中試MBBR裝置強(qiáng)化氨氮去除速率的影響條件研究

鄭 敏 ,楊 波 ,汪誠文 *,賈捍衛(wèi) (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 00084；.邯鄲市環(huán)境保護(hù)局,河北 邯鄲05600；.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院,北京 00084)

中試MBBR裝置強(qiáng)化氨氮去除速率的影響條件研究

鄭 敏1,楊 波2,汪誠文1*,賈捍衛(wèi)3(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084；2.邯鄲市環(huán)境保護(hù)局,河北 邯鄲056002；3.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100084)

采用中試MBBR組合工藝處理深圳市布吉河道的城鎮(zhèn)污水,進(jìn)水平均氨氮濃度為(25.88±7.73)mg/L,出水平均為(1.11±1.93)mg/L.單因素小試研究表明,反應(yīng)器中掛有生物膜的懸浮填料具有強(qiáng)化氨氮去除的效果,投加該填料時(shí)獲得的比氨氧化速率比采用活性污泥進(jìn)行反應(yīng)提高了 25.5%;試驗(yàn)條件下通過投加甲醇將 COD從 139mg/L提高至 587mg/L,比氨氧化速率從 2.55mg/(gMLVSS·h)下降至1.91mg/(gMLVSS·h);當(dāng)MLVSS濃度從0.45g/L逐步提高到4.05g/L時(shí),容積氨氧化速率從3.68mg/(L·h)線性增加至7.82mg/(L?h),擬合度R2為0.967,但比氨氧化速率隨MLVSS濃度的提高反而逐漸下降,從8.24mg/(gMLVSS·h)降至1.93mg/(gMLVSS·h);當(dāng)溫度從5℃升高到35℃,比氨氧化速率從0.99mg/(gMLVSS·h)提高至2.89mg/(gMLVSS·h),采用Arrhenius經(jīng)驗(yàn)方程描述時(shí),擬合度R2為0.970;當(dāng)DO濃度從0.5mg/L逐步增加至4.0mg/L時(shí),比氨氧化速率從0.62mg/(gMLVSS·h)提高至2.28mg/(gMLVSS·h),Monod方程可以很好的描述DO濃度與比氨氧化速率之間的關(guān)系,擬合度R2為0.994,氨氧化半飽和常數(shù)值為3.0mg O2/L.

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器；氨氮去除率；氨氧化速率；懸浮填料

當(dāng)前,無論是新建或改建的活性污泥法污水處理廠,在工藝單元操作中生物脫氮尤其是氨氮的硝化都是操作中重點(diǎn)調(diào)控的目標(biāo),其中氨氮的硝化效果是決定出水氨氮的關(guān)鍵因素之一[1].在20世紀(jì) 90年代中期,由國外開發(fā)的懸浮填料移動(dòng)床(MBBR)工藝通過以密度接近于水的懸浮填料投加到曝氣池中作為微生物的載體,并依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)實(shí)現(xiàn)載體填料與污水的充分接觸反應(yīng).研究表明,該工藝對(duì)硝化過程和生物脫氮效率的提升具有直接的作用[2-5],一些研究者分別在實(shí)驗(yàn)室和中試等規(guī)模研究影響MBBR工藝硝化過程的因素,包括堿度、氧受限、污泥負(fù)荷、生物膜菌群等[6-10].

本試驗(yàn)以中試規(guī)模處理城鎮(zhèn)河道污水的MBBR組合工藝為研究對(duì)象,通過直接從中試反應(yīng)器取出污泥樣品與城鎮(zhèn)的河道污水混合進(jìn)行小試單因素試驗(yàn)研究的方法,分別考察了投加懸浮填料、COD、MLVSS、溫度、及DO濃度對(duì)氨氮去除過程的影響,分析了中試MBBR工藝強(qiáng)化去除氨氮的原因.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

中試試驗(yàn)裝置處理水量為 140m3/d,進(jìn)水經(jīng)鼓細(xì)格柵后進(jìn)入生化處理工段,依次設(shè)有預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、填料好氧池和好氧池,每個(gè)反應(yīng)池的HRT分別為1.5,1.5,2.0,2.5,3.5h,后接平流沉淀池,污泥外回流,自沉淀池回流至預(yù)缺氧池,回流比為 100%,混合液內(nèi)回流自好氧池回流至缺氧池,回流比為200%,運(yùn)行期間SRT控制在10d左右,好氧池MLVSS為1.2～1.8g/L.在填料好氧池中投加 K3懸浮填料,填料材質(zhì)為聚丙烯塑料,填充率為30%.K3填料總表面積680m2/m3,設(shè)計(jì)有效比表面積 500m2/m3,直徑 25mm,高度12mm,采用高密度聚乙烯(HDPE)中空吹塑成形,具有較好的抗沖擊、防老化、防褪色的特點(diǎn).填料重量為1.026g/個(gè),整齊堆積密度約100kg/m3.

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)

深圳市布吉城鎮(zhèn)河道污水作為中試反應(yīng)器進(jìn)水,夏季和冬季水溫分別為 25～30℃和 12～20℃,COD平均為(118.8±43.3)mg/L和(259.1± 34.5)mg/L,氨氮平均為(15.72±4.61)mg/L 和(32.30±3.63)mg/L,TN平均為(22.1±4.00)mg/L和(37.2±2.30)mg/L,TP平均為(1.82±0.62)mg/L和(4.25±0.53)mg/L.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素小試試驗(yàn)考察不同條件對(duì)氨氮去除速率的影響.小試實(shí)驗(yàn)裝置為 17.5L容積的圓柱形溫控反應(yīng)器,底部設(shè)曝氣系統(tǒng),通過電動(dòng)攪拌器維持反應(yīng)器內(nèi)混合液的均勻混合.試驗(yàn)開始前,通過從中試反應(yīng)器好氧池現(xiàn)場取得的活性污泥與采集的污水混合,控制投加不同體積的沉降濃縮活性污泥以實(shí)現(xiàn)不同的污泥濃度調(diào)節(jié).將污水與污泥進(jìn)行攪拌混合,并加入適量氯化銨溶液控制混合液起始氨氮濃度約為50.0mg/L,1h后開始進(jìn)行計(jì)時(shí)曝氣硝化.實(shí)驗(yàn)過程中,以 1h為時(shí)間單位取樣過濾后測定氨氮濃度,不同批次試驗(yàn)的控制的條件如表1所示.

表1 小試單因素試驗(yàn)條件控制Table 1 Conditions in the single factor tests

根據(jù)試驗(yàn)測定氨氮濃度氧化至 1.0mg/L(不足1.0mg/L時(shí)按最小值計(jì)算)所需時(shí)間Δt和在Δt時(shí)間內(nèi)氨氮濃度的減少值(NH4+-N)氧化,根據(jù)彭永臻等[11]的研究采用公式(1)、(2)分別計(jì)算容積氨氧化速率r和比氨氧化速率k:

式中:MLVSS為小試反應(yīng)器內(nèi)的混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度.

1.4 分析方法

MLVSS:馬弗爐灼燒法;COD:標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法;NH4+-N:納氏試劑光度法;TN:過硫酸鉀氧化紫外分光光度法;TP:鉬酸銨分光光度法;DO濃度和溫度通過便攜式溶解儀(Hach,HQ30d)測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 中試MBBR工藝對(duì)氨氮的強(qiáng)化去除效果

圖1顯示了2008年7月11日至2009年8月1日期間中試工藝對(duì)氨氮的去除效果.結(jié)果表明,進(jìn)水平均氨氮濃度為(25.88±7.73) mg/L,在一年中隨季節(jié)的變化而變化,從 2008年11月 15日,中試反應(yīng)器因施工原因停工1個(gè)月后重新啟動(dòng),因而啟動(dòng)初期的出水氨氮濃度較高,但在夏季或冬季的穩(wěn)定運(yùn)行期間,出水氨氮濃度均能穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[12]中的一級(jí) A排放標(biāo)準(zhǔn),出水氨氮平均為(1.11± 1.93)mg/L,平均去除率為 95.7%.在冬季水溫較低時(shí)仍能保持較高的氨氮去除效果表明部分中試運(yùn)行的條件可能是強(qiáng)化氨氮去除效果的原因,通過小試試驗(yàn)進(jìn)一步研究了懸浮填料、COD、MLVSS、溫度和DO濃度對(duì)氨氮去除過程的影響,有助于分析中試 MBBR工藝高效穩(wěn)定去除氨氮的原因.

圖1 中試工藝對(duì)氨氮的強(qiáng)化去除效果Fig.1 Removal of NH4+-N in the pilot-scale MBBR

2.2 填料對(duì)氨氮去除效果的影響

中試反應(yīng)器在運(yùn)行1個(gè)月以后,載體填料上會(huì)附著一定的生物膜,通過A1～A3批次小試試驗(yàn)分別對(duì)比研究了投加活性污泥、包埋硝化細(xì)菌的填料和從反應(yīng)器中取出的附有生物膜的填料對(duì)氨氮去除效果的影響,如圖2所示.

圖2 投加活性污泥污泥、包埋硝化細(xì)菌的填料和從反應(yīng)器中取出的附有生物膜的填料對(duì)氨氮去除的影響Fig.2 Influence of activated sludge, entrapped nitrifying bacteria fillers and biofilm fillers on NH4+-N removal

試驗(yàn)結(jié)果表明,通過投加包埋硝化細(xì)菌和掛有生物膜的填料均能強(qiáng)化氨氮去除的效果,比氨氧化速率分別為 2.22,2.50,2.76mg/ (gMLVSS·h).其中投加掛有生物膜的填料的比氨氧化速率比活性污泥提高了 25.5%.包埋硝化細(xì)菌的填料由于事先固定包埋了比較豐富的硝化細(xì)菌,所以理論上是增加了硝化細(xì)菌的數(shù)量獲取了更好地硝化效果.在中試MBBR反應(yīng)器中的懸浮填料具有多孔結(jié)構(gòu),表面粗糙且有棱狀條紋,通過在污水處理好氧曝氣池中長時(shí)間的運(yùn)行,表面已經(jīng)掛起一層生物膜,其上也可能附著了一定數(shù)量的硝化細(xì)菌,因而可以加快氨氮的降解.另外,通過投加懸浮填料自生也可能會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)氧的傳質(zhì)作用,進(jìn)而對(duì)氨氮的降解產(chǎn)生影響.

2.3 COD對(duì)氨氮去除效果的影響

通過在混合液中投加額外的甲醇作為碳源,將起始混合液上清液COD控制成5個(gè)不同的梯度,在 B1～B5的批次小試試驗(yàn)中對(duì)比研究了COD對(duì)氨氮去除過程的影響,如圖3所示.

圖3 COD對(duì)氨氮去除的影響Fig.3 Influence of COD on NH4+-N removal

當(dāng)COD為139,256mg/L時(shí),氨氮幾乎全程呈現(xiàn)線性下降的趨勢,并且二者的降解曲線有較好的相似性;當(dāng) COD提高至 332,475,587mg/L時(shí),氨氮在初期的2～3h內(nèi)降解速率較慢,然后再呈現(xiàn)快速線性下降.當(dāng) COD從 139mg/L增加至587mg/L時(shí),比氨氧化速率從2.55mg/(gMLVSS·h)下降至 1.91mg/(gMLVSS·h).傳統(tǒng)活性污泥中高濃度的有機(jī)物嚴(yán)重影響硝化功能的發(fā)揮[13-14],如果外界有機(jī)物長期較為豐富,隨著污泥的增長,硝化細(xì)菌也會(huì)被包裹在污泥的內(nèi)部,并在溶解氧或營養(yǎng)物的獲得上與異養(yǎng)菌的競爭處于劣勢,使得硝化反應(yīng)的活性得不到有效發(fā)揮,只有在部分有機(jī)物經(jīng)過一段時(shí)間得到有效去除后,硝化反應(yīng)才會(huì)比較容易進(jìn)行[15].在 MBBR工藝中,由于在填料上形成生物膜的附著生長作用,使得硝化細(xì)菌更易被異養(yǎng)菌包埋.但取自中試MBBR工藝的污泥在通過投加甲醇將COD從139mg/L提高至256mg/L時(shí),氨氮的降解速率卻基本不變,說明該工藝形成的污泥微生物硝化反應(yīng)具備一定的抗COD沖擊的能力,在投加甲醇濃度不超過100mg/L時(shí),對(duì)氨氮的降解過程影響不大.在COD在一定程度內(nèi)提高時(shí),被包埋在異養(yǎng)菌內(nèi)的硝化細(xì)菌的代謝可能還不受影響,因而才可能獲得了一定的抗COD沖擊能力.

2.4 MLVSS對(duì)氨氮去除效果的影響

通過活性污泥沉降壓縮的方法獲得5組不同的MLVSS濃度的混合液,在C1～C5批次小試試驗(yàn)中考察了MLVSS濃度對(duì)氨氮的去除過程的影響,如圖4所示.

圖4 MLVSS對(duì)氨氮去除的影響Fig.4 Influence of MLVSS on NH4+-N removal

由圖4可見,較高的MLVSS濃度有利于氨氮的降解,當(dāng)MLVSS從0.45g/L逐步提高到4.05g/L時(shí),容積氨氧化速率呈現(xiàn)線性增加的趨勢,從3.68mg/(L·h)逐步提高至7.82mg/(L·h),R2為0.967,其中最大氨氧化速率為最小的2.13倍.因而如果污水處理出水氨氮硝化效果不理想,可以采取提高 MLVSS濃度的方法強(qiáng)化污水的硝化效果.如果曝氣池設(shè)計(jì)停留時(shí)間短與硝化所需時(shí)間較長無法確保氨氮達(dá)標(biāo)而產(chǎn)生矛盾時(shí),也可以采取提高M(jìn)LVSS濃度,縮短硝化反應(yīng)所需的時(shí)間.在另一方面,比氨氧化速率卻隨著 MLVSS的增大而減小,從 8.24mg/(gMLVSS·h)降至 1.93mg/ (gMLVSS·h).在實(shí)際工程中為同時(shí)獲得較適宜的硝化細(xì)菌活性和氨氮去除效果,在采用提高M(jìn)LVSS濃度強(qiáng)化氨氮去除的同時(shí),還應(yīng)考慮到對(duì)硝化活性的影響.

2.5 溫度對(duì)氨氮去除效果的影響

通過D1～D5批次試驗(yàn)考察了溫度對(duì)氨氮去除過程的影響,如圖5所示.

圖5 溫度對(duì)氨氮去除的影響Fig.5 Influence of temperature on NH4+-N removal

由圖5可見,當(dāng)溫度從5℃升高至35℃,比氨氧化速率隨溫度增加而增大,從 0.99mg/ (gMLVSS·h)增加至 2.89mg/(gMLVSS·h),最大比氨氧化速率為最小的2.93倍,在5,10℃條件下經(jīng)過12h氨氮濃度無法達(dá)到1.0mg/L以下.一般情況下當(dāng)夏季水溫在25℃以上時(shí),活性污泥具有很高的活性,因而污水處理廠的氨氮去除效果均較好,但冬季的水溫較低,特別是在一些較為寒冷的地區(qū),當(dāng)水溫低于 10℃時(shí),硝化反應(yīng)的活性也會(huì)大大降低[16].因此,在污水處理廠實(shí)際運(yùn)行過程中,可以采用保溫升溫來強(qiáng)化氨氮的去除效果,但在污水處理量較大時(shí)的經(jīng)濟(jì)性較差.

在一定的溫度范圍內(nèi)(5～40℃),溫度對(duì)生物反應(yīng)速率的影響可以采用Arrhenius方程進(jìn)行描述[17],即溫度每升高約 10℃,微生物最大比生長速率μ值增加1倍.在5～35℃之間采用Arrhenius方程對(duì)比氨氧化速率與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,y = 1.792e0.0365(x-20),R2為0.970,θ值為0.0365,擬合的結(jié)果較好,說明該方程對(duì)氨氮的降解過程也具有良好的適用性.

2.6 DO濃度對(duì)氨氮去除效果的影響

通過 E1～E5批次小試試驗(yàn)改變不同的曝氣強(qiáng)度,研究 DO濃度對(duì)氨氮去除過程的影響,如圖6所示.

圖6 DO對(duì)氨氮去除的影響Fig.6 Influence of DO on NH4+-N removal

由圖6可見,DO濃度在0.5到4.0mg/L范圍內(nèi),氨氮均呈線性下降.當(dāng)DO超過2.0mg/L時(shí),氨氮去除效果提高并不顯著;當(dāng)DO從2.0降低至0.5mg/L時(shí),比氨氧化速率從1.88mg/(gMLVSS·h)降至0.62mg/(gMLVSS·h),此時(shí)DO濃度對(duì)氨氮的硝化反應(yīng)影響很大;當(dāng)DO小于1.0mg/L時(shí),硝化作用得不到有效發(fā)揮.在污水處理廠去除氨氮的過程中,采取合理的控制DO濃度不但有利于提高污水處理效果,而且有利于污水處理廠的節(jié)能降耗.結(jié)果顯示,維持DO在2.0mg/L就可以滿足硝化的要求,但是低于 2.0mg/L尤其是低于1.0mg/L就可以抑制硝化,在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi),氨氮降低緩慢,并且可能會(huì)造成亞硝態(tài)氮的積累.

Monod方程可以較好的描述DO濃度和比氨氧化速率之間的關(guān)系,R2為 0.994,擬合結(jié)果表明氨氧化反應(yīng)DO半飽和常數(shù)為3.0mg O2/L.該結(jié)果比在活性污泥 3號(hào)模型[18]硝化反應(yīng)常采用的半飽和常數(shù)值(0.5mg O2/L)要高.傳統(tǒng)活性污泥中亞硝化和硝化細(xì)菌的 DO半飽和常數(shù)分別為0.20～0.40mg O2/L和1.20～1.50mg O2/L,相比本研究的結(jié)果均較小,說明MBBR工藝處理實(shí)際污水降解氨氮時(shí)在混合液中所需維持的 DO濃度比傳統(tǒng)活性污泥工藝更高.田淼等[9]認(rèn)為當(dāng)MBBR反應(yīng)器中的DO約為3.0mg/L時(shí)可以滿足生物膜中好氧微生物正常代謝所需,能夠取得理想的氨氮去除率,本研究通過測試氨氧化半飽和常數(shù)值的變化也說明該工藝中硝化細(xì)菌的代謝所需的氧濃度比正常條件下更高.但也有研究表明在低 DO濃度條件下如果污泥發(fā)生微膨脹時(shí)氨氮去除速率會(huì)得到很大程度的提高[19].

3 結(jié)論

3.1 中試MBBR組合工藝在夏季和冬季對(duì)氨氮的去除效果穩(wěn)定,全年進(jìn)水平均氨氮濃度為(25.88± 7.73)mg/L,出水平均為(1.11±1.93)mg/L,平均去除率為95.7%,出水氨氮濃度穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).

3.2 中試反應(yīng)器中掛有生物膜的懸浮填料具有強(qiáng)化氨氮去除的效果,比氨氧化速率為 2.76mg/ (gMLVSS·h),比不投加填料的活性污泥提高了25.5%.

3.3 MBBR工藝對(duì)氨氮的降解具有一定的抗COD沖擊能力,在投加甲醇濃度不高于100mg/L時(shí)對(duì)氨氮的降解影響不大,但高濃度的 COD會(huì)對(duì)氨氮的去除產(chǎn)生顯著的抑制作用;提高M(jìn)LVSS濃度可以線性提高容積氨氧化速率,但比氨氧化速率反而會(huì)逐漸降低,需根據(jù)工程具體需要控制合適的MLVSS濃度運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)氨氮的優(yōu)化去除,使得曝氣池的容積得到進(jìn)一步優(yōu)化;溫度和 DO濃度對(duì)比氨氧化速率的影響分別符合Arrhenius經(jīng)驗(yàn)方程和Monod方程,通過測定表明氨氧化半飽和常數(shù)為3.0mg O2/L,在MBBR工藝的實(shí)際運(yùn)行中需要維持比傳統(tǒng)活性污泥工藝更高的DO濃度,宜長期維持2.0mg/L以上.

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Enhanced ammonia removal rate in a pilot-scale MBBR.

ZHENG Min1, YANG Bo2, WANG Cheng-wen1*, JIA Han-wei3(1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Handan Environmental Protection Bureau, Handan 056002, China；3.Beijing Guohuan Tsinghua Environmental Engineering Design and Research Institute, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(10)：1778～1783

A combined pilot-scale MBBR process was used for treatment of the wastewater in the Buji River in Shenzhen city. The averaged influent and effluent ammonia nitrogen concentrations were (25.88±7.73) mg/L and (1.11±1.93)mg/L, respectively. The results of the single factor experiments show that the biofilm fillers enhanced the ammonia removal and increased the specific ammonia oxidation rate by 25.5% to activated sludge. The specific rate decreased from 2.55mg/(gMLVSS·h) to 1.91mg/(gMLVSS·h) with the COD increasing from 139mg/L to 587mg/L, decreased from 8.24mg/(gMLVSS·h) to 1.93mg/(gMLVSS·h) with the MLVSS increasing from 0.45g/L to 4.05g/L, increased from 0.99mg/(gMLVSS·h) to 2.89mg/(gMLVSS·h) with the temperature increasing from 5℃ to 35℃ and increased from 0.62mg/(gMLVSS·h) to 2.28mg/(gMLVSS·h) with the DO concentration increasing from 0.5mg/L to 4.0mg/L, respectively. However, the volume ammonia oxidation rate increased linearly from 3.68mg/(L·h) to 7.82mg/(L·h) with the increased MLVSS (R2= 0.967). The Arrhenius experience equation was used to describe the influence of temperature (R2= 0.970). The Monod equation fitted the process well (R2= 0.994) and the estimated half saturation constant of ammonia oxidation was 3.0mg O2/L.

moving bed biofilm reactor (MBBR)；ammonia nitrogen removal rate；ammonia oxidation rate；suspended filler

2012-01-03

深圳市財(cái)政支持項(xiàng)目(SZCG2007046206);水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07313)

* 責(zé)任作者, 研究員, wangcw@tsinghua.edu.cn

X703.1

A

1000-6923(2012)10-1778-06

鄭 敏(1988-),男,安徽懷寧人,清華大學(xué)博士研究生,

主要從事水污染治理和水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域.發(fā)表論文4篇.