氣水比對(duì)曝氣生物濾池N2O產(chǎn)生的影響

劉秀紅， 周　瑤， 孟雪征， 谷鵬超， 楊　慶， 黃斯婷

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100124；2.中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京　100872)

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氣水比對(duì)曝氣生物濾池N2O產(chǎn)生的影響

劉秀紅1，2， 周瑤1， 孟雪征1， 谷鵬超1， 楊慶1， 黃斯婷1

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100124；2.中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京100872)

城市污水； 曝氣生物濾池； 硝化反應(yīng)； 氣水比； N2O

曝氣生物濾池(biological aerated filter, BAF)是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種集過(guò)濾、生物吸附、生物氧化于一體的新型污水脫氮技術(shù)，具有水力負(fù)荷高、占地面積小、污泥產(chǎn)量少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]. 許多研究人員在采用BAF研究短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等新型脫氮工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，在好氧過(guò)程中有明顯的TN去除現(xiàn)象[2-3]. TN去除一方面是由于供氧不足和生物膜內(nèi)部微環(huán)境導(dǎo)致同步硝化反硝化反應(yīng)的發(fā)生；另一方面可能是硝化過(guò)程中N2O氣體的產(chǎn)生. 污水的生物脫氮過(guò)程是溫室氣體——N2O的重要產(chǎn)生源之一，大氣中N2O的體積分?jǐn)?shù)每增加1倍，全球地表溫度將平均上升0.3 ℃[4]. N2O體積分?jǐn)?shù)增加將對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)、人類生存環(huán)境等產(chǎn)生嚴(yán)重影響. 隨著新型污水脫氮工藝的不斷發(fā)展，N2O產(chǎn)生量增加的問(wèn)題隨之產(chǎn)生，Zeng等[5]在DO質(zhì)量濃度為0.45～0.55 mg/L的條件下，實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽型同步硝化反硝化，但N2O是反應(yīng)的主要?dú)鈶B(tài)終產(chǎn)物；Jia等[6]對(duì)同步硝化反硝化與傳統(tǒng)硝化反硝化N2O的釋放情況進(jìn)行了比較，結(jié)果表明前者N2O的釋放量為后者的4倍. 因此，N2O的產(chǎn)生問(wèn)題不容忽視. 隨著B(niǎo)AF在污水處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，污水廠及再生水廠仍有可能釋放大量的N2O，而目前此方面的研究報(bào)道較少.

氣水比是保證BAF中污染物去除的重要影響因素之一. 氣水比過(guò)大時(shí)，會(huì)造成能量的浪費(fèi)，并且氣流的摩擦、剪切作用容易對(duì)生物膜造成過(guò)度沖刷；氣水比過(guò)小時(shí)，異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌得不到充足的氧氣，影響B(tài)AF對(duì)污染物的去除效果. 目前，有關(guān)氣水比對(duì)曝氣生物濾池N2O產(chǎn)生問(wèn)題的研究未見(jiàn)報(bào)道.

因此，本試驗(yàn)采用實(shí)際城市污水，研究不同氣水比對(duì)BAF硝化效果和TN去除的影響；確定不同氣水比條件下，BAF中N2O的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化情況；通過(guò)不同氣水比條件下，BAF硝化效果、TN去除效果與N2O的產(chǎn)生情況綜合比較分析，確定本試驗(yàn)條件下BAF運(yùn)行的最佳氣水比，并為BAF中N2O的減排控制提供依據(jù).

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)用水來(lái)自北京市高碑店污水處理廠初沉池出水，水質(zhì)情況見(jiàn)表1. BAF濾速為0.6 m/h，水力停留時(shí)間為1.5 h，試驗(yàn)期間平均水溫為25～28 ℃.

表1試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

Table 1　Characteristics of wastewater mg·L-1

1.2試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

本試驗(yàn)采用上向流BAF反應(yīng)器. 試驗(yàn)裝置如圖1所示. 濾池為內(nèi)徑為20 cm的有機(jī)玻璃柱，總高為2 m. 承托層由鵝卵石組成，總高為0.15 m；濾料層采用的濾料為粒徑為4～6 mm的火山巖，總高為0.75 m，有效容積為23.6 L，濾柱外壁設(shè)有7個(gè)取樣口，取樣口間距為15 cm. 火山巖濾料的主要特性見(jiàn)表2.

1.3試驗(yàn)分析方法

1.3.1水質(zhì)分析方法

1.3.2N2O的測(cè)定

BAF中N2O的測(cè)定包括N2O釋放量和溶解態(tài)N2O兩部分. 其測(cè)定方法參考劉秀紅[7]N2O的測(cè)定方法.

N2O氣體采用Agilent 6890N氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定；色譜柱為HP-Plot/分子篩(30 m×0.53 mm內(nèi)徑×25 μm膜)；色譜條件為：進(jìn)樣口110 ℃，爐溫180 ℃；ECO檢測(cè)器300 ℃；所有氣體樣品均測(cè)定3次.

N2O釋放量測(cè)定：BAF反應(yīng)器整體密閉，排出的氣體經(jīng)干燥除水分后，收集于氣體采樣袋中. 直接用氣相色譜測(cè)定氣體中N2O的質(zhì)量濃度.

溶解態(tài)N2O采用上部空間法測(cè)定. 在密閉條件下，取沿程水樣，分別加入0.5 mL質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的HgCl2溶液抑制殘余的微量微生物的活性. 將制好的樣品放入恒溫磁力攪拌器中震蕩1 h后，測(cè)定上部氣體中N2O的質(zhì)量濃度，根據(jù)測(cè)定的N2O的質(zhì)量濃度及亨利定律計(jì)算溶解態(tài)N2O的質(zhì)量濃度.

1.4試驗(yàn)過(guò)程

BAF采用接種掛膜啟動(dòng)后，在氣水比為9.8∶1的條件下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30 d后，逐一考察氣水比為9.8∶1、5.0∶1和2.5∶1的條件下，濾池中水質(zhì)參數(shù)、N2O釋放量和溶解態(tài)N2O的變化情況，每個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間為25 d.

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2不同氣水比條件下N2O產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化情況

2.2.1不同氣水比條件下N2O的釋放比例

2.2.2不同氣水比條件下溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生量

從圖5可以看出，氣水比不同時(shí)，沿程溶解態(tài)N2O-N出現(xiàn)最高質(zhì)量濃度的位置以及最高濃度也不同，并且出水溶解態(tài)N2O-N的質(zhì)量濃度隨氣水比的減小而增加. 當(dāng)氣水比為9.8∶1時(shí)，在0～0.15 m，幾乎沒(méi)有溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生；在0.15～0.60 m，溶解態(tài)N2O-N產(chǎn)生速率逐漸變大，在層高為0.60 m時(shí)，溶解態(tài)N2O-N的質(zhì)量濃度達(dá)最大值，為0.422 mg/L；在0.6～0.9 m，溶解態(tài)N2O-N有部分被消耗，最終出水質(zhì)量濃度為0.155 mg/L. 當(dāng)氣水比為5.0∶1時(shí)，在0～0.3 m，溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生量很低；在層高為0.30～0.45 m和0.60～0.75 m，溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生速率基本相同；在0.45～0.60 m，溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生速率有所降低；在層高為0.75 m時(shí)達(dá)到最大值，為0.579 mg/L；在0.75～0.90 m，溶解態(tài)N2O-N逐漸被消耗，最終出水質(zhì)量濃度為0.274 mg/L. 當(dāng)氣水比為2.5∶1時(shí)，在0～0.6 m，溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生量很低；在0.6～0.9 m，產(chǎn)生速率逐漸增加，在層高為0.9 m時(shí)，達(dá)到最大值，為0.321 mg/L；最終出水質(zhì)量濃度為0.292 mg/L.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在氣水比為2.5∶1和9.8∶1的條件下，出水溶解態(tài)N2O-N的產(chǎn)生量分別為最高和最低；原因是氣水比為2.5∶1時(shí)，曝氣量低，氣體的吹脫作用微弱，并且在層高為0.90 m即出水區(qū)，溶解態(tài)N2O-N的質(zhì)量濃度達(dá)到最大，沒(méi)有后續(xù)的消耗；當(dāng)氣水比為9.8∶1時(shí)，曝氣量大，氣體的吹脫作用最強(qiáng)，溶解態(tài)N2O-N的最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)的層高為0.6 m，在0.6～0.9 m，是逐漸被消耗的，這是導(dǎo)致出水溶解態(tài)N2O-N質(zhì)量濃度低的主要原因.

2.3不同氣水比條件下氮素轉(zhuǎn)化與N2O產(chǎn)生的相關(guān)關(guān)系

3　結(jié)論

3) 綜合考慮硝化效果、TN去除效果以及N2O減排控制，本試驗(yàn)條件下BAF中適宜控制氣水比為5.0∶1.

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(責(zé)任編輯呂小紅)

Influence of Air-Water Ratio on the N2O Production in Biological Aerated Filter

LIU Xiuhong1，2, ZHOU Yao1, MENG Xuezheng1， GU Pengchao1, YANG Qing1, HUANG Siting1

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)

municipal wastewater； biological aerated filter； nitrification； air-water ratio； N2O

2015- 03- 10

北京市科技新星計(jì)劃資助項(xiàng)目(XX2013006)

劉秀紅(1979—)， 女， 高級(jí)工程師， 主要從事新型污水生物脫氮及其過(guò)程控制方面的研究， E-mail: lxhfei@163.com

U 461； TP 308

A

0254-0037(2016)05-0795-06

10.11936/bjutxb2015030025