连续流短程同步硝化反硝化工艺的研究

连续流短程同步硝化反硝化工艺的研究

短程硝化反硝化将硝化过程控制在亚硝化阶段，然后反硝化。1975年Voets发现在硝化过程中亚硝酸积累的现象并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮。与传统硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有节省约25%能耗、40%碳源,缩短反应时间大幅度降低污泥量等优点成为生物脱氮领域的研究热点。目前,国内外学者大多采用MBR研究短程同步硝化反硝化,这就使硝化反硝化是先后进行而非同时进行,在一定程度上增加了反应时间和反应池的占地面积。连续流短程同步硝化反硝化是在同一池体中通过控制低溶解氧使短程硝化反硝化同时进行与序批间歇式短程同步硝化反硝化相比,具有如下优点:低溶解氧节约曝气器动力消耗;短程硝化反硝化同时进行,节省反应时间,降低费用;短程硝化反硝化同时间、同空间进行,使反应期间pH较稳定,减少缓冲药剂的投加量。对连续式的短程同步硝化反硝化的研究较少,且大多是在高温下进行。笔者采用生物倍增反应器处理模拟城市生活污水,研究了连续流短程同步硝化反硝化的启动、低温运行以及溶解氧对短程同步硝化反硝化的影响,从而为连续流短程同步硝化反硝化在实际工程中的应用提供参考。1试验材料和方法1.1空气反应器60cm65试验装置采用小型生物倍增反应器(见图1),由有机玻璃制成,反应器尺寸为65cm×60cm×50cm(长×宽×高),反应器由空气推流区、曝气区和澄清区构成,容积为156L。试验原水由重力流进入反应器,由空气推流器进行回流和泥水混合,用微孔曝气器向反应器中供氧,用转子流量计调节曝气量,采用恒温器控制反应器中的水温。1.2模拟城市生活污水水质分析接种污泥取自沈阳市北部污水处理厂二沉池,MLSS为3.04g/L,SVI为142mL/g,SV为32%。试验用水为人工配制的模拟城市生活污水,采用葡萄糖为碳源、氯化铵为氮源、磷酸二氢钾为磷源,并添加少量微量元素。原水水质:COD,350～530mg/L;NH4+-N,20.71～55.38mg/L;NO3--N,0.13～1.93mg/L;NO2--N,0.04～0.64mg/L。1.3紫外分光光度法COD:重铬酸钾法;NH4+-N:纳氏比色法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N:紫外分光光度法过硫酸钾氧化紫外分光光度法;溶解氧:溶解氧仪;pH:pH计;温度:温度计。2结果与讨论2.1生化活性测定亚硝酸菌的氧饱和常数为0.2～0.4mg/L,硝酸菌为1.2～1.5mg/L,因此将反应器中溶解氧控制在0.3～0.5mg/L,可以使溶解氧富足而不多余,短程硝化与反硝化同时间、同空间在曝气区中进行。试验启动温度为30℃,pH值为7.5～8.5,回流比为1∶3,HRT为8h,在试验驯化前期阶梯式增加进水氨氮含量。污泥驯化历时48天,进出水总氮、出水三氮以及总氮去除率如图2所示。从图2可以看出,在污泥的驯化初期,总氮去除率为42.98%,说明污泥的活性很好,本身已经具备一定数量的硝化菌和反硝化菌。随着出水氨氮的降低,以6天为一个阶段逐级提高进水氨氮。刚提高氨氮含量时,总氮去除率略有下降,但很快细菌便适应了进水氨氮的变化,去除率稳步上升。18天时出水氨氮出现大幅度的下降,而同期氨氮的减少量却明显高于亚硝态氮和硝态氮之和,说明在18天时反硝化菌的活性也开始大幅度提高。经过48天的培养,试验启动成功,出水氨氮稳步下降,总氮去除率达到72%,出水总氮为14.12mg/L,达到一级出水标准。生物倍增曝气池前半段溶解氧都被微生物降解有机物所消耗,后半段负荷降低,溶解氧开始富余。驯化后期在池体循环流末端溶解氧最高处多次检测得出亚硝态氮为4.93～7.25mg/L,硝态氮为2.77～3.61mg/L,亚硝态氮的含量明显占据主导,这从一定程度上反映出生物倍增工艺以短程硝化反硝化为主。因此,通过控制低溶解氧(0.3～0.5mg/L),可以在生物倍增反应器中实现连续流短程同步硝化反硝化。2.2总氮去除效果的变化从微生物学角度,Jones等认为,如果将亚硝酸菌从30℃的条件下直接转移到5℃的环境中,会导致亚硝酸菌失活,但若逐步适应,亚硝酸菌能够根据温度变化逐渐调整细胞膜中的脂肪酸类型,使其中的长链饱和脂肪酸部分转化为短链不饱和脂肪酸,以使其在低温条件下不易“冻结”。试验在短程硝化反硝化污泥高温驯化成功的基础上,采用阶段降温,研究短程同步硝化反硝化在10℃时的运行情况,如图3、图4所示。从图3、图4可以看出,试验开始时,随着温度的降低出水氨氮逐渐上升,总氮去除率下降,当温度下降到10℃时,总氮去除率下降到35.64%,这是因为低温对硝化菌群的影响很大,无论是亚硝酸菌还是硝酸菌对低温都比较敏感,低温会使其活性下降,虽有一部分耐冷菌,但数量上还没有达到优势,总氮去除率降低出水硝态氮的量多于出水亚硝态氮的量,因为温度的降低对硝化产物及两类硝化菌活性的影响也不同,活性污泥中亚硝酸菌较硝酸菌活性受到更严重的抑制,使出水中的硝态氮明显高于亚硝态氮。27天后总氮去除率稳步上升,因为该试验采用缓慢降温,一部分耐冷菌有生物活性,经过一段时间的运行,反应器中耐冷菌数量增多,从而处理效果稳定提高。从27天开始出水亚硝态氮高于硝态氮,这从一定程度上反映出生物倍增反应池以短程硝化反硝化为主,因为经过一段时间的培养,耐冷性硝化菌数量增加,此时受到温度和溶解氧两个因素的作用,溶解氧成为主要的影响因素,由于硝酸菌的氧饱和系数大于亚硝酸菌的氧饱和系数,因此亚硝态氮出现一定程度的积累。图中出水氨氮质量浓度逐渐降低,而硝态氮和亚硝态氮几乎保持不变,表明反硝化菌的活性也随着培养时间的进行逐渐增强。到42天时,总氮去除率稳定在67.3%,试验达到稳定运行。因此,可以采用阶段降温法实现连续流短程同步硝化反硝化的低温稳定运行。2.3最佳溶解氧浓度试验分别在15～19℃和19～22℃两个温度段内,考察溶解氧对短程同步硝化反硝化的影响,如图5、图6所示。从图5、图6可以看出,温度在15～22℃变化时,同一溶解氧下总氮去除率变化不大。19～22℃时的总氮去除率在一定程度上高于15～19℃时,因为生物活性随着温度的升高而增大。温度为19～22℃、溶解氧为0.2mg/L时,总氮去除率仅为52.71%,这是因为溶解氧不足以满足氨氧化菌氧化氨氮所需,造成出水氨氮含量高。同时出水中亚硝态氮和硝态氮的含量较小,因为低溶解氧为反硝化细菌创造了良好的条件大部分硝化产物被反硝化。当溶解氧大于等于0.4mg/L,溶解氧的增加对出水氨氮影响不大,因为溶解氧大于0.4mg/L足以满足氨氧化菌氧化氨氮所需氧量。当溶解氧为0.4mg/L时,总氮去除率达到了最大,为74.77%,因为该溶解氧既能满足硝化菌的需氧量,同时在生物反应池中形成兼性环境,为反硝化菌反硝化创造了良好的条件。当溶解氧大于0.8mg/L时,总氮去除率随着溶解氧的增加而减小,因为溶解氧过大对反硝化菌不利,导致反硝化不完全。当溶解氧为1mg/L时,总氮去除率下降为61.97%。因此,短程同步硝化反硝化的最佳溶解氧浓度为0.4mg/L。同时可以看出随着溶解氧的升高,出水中硝态氮增加的幅度大于亚硝态氮,可见溶解氧的增加使短程硝化向硝化反应过渡因为亚硝酸菌比硝酸菌的溶解氧饱和常数要低。3低温条件下高温稳定性测定(1)在低溶解氧浓度(0.3