碳源浓度和投加方式对sbr反应器短程硝化的影响

碳源浓度和投加方式对sbr反应器短程硝化的影响

1材料和方法1.1进水、恒压测试安装如图1所示。SBR反应器的总容积为5L(有效容积为4L),其进水、曝气、沉淀、排水等操作由程序自动控制,采用瞬时(5min)进水、恒定供气的运行方式。1.2结合ceona3h2o、kh2po4及微量元素的nh3-p原水为人工配制,成分为:NH4HCO3、NaHCO3、CH3COONa·3H2O、KH2PO4及微量元素,其中NH+4-N为300mg/L,COD为400~600mg/L,PO3−443--P为3mg/L;接种污泥取自西安北石桥污水处理厂的氧化沟。1.3分析设计和方法氨氮:纳氏试剂比色法;亚硝态氮:N-1-萘基乙二胺比色法;硝态氮:紫外分光光度法;COD:重铬酸钾法;其他指标按标准方法测定。2结果与讨论2.1进水氨氮浓度对反应器的影响采用逐渐提高进水氨氮浓度的方法对污泥进行驯化、培养,为了加快培养速度保持反应器温度在28~32℃。由于污泥本身具有硝化能力,在进水氨氮浓度为50~100mg/L时,经过两天的适应就可使出水氨氮浓度<5mg/L。但当进水氨氮浓度从100mg/L增加到200mg/L时出水氨氮浓度明显增加,说明反应器受硝化菌数量的限制,不能将氨氮完全转化。又经过10d的驯化、培养,硝化细菌数量增加,出水氨氮浓度再次降低到5mg/L以下,反应器的氨氮去除负荷达到0.62kg/(m3·d),氨氮转化率为98%,标志着高氨硝化污泥驯化、培养的结束。2.2反应器内的do和ph值分布SBR的工作周期为6h,其中进水5min、曝气295min、沉淀30min、排水15min、闲置15min,采用曝气量恒定的供氧方式(曝气量为70~80L/h)。图2是一个周期内含氮化合物的浓度变化情况。由图2可知,在进水(氨氮浓度为150mg/L)结束后氨氮浓度随着反应的进行先呈直线下降(在5~180min时段),而后缓慢下降(在180~240min时段),最后基本保持不变(在240~300min时段)。这是序批式反应器内物质浓度变化的典型特征,它反映了氨氧化反应遵循Monod方程,即氨氮浓度>15mg/L时氨氧化反应属零级反应,反应速率与反应物浓度无关,反应以最大反应速率进行;当氨氮浓度<15mg/L以后氨氧化转为一级反应,反应速率因受到氨氮浓度的限制而越来越小,由于反应器内微生物的基质利用速率随着时间的变化而变化,而供氧速率保持不变,故反应器内的DO浓度必定发生变化。反应器内的DO和pH值的变化如图3所示。图2、3表明:①前期反应速率较大,使得微生物对氧的利用率大于供氧速率,所以反应器内的DO浓度很低;当氨氮浓度<15mg/L以后反应速率逐渐减小,微生物对氧的利用率逐渐降低,而供氧速率不变,故反应器内的DO浓度不断上升,直至硝化菌进入内源呼吸阶段(溶解氧水平高达6mg/L)。②由于硝化反应是一个产酸过程,为了维持反应器内的pH值在进水中加入一定量的NaHCO3,反应20min后pH值开始不断下降,但当硝化反应结束后pH值又不断上升。pH值的这种变化是合理的,因为开始时由硝化反应产生的H+多于由曝气作用引起的H+减少(CO2被吹脱所致),当硝化反应结束后曝气的持续进行使得CO2吹脱仍然存在,所以pH值呈上升趋势。③反应的前20min内在氨氧化的同时硝态氮的浓度也在下降,此时pH值有所升高,说明反应器内发生了同步硝化反硝化。2.3降压器运行情况首先控制曝气量在70~80L/h,使SBR反应阶段的溶解氧浓度呈现高、低交替的方式(见图3),称之为溶解氧变化的第一种模式;然后降低曝气量为50~60L/h,使整个周期内的溶解氧都保持在很低的水平(0~0.2mg/L),称之为溶解氧的第二种模式;最后提高曝气量(恢复为第一种溶解氧变化模式)。在此过程中系统内氨氮氧化和亚硝态氮积累的情况分别如图4、5所示。由图4、5可知,当SBR在第一种溶解氧模式下运行时,出水氨氮浓度<5mg/L,亚硝态氮积累率由最初的73%上升到90%左右,反应器处在良好的短程硝化状态;当SBR转为第二种溶解氧模式运行时,前8天出水氨氮及亚硝氮积累率基本没有变化,此后出水氨氮浓度增加到80~140mg/L(高氨出水状态持续了12d),出水亚硝态氮减少了约50%,出水硝态氮由原来的10mg/L下降到5mg/L左右,说明硝化过程在持续低溶解氧条件下受到了严重抑制;提高曝气量使SBR再次以第一种溶解氧模式运行,4d后系统即恢复正常。经分析,第一种溶解氧变化模式对氨氧化、亚硝酸盐积累的影响主要由3种原因所致。反应器内亚硝酸盐菌和亚硝酸菌争夺do在反应前期,由于需氧量大于供氧量,故反应器内的DO水平很低。此时,亚硝酸菌和硝酸菌共同争夺DO,由于亚硝酸菌对氧的亲和力大于硝酸菌,因此反应器内的氧首先被亚硝酸菌利用,硝酸菌由于得不到氧而停止呼吸,使得亚硝态氮在反应器内积累下来。高、低溶解氧交替氧化速率调整曝气量,控制反应后期反应器内的高溶解氧时间分别为10、60、120min,测定氨氧化速率和亚硝态氮氧化速率及出水中亚硝态氮和硝态氮的浓度,结果见表1。由表1可知,亚硝酸菌在高、低溶解氧交替的环境下能够保持较高的活性,氨氧化速率较大并且有随着高溶解氧时间的增加而增加的趋势,说明高溶解氧有利于亚硝酸菌恢复活性,提高氨氧化速率。而硝酸菌在此条件下则活性受到明显抑制,亚硝态氮氧化速率比氨氧化速率小一个数量级,所以亚硝态氮得以积累。随着高溶解氧时间的加长则会有更多的NO-2转化为NO-3,但硝酸菌的活性也会随着高溶解氧时间的增加而增加,所以高溶解氧阶段不宜过长,试验中控制在30min左右为宜。碳源对亚硝酸菌的影响活性污泥系统中的微生物会经常遇到物质充足和缺乏的情况,碳氧化菌为适应碳源充足、缺乏的环境而发展了特定的代谢方式——饱食饥饿特性,即碳源充足时细菌在体内储存聚合物(如PHB),但并不直接用于其生长,碳源缺乏时细菌才利用PHB。研究表明,亚硝酸菌与碳氧化菌一样具有饱食饥饿特性,即能够适应溶解氧的周期性波动。亚硝酸菌在前期的低溶解氧下,利用有限的氧氧化氨氮进行呼吸(低氧饱食阶段);当SBR进入高溶解氧且氨氮浓度很低的阶段(高氧饥饿阶段)后亚硝酸菌处于内源呼吸状态,其活性在这一时期得到恢复,硝酸菌则因不具有饱食饥饿特性而不能适应溶解氧高、低交替的环境,逐渐被淘汰。细菌计数表明,反应器稳定运行两个月后亚硝酸菌与硝酸菌的数量比为103∶1,证明SBR反应期内高、低溶解氧交替模式是获得短程硝化的关键条件,这与亚硝酸菌的饱食饥饿特性有关。2.4cod浓度及投加方式对同步硝化反硝化效率的影响在低溶解氧下的短程硝化过程中发现有总氮减少的现象,即反应器内发生了同步硝化反硝化。分析试验条件(高氨低碳水质、溶解氧水平很低、污泥絮体颗粒较大),可以推断总氮减少是由于溶氧扩散的限制而在污泥絮体内产生溶解氧梯度造成的。在污泥絮体外部亚硝酸菌利用氧把氨氧化成了亚硝酸盐,在内部的缺氧区异养菌又把部分亚硝酸盐还原成了氮气。研究表明,溶解氧浓度、有机碳源和污泥絮体结构是影响同步硝化反硝化的三个重要因素,其中有机碳源作为反硝化过程的电子供体,对同步硝化反硝化体系起着至关重要的作用。为此笔者考察了COD浓度及投加方式对同步硝化反硝化效率的影响。试验采用了三种碳源投加方式:在反应器进水期一次性加入(瞬时加入);在好氧反应期用蠕动泵连续投加碳源;在好氧反应期每隔一小时加一次碳源(半连续加入)。试验结果如表2所示(氨氮浓度为300mg/L)。由表2可知,在试验研究的范围内COD浓度对总氮去除率影响不大,而不同COD投加方式时的脱氮率明显不同,当采用一次性投加方式时COD很快就降解到较低值,随后由于碳源缺乏而使得反硝化受阻,总氮去除率只有50%~60%;当采用连续投加方式时总氮去除率提高到70%左右,这种投加方式保证了反应过程中始终都有COD存在,但反应器内碳源浓度太低,故渗透到絮体内部缺氧区的碳源有限,所以这种碳源投加方式也有局限性;半连续投加结合了上述两种碳源投加方式的优点,能保证总氮去除率>80%。利用表2中的数据可以计算出每种COD浓度及投加方式下用于脱氮的COD与碳氧化的COD的量(反应器内的反应以亚硝化反硝化为主,理论上去除1g的NO-2-N需消耗1.71g的COD),其中反硝化去除的COD所占之比例依次为5.71%、9.26%、18.56%、10.85%、37.82%、26.33%。反应器内的COD一部分用于反硝化,一部分被氧化,因此要提高同步脱氮的效率,就需提高反硝化去除COD的比例,而采用半连续投加方式时反硝化碳源所占比例最高,故其脱氮效率最高。2.5污泥沉降性能低溶解氧下短程硝化成功的例子并不多见,原因是此时污泥易发生丝状菌膨胀,但笔者的试验过程中不仅没有发生丝状菌膨胀而且污泥沉降性能极好(污泥容积指数由接种时的160mL/g降至50~60mL/g)。镜检(反应器运行第55天的污泥)显示,污泥絮凝密实并形成了较大的颗粒:污泥的平均粒径为200μm,最大可达543μm。这也说明正是由于污泥颗粒比较大而溶解氧又比较低,故在胶团内部形成了缺氧区,所以发生了同步脱氮现象。3碳源投加对亚硝酸菌全氧代酸盐系总氮去除能力的影响①在温度为21~25℃、进水氨氮浓