低耗高效生物脫氮除碳系統(tǒng)構(gòu)建與教學應(yīng)用

鐘 珊, 黃 睿, 李柏林, 李 曄, 楊丹丹

(1. 武漢理工大學 教務(wù)處, 湖北 武漢 430070；2. 武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430070)

環(huán)境科學與工程是一門以工程科學知識為基礎(chǔ)的跨學科和多學科交叉的應(yīng)用型學科,加強學生實踐能力的培養(yǎng)是環(huán)境類專業(yè)的立足之本。環(huán)境類專業(yè)相關(guān)主干課程不僅涵蓋很多基礎(chǔ)原理及理論內(nèi)容,而且還涉及到大量的工藝、技術(shù)、設(shè)備等工程應(yīng)用知識點,使學生有效掌握并融會貫通,是新形勢下環(huán)境專業(yè)課程教學的必然要求。實驗課程環(huán)節(jié)是環(huán)境類專業(yè)課程的重要教學內(nèi)容,是理論知識與工程實踐之間的橋梁,并培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往環(huán)境專業(yè)主干課程的實驗環(huán)節(jié)主要是以演示實驗為主,不能達到較好的教學效果。針對以上問題,本文構(gòu)建了環(huán)境專業(yè)主干課程“水污染控制工程”中的污水生物處理工藝實驗，使學生通過實驗可深入理解基礎(chǔ)理論并掌握工藝技術(shù)要點。

污水生物脫氮工藝是目前廣泛應(yīng)用的水污染控制方法[1]。傳統(tǒng)的硝化-反硝化技術(shù)在實際應(yīng)用中存在缺乏有機碳源、能耗大、成本高等問題[2]。眾多學者通過研究陸續(xù)開發(fā)出了多種新型脫氮工藝,以達到低耗高效脫氮除碳的目的,開發(fā)的思路主要包括以下兩點：一是通過縮減硝化和反硝化過程的路徑從而減少反應(yīng)時間,代表工藝為短程硝化反硝化工藝；二是利用新型的脫氮代謝途徑來實現(xiàn)廢水脫氮效果,典型工藝為厭氧氨氧化工藝。

基于以上研究基礎(chǔ),本文自主設(shè)計了一套新型的生物脫氮除碳裝置,將以上兩種工藝相結(jié)合,構(gòu)建短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮的實驗裝置,一方面可以削減生物脫氮過程中的能源消耗,另一方面,將本裝置應(yīng)用到實驗教學中,可提高學生的學習積極性與研究興趣,培養(yǎng)學生動手實踐能力[3-4],強化學生對理論與實踐相結(jié)合的理解,從而進一步提高學生的創(chuàng)新能力與自主探索能力。

1 裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

如式(1)：

將以上兩種工藝耦合,在2個反應(yīng)器中分別進行短程硝化反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng),短程硝化反硝化過程能夠降低系統(tǒng)總氮(TN)負荷,同時降解部分有機物。其反應(yīng)后的出水水質(zhì)適宜作為Anammox反應(yīng)器的進水,故將其作為前置工藝,通過Anammox作用進一步實現(xiàn)除氮的目的。兩者的結(jié)合可以無需有機碳源、減少曝氣量、投堿量、縮短反應(yīng)時間[11-12]等。該新型的耦合系統(tǒng)脫氮途徑見圖1，AAOB為厭氧氨氧化細菌，DNF為反硝化細菌。

圖1 新型的耦合系統(tǒng)脫氮途徑示意圖

1.2 系統(tǒng)裝置的構(gòu)建

圖2 短程硝化反硝化-厭氧氨氧化兩級耦合裝置流程圖

其中,進水系統(tǒng)是由濃縮液、微量元素和堿液3個水箱聯(lián)合一套自動控制的配水水箱構(gòu)成,通過計時器的程序設(shè)置來控制系統(tǒng)中繼電器的啟閉,從而實現(xiàn)進出水的自動控制。待進水完成后,開啟攪拌和曝氣系統(tǒng),由氣泵提供動力鼓入空氣,通過連接的轉(zhuǎn)子流量計來控制曝氣量的大小,再由微孔曝氣盤將氣體均勻地分散在系統(tǒng)中。實驗的厭氧段與好氧段則通過計時器來實現(xiàn)自動控制。

SBR1反應(yīng)器是內(nèi)徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機玻璃制備,總體積為9 L,有效體積可達6 L。反應(yīng)器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,維持反應(yīng)器的溫度恒定在30 ℃±1 ℃之間。在反應(yīng)器的頂部安裝電機,帶動下部的攪拌槳來使污泥達到充分混合狀態(tài),轉(zhuǎn)速設(shè)置在100 r/min左右。此外,在反應(yīng)器壁上設(shè)有取樣口,用于取樣和排泥；在靠近頂部法蘭盤的高度上設(shè)有溢流孔,防止自動進水系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂時引起的污水溢出現(xiàn)象。

SBR2反應(yīng)器是內(nèi)徑為17 cm的雙筒圓柱體,整體采用有機玻璃制備而成,總體積為9 L,有效液體體積可達6 L。頂部安裝電機,電機部分采用磁力聯(lián)動結(jié)構(gòu)帶動攪拌槳,轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min。磁力聯(lián)動結(jié)構(gòu)可確保反應(yīng)器處于密閉狀態(tài),為Anammox反應(yīng)提供了厭氧環(huán)境。反應(yīng)器雙筒之間是3 cm厚的水浴夾層,通過循環(huán)泵入水浴桶內(nèi)加熱后的液體來維持反應(yīng)器的溫度恒定在33 ℃±1 ℃之間?？拷敳糠ㄌm盤的高度上同樣設(shè)有溢流孔。

2 裝置實驗效果

2.1 實驗用水與接種污泥

微量元素各組分配比：MgCl2·2H2O 25.07 g/L，CaCl2·2H2O 7.34 g/L，CuCl2·2H2O 0.112 g/L，ZnSO4·7H2O 0.015 g/L，MnCl2·4H2O 1.03 g/L，NaMO4·2H2O 0.0025 g/L。

在SBR1、SBR2反應(yīng)器中分別接種實驗室培養(yǎng)的硝化污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥(見圖3)。

圖3 兩種污泥外觀形態(tài)

2.2 測定項目與方法

主要化學指標分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[13]：氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法,亞硝態(tài)氮濃度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,硝態(tài)氮采用酚二磺酸分光光度法,總氮采用過硫酸鉀氧化分光光度法測定,CODCr采用重鉻酸鉀快速測定法,溶解氧濃度、pH值采用便攜測定儀(美國哈希)測定。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 裝置的脫氮性能分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置穩(wěn)定運行階段系統(tǒng)的脫氮效果如圖4所示。

圖4 裝置脫氮效果

2.3.2 裝置的除碳效果分析

短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合裝置的除碳效果如圖5所示。

圖5 裝置除碳效果

由圖5可知,短程硝化反硝化反應(yīng)器的進水COD濃度為500 mg/L左右,進水COD負荷約為0.5 mg COD/(mgMLSS·d)；經(jīng)前置反應(yīng)器處理后，出水中的COD為214.39～246.38 mg/L,COD的去除率約為53%左右；Anammox反應(yīng)器的出水中COD質(zhì)量濃度為73.48～143.64 mg/L, AAOB已經(jīng)適應(yīng)了有機環(huán)境。前置反應(yīng)器出水中含DO,但由于反應(yīng)器是在低DO條件下運行,因此Anammox反應(yīng)器進水中所含的少量DO對AAOB活性的影響不大。此外,前置反應(yīng)器的出水pH為7.4左右,而適合AAOB生長繁殖的pH環(huán)境偏堿性,為6.7～8.3,因此pH條件對AAOB活性沒有太大的影響。

綜合上述分析聯(lián)合裝置的TN和COD去除率分別達到88%和80%左右,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行。

3 教學應(yīng)用與拓展

3.1 實驗設(shè)備的創(chuàng)新與應(yīng)用

短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化生物脫氮除碳系統(tǒng)較傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)相比,極大地減少了曝氣量、投堿量,無需外加碳源,縮短反應(yīng)時間等,將能源節(jié)約、資源節(jié)約貫徹到實踐教學中,對強化學生的環(huán)保意識具有重要意義。本實驗裝置可多次甚至連續(xù)運行,具有較長的使用年限,可為每學年的實驗課程提供設(shè)備支持,并為進一步深入研究新型生物脫氮技術(shù)提供了強有力的技術(shù)支撐。

3.2 課程考核模式的探索

傳統(tǒng)的實驗教學通常是教師在課堂上講解理論,學生在實驗時動手操作。采用新型的生物脫氮實驗裝置后,實驗課的課程考核包括課前、課內(nèi)、課后評分。課前要求學生充分理解本實驗裝置的設(shè)計理論,并進行實驗過程的自主設(shè)計,這部分的成績占總成績的30%；課內(nèi)要求學生動手操作,學習實驗裝置的運行模式及操作過程,同時進行取樣及數(shù)據(jù)監(jiān)測,著重考察學生的實踐能力,這部分的成績占總成績的40%；完成實驗部分后,學生在課后對實驗的數(shù)據(jù)進行處理與分析,同時針對實驗過程的各種問題提出優(yōu)化解決措施,這部分占總成績的30%。采用了新的教學考核模式后,不僅將新裝置的運行與實驗課程緊密結(jié)合,同時,實現(xiàn)了理論學習與實踐操作在時間和空間上的有效結(jié)合,將枯燥的理論知識與有趣的實驗過程結(jié)合在一起,大大提高了學生學習的積極性、主動性和創(chuàng)造性。

4 結(jié)語

(2) 基于課程的理論學習,學生對短程硝化反硝化與厭氧氨氧化已有了一定的初步認識,通過觀察與學習自主研制的短程硝化反硝化-厭氧氨氧化耦合脫氮除碳系統(tǒng)的運行過程和操作模式,可以使學生更深入地掌握新型生物脫氮技術(shù)的基本操作和運行模式；通過對實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和分析討論等訓練,可提高學生綜合運用所學知識全方位多角度分析、解決問題的能力；通過對實驗的優(yōu)化和改進,可強化學生的創(chuàng)新意識、科學素養(yǎng)和實踐精神。同時,這種將教學與實踐教學相整合,構(gòu)建課程理論知識與實踐知識在組織方式、知識排序方式以及知識習得方式上有機融合的新教學模式,也為今后的教學工作提供了重要的參考價值。