缺氧/好氧比對連續(xù)流半亞硝化穩(wěn)定性的影響

張艷輝,李 冬*,梁瑜海,關(guān)宏偉,趙世勛,張 杰,2

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缺氧/好氧比對連續(xù)流半亞硝化穩(wěn)定性的影響

張艷輝,李 冬1*,梁瑜海1,關(guān)宏偉1,趙世勛1,張 杰1,2

(1.北京工業(yè)大學,水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學,城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

為研究不同缺氧好氧比對半亞硝化穩(wěn)定性的影響,采用連續(xù)流反應器,在常溫(22~25 ℃),DO(0.3~0.5mg/L)和FA協(xié)同作用下實現(xiàn)了全亞硝化后,轉(zhuǎn)變進水為AO除磷二級出水,并逐步向半亞硝化過渡.在此過程中考察了不同缺氧好氧比(0:1、1:1、2:1和3:1)對半亞硝化穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明,缺氧好氧比為0:1時,很難維持低NH4+-N(40~70mg/L)亞硝化的穩(wěn)定,缺氧好氧比為1:1、2:1、3:1時均能維持穩(wěn)定的半亞硝化效果,相比之下缺氧好氧比為3:1時更加節(jié)能;在缺氧好氧比0:1,1:1,2:1,和3:1的過程中,氨利用速率分別提高了29.57%、44.27%、45.23%、49.63%.在整個過程中污泥沉降性能良好,SVI在65~130mL/g.

生活污水；半亞硝化；缺氧好氧比；氨利用速率

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,厭氧氨氧化工藝因為節(jié)省曝氣、無需外加碳源、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點,成為目前最為經(jīng)濟的脫氮工藝[1-3].然而作為厭氧氨氧化前段工藝的亞硝化的穩(wěn)定運行一直是研究的難點.近年來,對于亞硝化穩(wěn)定運行的研究多在SBR中,采用高溫, 高游離氨(FA),高游離亞硝酸(FNA),實時控制,低溶解氧(DO)等方式的一種或幾種實現(xiàn)[4-10],然而高溫,高FA,高FNA的條件對于低NH4+-N生活污水很難達到;實時控制措施對試驗裝置及設(shè)備的要求相對較高,投資較大,運行成本高;此外,Wei等[11]提出在低NH4+-N下僅對DO的控制很難實現(xiàn)NO2--N的積累;Ruiz等[12]指出與SBR相比,在連續(xù)流反應器中更難實現(xiàn)亞硝化,但連續(xù)流反應器工程應用范圍更廣,因此探究出一種能在低NH4+-N連續(xù)流下維持半亞硝化穩(wěn)定運行的方法非常必要. Kornaros等[13]和Katsogiannis等[14]在SBR中低NH4+-N下采用缺氧/好氧的運行方式實現(xiàn)了亞硝化,證明缺氧/好氧方式可以成為維持亞硝化穩(wěn)定的有效手段.

基于此,筆者采用連續(xù)流反應器,在亞硝化啟動成功后,考察了不同缺氧/好氧比對半亞硝化的影響,以期為亞硝化的工程應用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行條件

試驗在北京某污水廠進行.試驗裝置由連續(xù)流反應器和豎流式二沉池組成,見圖1.其中連續(xù)流反應器總體積120L,分為4個隔室,每個隔室設(shè)有曝氣圓盤,相鄰隔室之間由擋板隔開,擋板上部和底部開孔防止短流,擋板可以自由移動調(diào)節(jié)體積比;二沉池為豎流式,由有機玻璃制成,總?cè)莘e為60L;進水和回流污泥采用蠕動泵控制,用轉(zhuǎn)子流量計標記流量,可以根據(jù)需要靈活控制各個隔室的曝氣量;反應器設(shè)有4個攪拌機.

1.2 試驗用水和接種污泥

如表1所示試驗分為S1~S5共5個階段,在缺氧段只攪拌不曝氣,不控制DO,經(jīng)測定DO在0~0.1mg/L,在好氧段曝氣并攪拌,控制DO為0.3~0.5mg/L,S1階段采用模擬生活污水,具體水質(zhì):向自來水中投加(NH4)2SO4,至NH4+-N 濃度為85~95mg/L,投加 NaHCO3提供堿度,堿度與NH4+-N濃度質(zhì)量比為10:1,pH值為7.5~8.1,每1L 模擬廢水中含有0.136gKH2PO4,同時還含有微生物生長必需的微量元素.

表1 各階段反應器參數(shù)變化Table 1 The parameter variations of each stage

S2~S5階段用水采用城市污水廠原污水經(jīng)AO除磷后的出水,具體出水水質(zhì):NH4+-N為40~70mg/L, COD<50mg/L(幾乎全部是微生物難降解的物質(zhì)),(NO-N)<1mg/L,磷的濃度為4~ 6mg/L.接種污泥來自中試A2O曝氣池,接種污泥MLSS為3500mg/L,MLVSS為2730mg/L,污泥沉降性能良好,SVI為105mL/g.

1.3 分析方法

定期檢測反應器內(nèi)混合液的MLSS, SV30及進出水NH4+-N, NO2－-N, NO3－-N的濃度等參數(shù),通過WTW 便攜式測定儀監(jiān)定DO, pH值和水溫等.水樣分析中NH4+-N測定采用納氏試劑光度法,NO2－-N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3－-N采用紫外分光光度法,COD采用快速測定儀,其余水質(zhì)指標的分析方法均采用國標方法.

本試驗中氨氧化率,亞硝化率,游離氨(FA)和游離亞硝酸(FNA)按下式計算:

式中:(NH4+-Nin)為進水NH4+-N濃度;(NH4+- N)為進出水NH4+-N的濃度差;(NO2--N)為進出水NO2--N的濃度差;(NO3--N)為進出水NO3--N的濃度差;(NH4+-Ninner)為反應器內(nèi)NH4+-N濃度;(NO2--Ninner)為反應器內(nèi)NO2--N濃度;為水溫.

1.4 氨利用速率的測定

氨利用速率(AUR)通過測定混合液中起始的NH4+-N濃度,并間隔一定時間的變化曲線,利用曲線的斜率和測定的混合液 MLVSS 值,由公式AUR=/MLVSS求得氨利用速率(mgNH4+- N/(gVSS·h)).其中,采用人工配制混合液,以硫酸銨為氮源,碳酸氫鈉為堿度,并且保證氮源及堿度過量(設(shè)定NH4+-N濃度為60mg/L, 0.5g/ LNaHCO3,0.28g/L(NH4)2SO4)[15]將污泥清洗后與混合液混合,連續(xù)曝氣2h,溫度為(25±0.5)℃,其間,每隔20min 取樣測定NH4+-N濃度.為減小誤差,進行3組平行試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 缺氧好氧比為0:1下亞硝化的快速啟動

在S1階段(0~25d),接種污泥來自A2O曝氣池,厭氧雜菌較多,為了將其淘汰采用全程好氧即缺氧好氧比為0:1運行.郭海娟等[16]指出AOB的氧飽和常數(shù)為0.2~0.4mg/L,NOB的氧飽和常數(shù)為1.2~1.5mg/L,因此控制全程DO為0.3~0.5mg/L,污泥回流比為50%,HRT為8h,如圖2所示,僅經(jīng)過14d的運行就實現(xiàn)了亞硝化,分析主要原因除了控制DO在0.3~0.5mg/L以外,還有以下兩方面的原因.一方面,NOB在原A2O曝氣池中活性較低.因為污泥接種前所在的好氧池DO一直在1.0~1.5mg/L, 而與AOB(0.2~0.4mg/L)相比,NOB氧飽和常數(shù)(1.2~1.5mg/L)較大,異養(yǎng)菌的生長速率大約是自養(yǎng)菌的10倍[17],在同好氧異養(yǎng)菌競爭DO的過程中NOB必然處于劣勢,因此,接種前污泥中NOB活性較低.另一方面,接種后的反應器中NH4+-N在15~47mg/L, AOB的基質(zhì)較充足,能同NOB進行有力的競爭,這樣使本來活性不高的NOB進一步受到抑制,最終能快速啟動亞硝化.

啟動的結(jié)果表明,在溫度22~25℃,通過接種低DO曝氣池的活性污泥,在缺氧好氧比為0:1下,控制溶解氧為0.3~0.5mg/L,HRT為8h,可以快速啟動亞硝化.

2.2 缺氧/好氧比對半亞硝化穩(wěn)定性的影響

2.2.1 各階段亞硝化率及氨氧化率 經(jīng)過S1階段亞硝化的成功啟動,試驗用水轉(zhuǎn)變?yōu)锳O除磷出水,進入到S2階段(26~35d),根據(jù)進水NH4+-N濃度的下降,HRT降低為4h,繼續(xù)保持體積比為0:1的方式運行,此過程目的是考察在低NH4+-N, 缺氧好氧比為0:1下能否維持穩(wěn)定的亞硝化效果.如圖2所示,整個S2過程中氨氧化率一直在上升,由原來的81.04%上升到90.28%,而亞硝化率卻由最初的93.83%降低到59.01%,分析主要原因在于AO除磷出水NH4+-N濃度較低,加之連續(xù)流反應器由于回流的稀釋等作用,反應器中NH4+-N濃度更低,FA值更小,不能很好地抑制NOB,另外,系統(tǒng)出水NO2--N濃度明顯高于出水NH4+-N濃度(圖3),使得NOB的基質(zhì)增加,促進了NOB的增殖,導致了亞硝化失穩(wěn).

結(jié)果表明在缺氧好氧比為0:1且低NH4+-N的條件下,很難維持亞硝化的穩(wěn)定.

為了使亞硝化有效的恢復, 張功良等[18]指出在SBR中設(shè)置前置厭氧段,有助于亞硝化的恢復.因此,在S3階段(36~58d)將缺氧好氧比變?yōu)?:1,同時保持HRT和DO不變.如圖2所示,S3階段初期,NH4+-N氧化率從90.28%下降到49.15%,而亞硝化率下降并不是很大,同時出水的NO3--N下降了2mg/L,說明在缺氧/好氧運行方式下,AOB和NOB均受到了不同程度的抑制,但是,之后AOB適應了反應器的水力條件,開始恢復活性,在第49d亞硝化率再一次達到了81.20%,并且從50~58d亞硝化率一直維持在85%以上,出水NO2--N和NH4+-N比值在1~1.1之間,亞硝化得到了很好的恢復,并成功過渡到半亞硝化,這雖然不足以說明缺氧/好氧的運行方式能夠使崩潰的亞硝化得到有效恢復,因為在S2的最后階段亞硝化率仍為59.01%沒有完全崩潰,但與S2階段相比,缺氧好氧比為1:1的運行方式確實很好地控制NH4+-N氧化率并抑制了NOB,.對于從缺氧到好氧過程中,NOB的生長速率變慢從而受到抑制的的假設(shè),眾多研究者進行了研究和證實,其中Bournazou等[22]和Kornaros等[13]利用數(shù)學建模的方法論證了這一假設(shè)的合理性,并依據(jù)Sadana等[23]的研究結(jié)果指出,從缺氧到好氧過程中,與NOB生長密切相關(guān)的一種酶的失活導致了NOB活性的下降,但是對于這種酶的名稱并沒有說明,同時指出從缺氧到好氧過程中,對NOB的抑制作用隨著缺氧段長度的增加而加強,高春娣等[10]和蘇東霞等[24]也指出,在SBR中,缺氧時間延長,亞硝化效果依然較好,這些都是本實驗重要的理論基礎(chǔ).

在S3階段半亞硝化穩(wěn)定過程中氨氧化率在50%~60%,亞硝化率在90%以上.通過對比S2和S3階段得到,缺氧好氧比由0:1到1:1更加有利于半亞硝化趨于穩(wěn)定.

為了進一步研究缺氧好氧比對半亞硝化穩(wěn)定性的影響,筆者進行了S4階段(59~78d)和S5階段(79~100d)的研究.如圖2所示,在S4和S5階段只將缺氧好氧比提高為2:1和3:1,在這2個階段,氨氧化率和亞硝化率均經(jīng)歷了開始的驟降,上升到穩(wěn)定的過程.這2個階段穩(wěn)定運行期間氨氧化率平均值分別為56.15%和57.01%,亞硝化率平均值分別為91.95%和92.01%,出水NO2--N與NH4+-N比值的平均值分別為1.01和1.15,這說明半亞硝化效果穩(wěn)定.

2.2.2 各階段沿程氮素變化 為了更深入地分析各階段亞硝化效果的原因,對沿程氮素進行了測定.對比圖4A和4B發(fā)現(xiàn),在S1,S2階段, NH4+-N均是沿程逐漸下降,NO2--N沿程逐漸上升,在S1階段,好氧池3和好氧池4中NO3--N濃度增加的很少,但在S2階段卻發(fā)生了亞硝化向全程硝化的轉(zhuǎn)變,分析主要原因是在S2階段改變進水為AO除磷出水,此時NH4+-N濃度的驟降,使得FA的值很低,同時NO2--N的積累為NOB提供了基質(zhì),雖然DO仍控制在0.3~0.5mg/L,但還是為NOB提供了增殖的可能,使得亞硝化率下降,這也說明了在缺氧好氧體積比為0:1的條件下很難維持低NH4+-N亞硝化的穩(wěn)定.

對比圖4B、4C、4D和4E得到,缺氧/好氧下亞硝化能夠穩(wěn)定運行的根本原因在于前置的缺氧段抑制了NOB的活性,即使在后續(xù)的好氧段DO在0.3~0.5mg/L其活性也很難被激活.對于從缺氧到好氧過程NOB活性下降,大量的試驗結(jié)論已經(jīng)證實了這一點.

在實際工程中,可以相對增加缺氧段的長度提高亞硝化穩(wěn)定性.同時發(fā)現(xiàn),缺氧段越長,出水NO3--N越低,但不可能無限制的增加缺氧段的長度,因為這很有可能造成污泥的膨脹和處理效率的下降,對于是否存在一個缺氧/好氧比的極限值,在此值時既有良好的亞硝化效果又不會引起污泥的膨脹,還需要進一步的研究.

亞硝化的影響因素 目前已知的亞硝化的影響因素主要有溫度、pH值、FA、FNA等.為了凸顯缺氧好氧比對亞硝化的影響,本試驗全程控溫(22~25 ℃),溫度的波動是因為一天中的晝夜溫差,早晚溫差所致,同時Paredes等[25]指出,溫度高于25 ℃AOB和NOB的生長速率有較大的差異,才能將二者分離開,而本試驗的溫度控制在22~25 ℃,這樣排除了溫度的變化使亞硝化維持穩(wěn)定的可能.

FA變化對本試驗的影響,經(jīng)過計算在缺氧好氧比為0:1, 1:1, 2:1和3:1時的FA分別在0.76~ 0.95,0.97~1.12,1.18~1.80,1.0~1.20mgN/L,有部分FA的值達到了對NOB的抑制濃度,但在缺氧好氧比由2:1變?yōu)?:1的過程中FA卻從1.18~1.80mg/L下降到1.0~1.20mg/L,而此時亞硝化效果依然較好,這說明并不是FA略微升高,使得亞硝化維持穩(wěn)定.另外,孫洪偉等[26]進行了FA對NOB活性抑制的試驗中指出,在FA為5.3mg/L時NO2--N的積累仍然很少,相比之下,本試驗中的FA值很低,且波動很小,不足以對亞硝化效果造成較大的影響.對于FNA對NOB的影響,經(jīng)計算,FNA的最大值為0.0077mg/L,遠遠小于對NOB的抑制濃度(0.011~0.077mg/L).

由此可見,本試驗中缺氧好氧比不斷提高下,亞硝化效果仍較好且穩(wěn)定的原因,并不是溫度, FA和FNA的作用.

2.3 不同缺氧好氧比下的節(jié)能分析

從節(jié)能角度講,缺氧池只攪拌不曝氣,不對DO進行控制,在整個試驗過程中測定其DO在0~0.1mg/L之間,在缺氧好氧比從0:1到3:1的整個過程中,攪拌機的轉(zhuǎn)速不變,因此,可以排除因為攪拌變快的原因,使得在缺氧好氧比不斷提高時,為缺氧段提供多余溶解氧的可能.

比較S2、S3、S4、S5穩(wěn)定運行階段得到,即使曝氣量逐漸減少,但半亞硝化的效果基本都較好且穩(wěn)定,即在能夠為厭氧氨氧化提供需求的進水水質(zhì)的前提下,缺氧好氧比為3:1時更能節(jié)省曝氣能耗.

本試驗分別測定了接種初期的全程硝化污泥以及S2, S3, S4, S5穩(wěn)定階段亞硝化污泥的氨氧化速率,如圖5所示分別為:5.822, 7.546, 8.402, 8.458, 8.713mgNH4+–N/(VSS·h),較全程硝化相比,在缺氧好氧比為0:1, 1:1, 2:1, 3:1條件下的氨氧化速率分別提高了29.57%, 44.27%, 45.23%, 49.63%.

結(jié)果表明,缺氧好氧運行下更容易篩選出氨氧化速率較高的AOB,并隨著缺氧好氧比的增加有上升的趨勢.

2.4 不同缺氧好氧比下的SVI

研究表明,污泥膨脹和絲狀菌過度增殖有關(guān),從S1~S5過程中,污泥沉降性能良好,SVI在65~130mL/g,在S1階段SVI值很低,在65~ 85mL/g,主要原因是人工模擬污水中不含有COD,且全程曝氣運行,絲狀菌同AOB和NOB競爭過程中處于劣勢.從S2到S5階段,污泥SVI從85mL/g一直增長到130mL/g,筆者認為有以下原因,從S2到S5一直采用的是AO除磷二級出水其中殘存的少量COD是SVI增長的首要原因,其次從S2到S5階段,缺氧池的體積一直在增加,絲狀菌的氧飽和常數(shù)很低[27],在缺氧且有殘存COD的條件下,其同硝化細菌競爭的優(yōu)勢增大,因此使得SVI持續(xù)上升.但在整個運行過程中,并沒有發(fā)生污泥膨脹,原因有三.第一,AO除磷出水中COD很低且大量是難降解的物質(zhì),因此不會持續(xù)的為絲狀菌的生長提供碳源;第二,雖然在缺氧池中低DO等條件有利于絲狀菌的生長,但是在缺氧池中AOB基質(zhì)充足能和絲狀菌進行有利的競爭,同時低DO下的污泥膨脹SVI增長緩慢,并不會影響污水處理效果[28];第三,污泥的膨脹和NO2--N的積累有關(guān)[29],而從S2到S5階段一直維持的是半亞硝化, NO2--N濃度很低,不足以造成污泥的膨脹.以上的綜合作用使得整個過程污泥沉降性能良好.

3 結(jié)論

3.1 接種低DO曝氣池的活性污泥,協(xié)同控制DO為0.3~0.5mg/L、FA等可以在連續(xù)流反應器中快速啟動亞硝化,但是以上控制條件過渡到低NH4+-N(40~70mg/L),很難維持亞硝化的穩(wěn)定.

3.2 在缺氧好氧比為1:1, 2:1和3:1時,均能維持低氨氮半亞硝化的穩(wěn)定,與接種的全程硝化污泥相比,三者的氨氧化速率分別提高了44.27%, 45.23%,49.63%,缺氧好氧比為3:1更加節(jié)能.

3.3 由于進水中COD很少,出水NO2--N濃度較低和缺氧好氧的運行方式有效地抑制了絲狀菌,在整個過程中污泥沉淀性能良好,SVI在65~ 130mL/g,

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* 責任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

Influence of anoxic/aerobic ratio on stability of partial nitritation in a continuous flow process

ZHANG Yan-hui1, LI Dong1*, LIANG Yu-hai1, GUAN Hong-wei1, ZHAO Shi-xun1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2016,36(6)：1724~1731

In order to investigate different anoxic/aerobic ratio on stability of partial nitritation (PN), continuous flow reactor was used at room temperature (22~25℃). After complete nitritation (CN) was achieved through controlling FA and DO (0.3~0.5mg/L), the effluent of Anaerobic/Oxic(A/O) process removing phosphorous wastewater was used as influent to CN. Then, CN turned to PN gradually. The influence of different anoxic/aerobic volume ratios (0:1,1:1,2:1,3:1) on stability of PN was investigated. It demonstrated that PN was difficult to mantain when treating domestic sewage containing low ammonia nitrogen (40~70mg/L) at the ratio of 0:1.However, stable PN could be maintained when the ratios were 1:1, 2:1 and 3:1. The ratio of 3:1 was more efficient than the others. In the process of 0:1, 1:1, 2:1 and 3:1, ammonia utilization rate increased by 29.57%、44.27%、45.23%、49.63%, respectively. During the whole operating period, the settleability of sludge was good with volume Index (SVI) being 65~130mL/g.

domestic sewage；partial nitritation；anoxic/aerobic ratio；ammonia utilization rate

X703.5

A

1000-6923(2016)06-1724-08

張艷輝(1989-),男,河北承德人,碩士研究生,研究方向為水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復技術(shù).

2015-11-06

北京市青年拔尖團隊項目