充入含一定浓度氧气的混合气体,能耗较高.序批式生物膜反应器(SBBR)兼具生物膜反应器和SBR反应器的优点,结构上更加适合培养世代周期较长的、细胞产率低的氨氧化细菌,运行方式上有利于产物的及时转化和酸度的及时调节而不至造成细菌中毒现象.但是到目前为止,国内外的文献很少有利用单个SBBR反应器对垃圾渗滤液进行处理的报道,更加缺少在单个SBBR反应器内实现短程硝化-厌氧氨氧化的相关资料.通过自主设计的SBBR反应器进行实验考察,以期为垃圾渗滤液的高效生物脱氮提供一种新思路.1实验材料和方法exeroda1.1水浴升温控制层本实验中所采用的SBBR反应器装置(图1)为有效容积3L的圆柱形有机玻璃容器,内部填充半软性纤维组合填料,挂膜成熟的填料占反应器有效容积的30%左右.外层设计水浴恒温控制层,本实验的目标微生物群落是以亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌为主体,两者的最佳生长繁殖温度都在25～35℃之间(Hellinga,1998;Jetten,1998),因此在综合考虑各种工艺参数的同时,通过温控仪和加热器将温度控制在(32±0.4)℃.曝气系统由空压机和底部的3个微孔式曝气头(烧结砂芯)组成,通过一个可编程的时间控制器对空压机进行调控从而实现间歇式运行.1.2渗透水源水质实验用渗滤液取自长沙市某生活垃圾填埋场,水质指标见表1(水质测定均取渗滤液上清液).1.3sbbr反应器工艺流程启动前,将取自长沙市城市污水处理厂的回流污泥作为接种污泥投加到反应器中,并补加处理厂出水充满反应器.SBBR的每个运行周期为12h,分成4个阶段.①进水期:采取瞬间进水方式,在驯化阶段(0～58d)进水渗滤液原液量逐渐由200mL提高到1000mL,其NH+4-N浓度在投加之前用蒸馏水以及NH4Cl调节至450mg·L-1左右,稳定阶段(58～91d)进水稳定在1000mL;②反应期:由于在曝气阶段会产生亚硝酸盐的积累,时间过长会对亚硝酸细菌和厌氧氨氧化细菌产生毒害,所以根据前期准备实验的经验将曝气段(A)设为2h,缺氧段(O)设为1h,两者交替进行.同时采取限制曝气,将SBBR反应器内的溶解氧浓度控制在1.2～1.4mg·L-1,从而限制硝酸盐细菌的生长;③沉淀期:沉淀期为反应期的最后一个缺氧段;④滗水期:出水时间按瞬间出水计算.1.4紫外分光光度法CODCr:重铬酸钾法;NH+4-N:纳试剂比色法;NO-3-N:酚二磺酸紫外分光光度法;NO-2-N:N-萘基-乙二胺比色法;TSS:重量法;总氮:过硫酸钾紫外分光光度法;DO:溶解氧测定仪;pH值:pH测定仪(国家环保总局,2002).另外,由于在SBBR脱氮机理研究过程中,测样频繁,为减小频繁取样引起的水量波动,NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N的测量改用德国Lovibond公司生产的ET99730分光光度计,每次测量只需要0.5mL水样.2实验结果2.1sbbr回用时间及浓度反应器的启动分为驯化和稳定2个阶段,驯化阶段持续了58d,主要是对温度、pH值、NH+4-N负荷、溶解氧等工艺参数进行调控,使之适应实验所使用的垃圾渗滤液的水质情况,促进亚硝酸细菌以及厌氧氨氧化细菌的生长,使它们成为反应器内的优势菌种.在58d的驯化阶段内获取了预期的良好效果,脱氮效率由开始的25%上升到95%.驯化期的进水量变化以及反应器脱氮效率增长曲线见图2,进水量平均每6d(12个周期)增加100mL.在增加进水之后的一到两天,由于进水负荷的突然加大,脱氮效率的增加速率变慢,甚至有下降的现象,但经过一段时间的稳定,脱氮效率又恢复到逐渐增长的趋势.这说明基质浓度的冲击性变化对载体上微生物的活性产生了一定的抑制性,从而影响反应器的工作稳定性,经过一段时间的适应调整,微生物适应了负荷后,脱氮率又开始逐渐上升.驯化期结束的标志是当进水量维持在1000mL(此时NH+4-N负荷为300mg·L-1·d-1)时,反应器的脱氮率不再随时间的增加而增长,而是上下浮动.稳定阶段持续了33d,其主要作用是提高反应器脱氮性能的稳定性,结果表明,SBBR进水量稳定在1000mL的情况下,脱氮率波动幅度保持在±2%之内;稳定阶段后期对反应器抗冲击负荷性能进行了测试,当把进水量从1000mL逐渐提高到1500mL的过程中,反应器的效率有所下降,尤其是当水量增加到1500mL的时候,脱氮效率甚至下降到60%左右.但是当进水量恢复到1000mL之后,脱氮效率也逐渐恢复到原有的水平(图3).因此可以确定该反应器的最佳氨氮负荷为300mg·L-1·d-1左右,当氨氮负荷增高至450mg·L-1·d-1以上时,对反应器出水水质产生较大的影响.2.2no-2-n的浓度变化为了分析SBBR反应器内部的脱氮过程及其微生物学原理,对进入稳定期的反应器进行了单个周期内的实验分析,被测试的数据包括pH值、溶解氧浓度、NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N.每隔0.5h进行数据测量.图4为SBBR反应器内NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N浓度在一个反应周期内的变化,由图可知,在一个反应周期内,NH+4-N浓度从进水之后的242.8mg·L-1逐步降至出水的22.8mg·L-1;在缺氧阶段,NH+4-N浓度的转化速率稍微高于曝气阶段;亚硝酸盐在曝气阶段出现积累,在缺氧阶段逐渐被消耗,其浓度曲线呈现明显的波浪状;硝酸盐的产量很小,只在反应周期的后2个曝气-缺氧循环中出现积累,并且在缺氧结束之后,硝酸盐的浓度又超出了检测下限.2.3反应器ph值的影响厌氧氨氧化细菌的培养和驯化过程中,pH值是一个非常重要的环境条件,pH对厌氧氨氧化过程的影响主要来自它对细菌和基质的影响.Strous等人的研究表明,厌氧氨氧化适宜的pH范围为6.7～8.3,最大反应速率出现在pH为8.0左右(Strous,1997).而亚硝酸细菌的氨氧化和厌氧氨氧化细菌的厌氧氨氧化过程,都会对pH值产生一定的影响,因此必须对反应器的pH进行实时调控,以创造厌氧氨氧化反应发生的最佳条件.但是在反应器稳定后,即温度为(32.0±0.4)℃、DO为1.2～1.4mg·L-1及1000mL的进水量的工艺参数下,通过对单个周期内pH值变化的实验分析(图5)发现,该反应器的pH值始终维持在7.3～7.8之间,不需要外加酸碱进行pH的调整,为厌氧氨氧化细菌成为优势菌种创造了合适的pH值条件.其原因就在于SBBR反应器的高频率曝气-缺氧交替的间歇运行方式使曝气段产生的酸能够及时的被缺氧段产生的碱及时中和.3讨论3.1降低溶解氧浓度对亚硝酸盐细菌活性的影响传统的全程硝化过程中,当NH+4-N被亚硝酸细菌作为底物氧化成NO-2-N之后会随即被硝酸细菌作为底物氧化成NO-3-N,一般不会出现亚硝酸盐的积累.众所周知,硝酸细菌能够以NO-2-N为基质进行生长代谢,该过程受到氧气和亚硝酸盐供应量的双重制约,因此只要控制一个制约因子(氧气或亚硝酸盐),就能够抑制硝酸细菌活性,使硝化反应停留在亚硝化阶段.1993年Laanbroek发现降低溶解氧浓度有利于促进亚硝酸细菌的生长,能够限制硝酸细菌的生长(Laanbroek,1993);Garrido等人的研究则发现溶解氧浓度超过2.5mg·L-1时,氨会被完全转化成硝酸盐,溶解氧浓度介于1.0～2.0mg·L-1时,亚硝酸盐积累并达到最大值(Garrido,1997).因此,该反应器将溶解氧作为制约因子,采取微量曝气方式将曝气阶段的溶解氧浓度控制在1.2～1.4mg·L-1(图6).实验结果证实了以溶解氧作为控制因子的可行性,从图4可以看出在每个曝气段亚硝酸盐都迅速积累并达到最大值,硝化作用被成功的控制在亚硝酸盐阶段.同时从图4、图6中可以看到该反应器运行一个周期的过程中硝酸盐的产量很小,只在反应周期的后两个曝气-缺氧循环中才出现积累,并且在缺氧结束之后,硝酸盐的浓度又超出了检测下限.硝酸盐出现在反应周期后期的原因可能是由于后期NH+4-N供应不足,氧气相对过剩,使得环境条件有利于硝酸细菌的生长繁殖.3.2从耐氧特性中的细菌nh+4-n和no-2-n比值对从图4可以看出,在缺氧阶段氨和亚硝酸盐以一定的比例被同时转化,该现象被认为是厌氧氨氧化反应的本质特征,因此NH+4-N和NO-2-N同时被去除以及两者的去除量之比可作为厌氧氨氧化反应状况的重要判据(张少辉,2004).在反应器内基质的转变过程中,发生氨和亚硝酸盐的同步去除,表明反应器中存在厌氧氨氧化作用,即厌氧氨氧化细菌以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原为氮气.为了更好的证明这一反应的存在,计算了在缺氧阶段被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N的比值,这个比值包括两个数据,一个是从停止曝气开始到缺氧段结束的过程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N比值ⅰ,另一个是缺氧段的中间时刻到缺氧段结束的过程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N比值ⅱ,数值见表2.厌氧氨氧化细菌能够在缺氧条件下,以亚硝酸盐为氧化剂,把氨氧化为氮气和硝酸盐,并从中获得能量而生长.根据化学计量和物料衡算得到的厌氧氨氧化反应(Verstraete,1998;Strous,1999)的过程如下:NH+4+1.32NO-2+0.425CO2→1.045N2+0.22NO-3+1.87H2O+0.09OH-+0.425CH2O通过该反应式可以知道,在厌氧氨氧化过程中被消耗掉的NH+4-N和NO-2-N理论比值大约在0.758左右,缺氧段的比值ⅱ很接近这个比值,由此进一步证明了SBBR反应器的缺氧段后期,厌氧氨氧化反应占据了主导地位(左剑恶,2003).但是比值ⅰ却普遍高出理论值,可能是由于曝气停止后,反应器内依然还残留有部分溶解氧(图6),这些溶解氧的浓度还足够亚硝酸细菌维持一段时间的生命活动,一部分NH+4-N被亚硝酸细菌转化成NO-2-N,在这个过程中被消耗的NH+4-N也被计算到NH+4-N的消耗总量,导致比值ⅰ偏大.在表2中,缺氧段4的比值ⅱ特别值得注意,它比其它的3个缺氧段的比值ⅱ要低出近27%,而实际出水中NH+4-N的浓度仍然达到22.8mg·L-1,也就是说反应器内的NH+4-N即使在出水之前也没有出现不足,由此推论,当NH+4-N浓度低于一个数值之后,厌氧氨氧化细菌利用NH+4-N和NO-2-N进行厌氧氨氧化反应的速率和效率都迅速下降,脱氮效率降低,一部分厌氧氨氧化细菌转入内源呼吸过程.剩余的NO-2-N以及在厌氧氨氧化反应中产生的NO-3-N则可能通过反应器内少量的反硝化细菌转化为氮气.4sbbr反应器高频率的脱氮机制1)在SBBR反应器内保持