碳源對(duì)生物膜同步硝化反硝化脫氮影響

魏海娟,張永祥,蔣 源,張 璨

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

碳源對(duì)生物膜同步硝化反硝化脫氮影響

魏海娟1,2,張永祥1,蔣 源1,張 璨1

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

利用序批式移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器研究了有機(jī)碳源對(duì)低碳氮比 ρC/ρN(指 ρCOD/ρTN,以下同)生活污水同步硝化反硝化脫氮的影響,結(jié)果表明,在無外加碳源時(shí),同步硝化反硝化條件下 TN去除率為 59.8%,COD平均去除率為 83.12%,去除率為 94.9%(最高達(dá)到 99.8%);分別以淀粉、葡萄糖和甲醇為外加碳源,ρC/ρN=7時(shí),發(fā)現(xiàn)投加外碳源有利于有機(jī)物、和TN的降解和轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化受碳源種類影響不大,投加淀粉時(shí)有機(jī)物降解不完全導(dǎo)致系統(tǒng)有惡化趨勢(shì),投加甲醇碳源時(shí)系統(tǒng)脫氮效率最高,TN去除率達(dá) 84.5%,投加葡萄糖時(shí),TN去除率為 80.55%,從安全和經(jīng)濟(jì)方面考慮,確定投加葡萄糖較為合適.

同步硝化反硝化;實(shí)際生活污水;有機(jī)碳源;移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器

碳源(carbon source)是在微生物生長(zhǎng)過程中為微生物提供碳素來源的物質(zhì),是影響反硝化細(xì)菌活性的重要因素之一.反硝化菌以亞硝酸鹽或硝酸鹽作為電子受體,將污水中有機(jī)物作為碳源充當(dāng)電子供體,通過同化和異化作用將含氮污染物轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮化合物和氣態(tài)氮.以往研究發(fā)現(xiàn),廢水生化處理中只有當(dāng) ρC/ρN≥7時(shí)才能取得較好的總氮去除率[1].從廢水生化脫氮的角度來看,能為反硝化細(xì)菌所利用的碳源主要分為 3類:廢水中的有機(jī)碳源、外加碳源和內(nèi)碳源[2].內(nèi)碳源的反硝化速率極低,利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化脫氮,要求反應(yīng)器泥齡長(zhǎng)、污泥負(fù)荷低,這樣導(dǎo)致反應(yīng)器的容積相應(yīng)增大,負(fù)荷率低.因此,當(dāng)污水本身所含有機(jī)碳源極低時(shí),要想獲得較好脫氮效率就需要外加碳源.

同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and deitrification,簡(jiǎn)稱SND)工藝是在一定的操作條件下,在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)完成硝化和反硝化作用而達(dá)到生物脫氮目的.近年來研究表明,國(guó)內(nèi)外對(duì)于活性污泥法 SND工藝研究已取得較好效果[3-8],而對(duì)于生物膜工藝 SND研究報(bào)道較少.移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)既能解決固定床反應(yīng)器需定期反沖洗、流化床需使載體流化的問題,也能解決淹沒式生物濾池堵塞需清洗濾料和更換曝氣器的復(fù)雜操作等問題[9-13],同時(shí)移動(dòng)的生物載體也能為世代時(shí)間長(zhǎng)、增殖速度慢的硝化菌群提供良好生存環(huán)境,使在 MBBR中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化具有一定的優(yōu)勢(shì).作者利用 MBBR實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化,主要探討了有機(jī)碳源同步硝化反硝化脫氮的影響.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 污水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)研究水源為北京某高校家屬區(qū)排放的生活污水,水質(zhì)指標(biāo)見表 1.

表 1 廢水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 W ater-quality index of waste water

從表 1中可以看出,實(shí)際生活污水中的 ρNH4+-N比普通生活污水中的 ρNH4+-N高(大多數(shù)生活污水中 ρNH4+-N約為 50mg/L),ρC/ρN較低 ,約為 3.0.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,總?cè)莘e 15L,主體部分由反應(yīng)區(qū)(12L)、沉淀區(qū)(3 L)和曝氣裝置組成,直徑20 cm,總高 50 cm.內(nèi)置大連宇都 BioMTM微生物膜載體(載體各個(gè)技術(shù)參數(shù)見表2),空氣壓縮機(jī)供氧,曝氣砂頭曝氣,采用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水流量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示.

表 2 BioMTM載體的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of BioM TM carrier

1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方式及檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)采用序批式運(yùn)行方式,每天運(yùn)行 2個(gè)周期,每周期 12 h,進(jìn)水 10min,曝氣 11h,沉淀 40min,排水10min,反應(yīng)器內(nèi)生物載體填充率為 53%,試驗(yàn)溫度控制在 25℃.主要檢測(cè)指標(biāo):N及 TN均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[14];COD采用 5B-3(B)COD多元快速測(cè)定儀;DO采用 H12400P型 DO測(cè)定儀;pH值采用 55500-10型 pH計(jì);堿度采用 COM-300型自動(dòng)電位滴定儀.

圖1 移動(dòng)床生物反應(yīng)器裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofmoving-bed biofilm reactor

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水 ρCOD為 206.8～285.78mg/L,ρNH4+-N為 70.32 ～ 91.8mg/L,ρTN為 72.98～ 94.15mg/L.由于試驗(yàn)對(duì)象為實(shí)際生活污水,每個(gè)周期的 ρC/ρN都不同,試驗(yàn)期間 ρC/ρN為 2.75～3.6,平均 ρC/ρN=3.01,當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定后,考察了連續(xù) 15個(gè)周期中 COD、TN和-N去除率隨 ρC/ρN的變化曲線,如圖 2所示.

從圖 2中可以看出,整個(gè)考察期間,在低的 ρC/ρN比下,反應(yīng)器對(duì) COD和-N的去除率均能取得很好效果,出水 ρ(COD)＜50mg/L,而出水L,平均出水 ρNH4+-N為 4mg/L,COD平均去除率為 83.12%,N去除率為 94.9%(最高達(dá)到99.8%).同時(shí)在好氧條件下 TN也有一定程度的虧損,

2.1 生活污水 SND脫氮實(shí)驗(yàn)

但出水中仍含有平均 39mg/L的 TN,沒有達(dá)到我國(guó)最新頒布的污水排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002).TN平均去除率為 52.8%(最高達(dá)到 59.8%),發(fā)生了同步硝化反硝化現(xiàn)象.為了進(jìn)一步探討同步硝化反硝化的發(fā)生,隨機(jī)考察了單個(gè)周期內(nèi)有機(jī)物和氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律,見圖 3所示.

從圖 3中可以看出,從 0時(shí)刻周期反應(yīng)開始,在初始 2 h之內(nèi)反應(yīng)器中有機(jī)物降解速度很快,呈直線下降趨勢(shì),隨后的 10h內(nèi),有機(jī)物降解進(jìn)入了慢速降解階段.轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在反應(yīng)前 4 h內(nèi),隨后8 h內(nèi)逐漸被氧化,轉(zhuǎn)化速率緩慢,曝氣結(jié)束時(shí)(11 h),ρNH+4-N為3.77mg/L,去除率為 95.39%.從轉(zhuǎn)化規(guī)律來看,隨著反應(yīng)進(jìn)行,部分逐漸轉(zhuǎn)化為導(dǎo)致在前 6 h內(nèi)逐漸增加,形成了一個(gè)量的積累,ρNO-2-N達(dá)到 11.63mg/L,隨后又逐漸減小,轉(zhuǎn)化為或者直接進(jìn)行反硝化.從轉(zhuǎn)化規(guī)律看,在反應(yīng)前 8 h內(nèi),含量逐漸增加,隨后又有減小趨勢(shì).同時(shí)從 TN去除率規(guī)律中可以看出,在整個(gè)好氧曝氣階段都有 TN的不定量虧損,發(fā)生了同步硝化反硝化.當(dāng)有機(jī)物進(jìn)入難降解階段后,TN虧損愈加明顯,到停止曝氣時(shí) TN去除率達(dá)到 59.5%,停止曝氣沉淀 40min后系統(tǒng) TN去除率達(dá)到 61.16%,之所以能在低 ρC/ρN比條件下發(fā)生同時(shí)硝化反硝化,是由于反應(yīng)器生物載體上附著著一層生物膜.污水中的有機(jī)碳源首先被生物膜外層細(xì)菌吸附,在生物膜外部進(jìn)行硝化反應(yīng),而生物膜內(nèi)部細(xì)菌利用吸附的和胞內(nèi)儲(chǔ)存的碳源在厭氧環(huán)境下再進(jìn)行反硝化.因此,附著或儲(chǔ)存在載體上的有機(jī)碳源和生物膜內(nèi)層的厭氧層使同步硝化反硝化的發(fā)生成為了可能.同時(shí),移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器內(nèi),懸浮填料在合適的氣水比條件下,隨水流不斷循環(huán)的同時(shí),自身不斷旋動(dòng),老化的生物膜能及時(shí)通過水力紊動(dòng)而自行脫落,既強(qiáng)化了傳質(zhì)作用,又可有效地控制生物膜的厚度,使其保持較高的生物活性.

圖2 實(shí)際生活污水中有機(jī)物和氮素降解曲線Fig.2 Degradation curve of organic matter and nitrogen with actual sanitary waste

圖3 單個(gè)周期內(nèi)氮素和 COD隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Track curve of nitrogen and COD vs time

2.2 添加有機(jī)碳源對(duì) SND脫氮的影響

為了進(jìn)一步提高同步硝化反硝化脫氮效率,以達(dá)到我國(guó)現(xiàn)行的污水排放標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)研究了添加有機(jī)碳源對(duì) SND脫氮的影響.按照碳源對(duì)反硝化效率的影響,外加碳源通常分為 2類:第 1類是易生物降解有機(jī)物,第 2類為可慢速生物降解有機(jī)物.試驗(yàn)分別以降解速率慢的淀粉和降解速率較快的葡萄糖和甲醇為外加碳源,采取反應(yīng)初始一次性加料的方式,調(diào)整ρC/ρN在 7 左 右,控制添 加碳 源 后 進(jìn)水 ρCOD為546.65～693.31mg/L,其他條件不變,考察三者對(duì)同步硝化反硝化脫氮的影響.為了保證運(yùn)行的穩(wěn)定性,每種碳源投加運(yùn)行 15個(gè)周期,調(diào)整反應(yīng)器至運(yùn)行穩(wěn)定后取樣檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示.

從圖 4可見,3種不同有機(jī)碳源的添加對(duì)系統(tǒng)效果影響不同,但對(duì)同步硝化反硝化脫氮效率都有所提高.3種碳源添加對(duì)于去除的影響并不是很大,平均去除率分別為淀粉 92.36%、葡萄糖 95.86%和甲醇 96.73%,在進(jìn)水平均質(zhì)量濃度為 84mg/L左右時(shí)均能使出水保持在 10mg/L以下.但不同碳源添加對(duì)有機(jī)物的降解和同步硝化反硝化脫氮效果的影響差別較大.從有機(jī)物降解曲線中可以看出,淀粉作為外加碳源時(shí),系統(tǒng)中有機(jī)物平均去除率僅有78.48%,出水有機(jī)物均在100mg/L左右,而投加葡萄糖和甲醇時(shí),COD平均去除率均在 90%左右,可能是由于葡萄糖和甲醇比淀粉容易降解,而且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)以淀粉為外加碳源時(shí),在反應(yīng)器底部總會(huì)有 1 cm厚的白色物質(zhì)沉淀,味酸臭,是沒有降解完全的淀粉,因此在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)降解效果惡化.從 TN去除曲線中可以看出,投加甲醇時(shí)同步硝化反硝化脫氮效果最好,平均脫氮效率為 84.5%,其次添加葡萄糖時(shí)TN平均去除率為 80.55%,添加淀粉時(shí)脫氮效率最低,只有 66.51%,這是由于甲醇是強(qiáng)還原化合物,微生物生長(zhǎng)量很低,比較適宜作反硝化過程的電子受體.但是甲醇也有其弊端,價(jià)格高,且有毒性,相對(duì)而言,葡萄糖碳源是優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的化工原料,而且同步硝化反硝化脫氮效率最高能達(dá)到 82.9%,有機(jī)物和解效果也很好,且能達(dá)標(biāo)排放(GB 18918—2002),因此,選擇葡萄糖為碳源是安全、經(jīng)濟(jì)合理的.

圖4 添加不同碳源時(shí) COD、和TN去除效果Fig.4 The removal result ofCOD/ and TN when different carbon source

2.3 無添加碳源和添加有機(jī)碳源反應(yīng)過程對(duì)比

為了進(jìn)一步研究添加有機(jī)碳源對(duì)同步硝化反硝化控制過程的影響,將生活污水 SND脫氮過程和添加有機(jī)碳源時(shí) SND脫氮過程進(jìn)行對(duì)比,分別隨機(jī)抽取單個(gè)周期,對(duì)各周期內(nèi)有機(jī)物和 TN降解和轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行考察.添加有機(jī)碳源試驗(yàn)選擇以葡萄糖為外加碳源,試驗(yàn)條件和環(huán)境同上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示.

圖5 無外加碳源和添加葡萄糖時(shí)各指標(biāo)轉(zhuǎn)化規(guī)律Fig.5 Conversion rule of index when no adding carbon sorce and adding glucose

從圖 5中可以看到,無外加碳源和添加葡萄糖為碳源時(shí),兩者的有機(jī)物降解和轉(zhuǎn)化規(guī)律基本是一致的,有機(jī)物降解主要發(fā)生在反應(yīng)初始 2 h內(nèi)在反應(yīng)前 3h內(nèi)轉(zhuǎn)化速率很快,呈直線下降,兩者去除率均在 95%以上.添加有機(jī)碳源使實(shí)際生活污水降低時(shí)(ρC/ρN=3)有機(jī)物去除和轉(zhuǎn)化與投加葡萄糖使實(shí)際生活污水提高時(shí)(ρC/ρN=7),2種水質(zhì)指標(biāo)變化不大,說明在一定范圍內(nèi)提高系統(tǒng) ρC/ρN不會(huì)對(duì) COD和去除產(chǎn)生抑制作用.無外加碳源試驗(yàn)中,系統(tǒng)在 4～7 h內(nèi)出現(xiàn)了積累,隨后在硝化作用下轉(zhuǎn)化為;系統(tǒng)在反應(yīng)后 9h內(nèi)均有 30mg/L左右的積累.而添加葡萄糖后,有少量積累,到反應(yīng)結(jié)束時(shí)全部轉(zhuǎn)化為添加有機(jī)碳源,有助于 TN的去除,TN去除率提高了將近 30%,因此,添加有機(jī)碳源對(duì)于同步硝化反硝化具有促進(jìn)作用.

2.4 同步硝化反硝化脫氮機(jī)理探討

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器采用 BioMTM填料作為生物生存和進(jìn)行各種反應(yīng)的介質(zhì)和載體,整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中均觀察到在載體表面附著著一層淡黃褐色生物膜,通過微生物鏡檢發(fā)現(xiàn)存在多種微生物.隨機(jī)抽取的單個(gè)周期試驗(yàn)中表明,在反應(yīng)初期有機(jī)物以較快速率大量降解,在 2 h之后處于難降解狀態(tài),降解速率減慢.在初始 2h內(nèi),大量有機(jī)碳源被附著在生物載體上的微生物吸附并有效存儲(chǔ),為后續(xù)反硝化的發(fā)生提供了可能.從氧擴(kuò)散限制角度來說,在生物膜內(nèi)部存在 DO梯度,生物膜外表面 DO較高,以好氧硝化菌為主,在生物膜內(nèi)部,在氧傳遞受阻以及外部氧大量消耗的情況下,產(chǎn)生缺氧微區(qū),為反硝化菌提供了優(yōu)良的生存環(huán)境.而吸附和儲(chǔ)存在生物膜表面的有機(jī)物質(zhì),通過濃度梯度擴(kuò)散進(jìn)入生物膜內(nèi)部,許多低分子溶解態(tài)有機(jī)物被微生物細(xì)胞通過主動(dòng)運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、單純擴(kuò)散機(jī)制直接吸收;大分子有機(jī)物吸附在細(xì)胞表面經(jīng)胞外酶水解作用轉(zhuǎn)化為可傳遞到胞內(nèi)的溶解性有機(jī)物,這些有機(jī)物的存在為反硝化反應(yīng)提供了能源和碳源,因此在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器內(nèi)可以發(fā)生同步硝化反硝化.

3 結(jié)論

1)系統(tǒng)在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化脫氮,在實(shí)際生活污水脫氮處理中,取得了平均 52%的 TN去除率,對(duì)于有機(jī)物和 NH+4-N也取得了很好的去除效果,出水 COD和 NH+4-N均能達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn).

2)在投加淀粉、葡萄糖和甲醇分別調(diào)整系統(tǒng) ρC/ρN為 7,雖然試驗(yàn)結(jié)果表明投加甲醇時(shí)脫氮效果最好,但從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮,葡萄糖能保證系統(tǒng) TN平均去除率在 80.55%,確定系統(tǒng)投加葡萄糖為外加碳源比較合適.

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(責(zé)任編輯 鄭筱梅)

Influences of Carbon Source on Simu ltaneous Nitrification and Denitrification of Biomembrane Reactor

WEIHai-juan1,2,ZHANG Yong-xiang1,JIANG Yuan1,ZHANG Can1
(1.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of technology,Beijing 100124,China;2.Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Co.Ltd,Shanghai 201203,China)

The p resent paper aims to introduce research of the effect of organic carbon on the denitrogenation using simultaneous nitrification and denitrification inmoving-bed biofilm reactor.COD/TN ratio was about 3 in real domestic wastewater.The resultof the treatment show thatat the end ofaeration the average removing rate of TN,and COD can reach 59.8%,83.12%and 94.9%,respectively.In order to improve the efficiency of removing TN,the experiment added amylum,glucose and methanol.The results show that adding organic carbon can improve the degradation of COD and nitrogen.When adding amylum,COD degradation was incomplete and leaded to the system performance deterioration.When addingmethanol and glucose,the TN removal ratio reached 84.5%and 80.55%,respectively.But considering factors of security and economy,adding glucose ismore appropriate.

simultaneous nitrification and denitrification;real domestic wastewater;organic carbon;moving-bed biofilmreactor

X 703

A

0254-0037(2010)04-0506-05

2008-09-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40372113).

魏海娟(1979-),女,陜西寶雞人,博士生.