常温下SBBR反应器中亚硝酸型同步硝化反硝化的实现.pdf

常温下 SBBR 反应器中亚硝酸型 同步硝化反硝化的实现 ＊ 张立秋 1,2 韦朝海 2 张可方 1 张朝升 1 方 茜 1 李淑更 2 1.广州大学土木工程学院, 广州 510006; 2.华南理工大学环境科学与工程学院, 广州 510006 摘要 采用自主设计的序批式生物膜反应器 SBBR 处理南方地区城市污水, 在常温 25～ 27 ℃ 条件下, pH 值 7 . 2～ 7. 6, 通过恒定低曝气量实现了稳定的亚硝酸型同步硝化反硝化 SND 。 试验还考察了 ρ C ρ N 对 SBBR 系统 SND 的影响。 结果表明 在 SBBR反应器中处理城市污水实现 SND 的较为适合的 ρ C ρ N 在 5～ 8, 亚硝酸氮积累率在 85以上, TN 去除率可以达到 80以上。 关键词 亚硝酸型同步硝化反硝化 SND ; SBBR; C N; 亚硝酸氮积累率 REALIZATION FOR SIMULTANEOUS NITRIFICATION DENITRIFICATION VIA NITRITE IN SEQUENCING BIOFILM BATCH REACTOR AT NORMAL TEMPERATURE Zhang Liqiu1 ,2 Wei Chaohai2 Zhang Kefang1 Zhang Chaosheng1 Fang Qian1 Li Shugeng2 1. School of Civil Engineering, Guangzhou University , Guangzhou 510006, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology , Guangzhou 510006, China Abstract Simultinious nitrification denitrification via nitrite was steadily realized in sequencing biofilm batch reactor SBBR designed independently with urban sewage in south China at normal temperature 2527 ℃and pH 7. 27. 6 of controlling low oxygen. The effect of C N ratio on SNDwas examined. The results indicated that C N ratio realizing SND in SBBR with urban sewage was 58. Nitrite nitrogen accumulated rate was over 85 and TN removal efficiency of 80 could be achieved. Keywordssimultaneous nitrification denitrification via nitrite; SBBR; C N ratio; nitrite nitrogen accumulated rate ＊国家自然科学基金资助项目 50878058, 50278036 ; 广东省自然科 学基金资助项目 8151009101000015 。 0 引言 传统的生物脱氮是将氨氮完全氧化成硝酸盐氮 再进行反硝化, 而氮的微生物转化过程中 ,氨态氮被 氧化成硝态氮是由两类独立的细菌催化完成的。这 两类细菌在生理特性及动力学特征上存在固有的差 异,对于反硝化菌无论是从 NO - 2-N 还是NO - 3- N 均可 以作为最终受氢体 。因而整个生物脱氮过程可以通 过NH 4- N ※NO - 2- N ※ N2的途径完成 ,即短程硝化反 硝化 。所谓短程硝化就是将硝化过程控制亚硝化阶 段而终止, 随后进行反硝化 。与传统硝化反硝化相 比,短程硝化反硝化不仅可以节省能耗约 25 以氧 计 ,节约碳源 40 以甲醇计 , 而且可以缩短反应 时间, 大幅度降低产生的污泥量 [ 1] 。另外, 硝化和反 硝化也可以在单一好氧反应器内完成, 即同步硝化反 硝化 SND 。SND 可以节省二沉池的容积, 具有使反 应器维持中性 pH 而无需外加酸碱等优点 [ 2] 。由于 废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统,如何 使硝化反应停止在亚硝化阶段 ,出现亚硝酸盐积累后 如何维持其长期稳定存在 ,是短程生物脱氮技术的关 键。国内外学者针对同步硝化反硝化、 短程硝化反硝 化进行了大量的研究 [ 3 -7] , 但对于SBBR反应器中SND 研究很 少, 且研究仅 限于高浓度 氨氮废水 的研 究 [ 8- 11] ,而在利用单一 SBBR 反应器处理城市污水实 现SND和亚硝酸盐积累更鲜有报道 。 本研究采用的反应器为序批式生物膜反应器 SBBR ,SBBR 反应器与传统活性污泥法 SBR 工艺相 似, 结构上更加适合培养世代周期较长的 、 细胞产率 低的氨氧化细菌 ,运行方式上更有利于产物的及时转 化和酸度的及时调节 [ 12-13] 。试验的主要目的是通过 自行设计的 SBBR 反应器常温下实现 SND 和亚硝酸 40 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 的积累 ; 并分析 ρ C ρ N 对亚硝酸氮积累率和 TN 去除率的影响关系。 1 材料和方法 1. 1 试验装置 序批式生物膜反应器装置如图 1 所示 ,采用有机 玻璃材料 ,反应器内径为15 cm ,有效水深98 cm ,有效 容积为15 L 其中沉淀区容积为1. 5 L 。反应器侧面 设有若干取样口 ,底部设有排泥、 排水口 ,采用空气泵 曝气。填料采用组合纤维 ,填料直径12 cm 。生物膜 比表面积1 300 m 2 m3 , 填充度达到 22. 5。 1高位水箱; 2反应器; 3ORP 探头; 4pH 探头; 5DO 探头; 6加热棒; 7取样口 ; 8生物膜片; 9流量计; 10曝气泵; 11曝气头; 12DO 控制装置; 13温度控制装置; 14ORP 、pH控制装置; 15排水阀; 16空气阀; 17进水阀; 18循环泵。 图 1 SBBR 反应器装置 1. 2 试验用水 原水采用自来水加淀粉配制, 营养物质氮磷分别 采用 NH4Cl 、 KH2PO4, 并投加适当微量元素 MgSO4 7H2O、 CaCl2、 FeSO4 7H2O、 NaHCO3等 。表 1 为原水主 要水质指标。 表 1 原水水质mg L ρ CODρ TNρ NH 4-N ρ NO- 3-N ρ NO- 2-N 50～ 40025. 6～ 32. 122. 37～ 29. 081 . 5～ 2. 00. 1～ 0 . 3 1. 3 生物膜的培养与驯化 SBBR 反应器试验用接种污泥取自广州猎德污水 厂AB 法 B 段的回流污泥 ,将新鲜污泥加入悬挂填料 的反应器, 同时加入模拟污水连续曝气 , 经过30 d左 右的培养 ,生物膜逐渐成熟,颜色呈黄褐色; 镜检能观 察到菌胶团、丝状菌 、累枝虫 、轮虫等, 出水 NH 4- N、 COD去除率均在 80以上, 表明生物膜挂膜成功。 然后进行同步硝化反硝化试验 , 操作步骤为瞬时进 水曝气反应5 h沉淀20 min排水10 min, 试验过 程中进出水采用全换容方式。挂膜成功后单一膜片 厚度20 mm左右 ,生物膜的厚度也达到了 3～ 4 mm 。 2 结果及分析 2. 1 SND的影响因素 2. 1. 1 SND 的实现 试验启动初期采用高 pH 值和低恒定曝气量的 模式进行试验。试验进水 ρ COD 200 mg L左右, ρ NH 4-N 为 22 ～ 29 mg L , ρ TN 为30 mg L左右, 曝 气量恒定50 L h , 每个运行周期 ρ DO 平均在 2 ～ 3 mg L, 试验过程在常温 25～ 27 ℃ 下进行, 每个试 验周期温度变化不超过2 ℃,试验前期 0～ 25 d 进水 pH 值 8～ 8. 5,从第25 d开始逐渐调低 pH 值至 7. 2～ 7. 6。SBBR反应器运行周期为5. 5 h , 进水为瞬时进 水曝气反应5 h沉淀20 min排水10 min, 每24 h 运行 2～ 3 个周期。图2 表示的是 SND 实现阶段各形 态氮随时间的变化情况。 1TN ; 2NH 4-N; 3NO - 2-N; 4NO - 3-N 。 图 2 SND 实现阶段各形态氮的变化情况 由图 2 可以看出 , 从试验开始运行的第 10 天开 始,SBBR系统出水逐渐出现 NO - 2- N 的积累, 并稳定 运行了近 15 天, 一直存在着 NO - 2-N 的积累现象, NO - 2- N 积累率在 90. 4～ 95。从第 25 天开始, 逐 步降低进水 pH 值 ,控制 pH 在 7. 2～ 7. 6,其它条件不 变,开始 NO - 2- N 浓度有所下降 , 到第 40 天又开始上 升,NO - 2-N 积累率在 76～ 92。随着周期延长 NO - 2- N 的出水浓度有逐渐下降的趋势, 并且出水中 TN 浓度也有缓慢下降的趋势 , 而出水中三氮含量 NO - 2- N 浓度占主导, 说明反应过程反硝化作用有增 加的趋势; 但出水中 NO - 2-N 积累率一直稳定在较高 的积累范围内, 即在中性范围 pH 7. 2 ～ 7. 6 内 SBBR 反应器也能实现 NO - 2-N 稳定积累 ,TN 去除率66～ 79,说明在SBBR反应器中实现 SND。分析其原因 有两个方面 a . 试验过程中始终利用低曝气量, 在曝 气的初始阶段生物膜表面 DO 一直维持在较低的水 平,由于亚硝酸菌比硝化菌对氧的亲和力强 ,因而亚 41 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 硝酸菌的生长占优势 ,通过对 DO 的竞争逐渐将硝酸 菌从系统中淘汰 [ 14] ; 而生物膜内部整个反应过程都 处于缺氧状态, 再加上生物膜具有一定的吸附储碳功 能,这就为反硝化提供了条件, 从而就实现了亚硝酸 型SND。b. 试验过程中 pH 经历了从 8. 0～ 8. 5 到 7. 2 ～ 7. 6 的阶段 ,虽然在 pH 调整时, 由于条件突然改变 对亚硝酸氮的积累有些影响, 但经过几个周期恢复, 亚硝酸氮的积累又处于较高的水平 ,并没有破坏短程 硝化和 SND。说明试验前期高 pH 8. 0～ 8. 5 和低曝 气量双重作用成功地将硝酸菌从系统中淘汰出去 ,同 时一旦实现了亚硝酸氮的积累便会达到稳定。即对 菌种选择是稳定实现亚硝酸型 SND 的关键 [ 14- 15] 。 2. 1. 2 SBBR系统典型周期COD及三氮变化分析 图3 是在第 55 天内 COD 及三氮的变化情况。 从图 3 可以看出 ,COD 浓度在反应开始的 50 min 内 迅速下降 ,在好氧反应75 min时就达到了一个稳定的 范围 。并直到反应结束都维持在 20 mg L 左右。即 在后续 4 h 硝化反应中, COD 浓度基本没有发生变 化,说明生物膜在反应初期储存了一部分碳源 ,在后 期液相浓度降低时, 会使生物内储存的碳源向液相扩 散,另外膜的自身氧化也会使得部分碳源进入液相主 体。这也为生物膜内部在缺氧条件下进行反硝化时 所需碳源提供了保证 。 NH 4- N 在好氧曝气300 min时几乎氧化完全, 可 以作为好氧反应终止的信号; TN 随着好氧反应时间 的增加逐渐降低 ,说明在单一好氧反应器内发生了明 显的SND。而 NO - 2-N 的浓度从75 min到反应结束一 直比 NO - 3-N 要高得多 ,NO - 3- N 浓度一直处于较低的 水平, 说明反应器内硝化菌大部分已被淘洗出去, 而 亚硝化菌成为优势菌群 ,周期内 TN 的去除是以亚硝 酸型 SND 为主 。 1TN ; 2NH 4-N; 3NO - 2-N ; 4NO - 3- N ; 5COD 。 图3 SBBR 系统典型周期内 COD 及三氮的变化 第 55天 2. 1. 3 ρ C ρ N 对亚硝酸型 SND 的影响 在启动 SND 试验后, 进一步考察 ρ COD ρ TN 对SND 的影响。试验条件与启动阶段相同 , 只是在 进水中调整了COD浓度。对COD浓度在 3 个范围内 进行了比较 ,第一阶段为 150 ～ 250 mg L ρ C ρ N 为 5 ～ 8 , 然后调整 ρ COD 50 ～ 100 mg L ρ C ρ N 为2 ～ 4 和 300 ～ 400 mg L ρ C ρ N 为 10～ 13 分别进行试验 ,并分析了 ρ C ρ N 对 NO - 2- N的积累率 、 TN 去除率的影响。周期中三氮变化及 去除率关系见图 4。 a 出水NO- x-N 浓度与 NO - 2-N 积累率 b 出水 NH 4-N、TN 和 TN 去除率 1TN; 2NH 4- N ; 3NO-2-N; 4NO - 3-N; 5TN 去除率; 6NO - 2- N 积累率。 图 4 不同 ρ C ρ N 三氮变化及去除率关系 图 4 可知 , ρ C ρ N 5～ 8 下运行了 10 个周 期, 系统出水 NO - 2-N 质量浓度在 0. 5 ～ 6 mg L, 但 NO - 2- N 的积累率较高, 基本在 85～ 100, 系统 ρ TN 出水在5 mg L左右 ,TN 去除率在 80～ 85; ρ C ρ N 2～ 4运行了 8 个周期 ,系统出水NO - 2- N 质量浓度一直稳定在较高值, 在 7 ～ 12 mg L ,NO - 2- N 的积累率 稳定在 95以上 , 系统 ρ TN 出水在 10 mg L左右,TN 去除率在60～ 75; ρ C ρ N 10～ 13 运行了 13个周期 ,系统出水 NO - 2- N 质量浓度 不高, 在1 mg L以下 , 同时 NO - 3- N 的浓度更低 , 导致 NO - 2-N 的积累率较高 ,基本在 70以上 ,系统 ρ TN 出水在 5 ～ 17 mg L , 以 NH 4- N 为主 , 主要是 NH 4- N 氧化不彻底 ,TN 去除率很低,平均在 55左右 。 以上数据分析表明 ρ C ρ N 比的不同对亚硝 酸氮的积累 、SND 以及 TN 的去除率都有较大的影 响。分析原因是 ρ C ρ N 为 2 ～ 4 较低时 , 由于 COD浓度较低 ,反硝化所需碳源得不到保证 ,因为每 还原 1 g NO - 2- N 需 要1. 53 g 甲 醇 [ 16] , 虽 然反 应中 NH 4- N氧化控制在亚硝酸盐阶段 ,但由于碳源不足使 42 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 反硝化受到抑制 ,因而在此工况下出水亚硝酸氮含量 较高, TN 去除率较 ρ C ρ N 为 5 ～ 8 下降 。ρ C ρ N 为 10～ 13 较高时, 即废水中存在过量的有机物 时,处在好氧区内的自养型硝化细菌的代谢活动受到 抑制 ,从而影响硝化反应 ,影响氨氮的氧化,最终使氮 的去除率下降 [ 17] ,最终可破坏 SND 系统。因此,在常 温下 25 ～ 27 ℃ , pH 值在 7. 2～ 7. 6, 进水 ρ TN 在 30 mg L左右时 , ρ C ρ N 为 5～ 8 更有利于 SND。 2. 2 SBBR 系统的生物膜扫描电镜分析 图5 为 SBBR 系统内生物膜表面和内部的扫描 电镜照片 。 a 生物膜表面电镜照片 b 生物膜内部电镜照片 图 5 SBBR 系统扫描电镜照片 由图 5 可以看出 ,生物膜表面由较密的丝状菌组 成,由于能够与氧良好接触, 细菌数量较多 , 生长较 好; 生物膜内部以杆菌为主,有少量球菌 ,内部由于缺 氧,微生物生长量相对较少 。生物膜表面有许多孔 隙,结构紧密, 孔隙小 ,而内部孔隙大 ,结构松散。营 养物质进入生物膜内部需要克服传质阻力,所以溶解 氧从生物膜外部经过表面孔隙逐渐传递到颗粒内部, 氧浓度逐渐降低形成氧梯度, 在生物膜内部造成缺氧 区域 ,形成了适宜兼氧微生物生长的环境。由以上分 析可知培养的生物膜具备了短程硝化和反硝化微生 物生长的环境条件, 为单一 SBBR 系统实现亚硝酸型 SND提供了保证 。 3 结论 1 在SBBR 反应器中 ρ C ρ N 比对 SND 影响 较大 , ρ C ρ N 为5～ 8,处理效果最理想 常温25～ 27 ℃ 和进水 pH 7. 2 ～ 7. 6 条件下 ,亚硝酸氮的积累 率可以在 85 以上,TN 去除率可以达到 80 以上。 2 通过生物膜表面和内部放大的扫描电镜照片 分析 生物膜内部、外部溶解氧浓度逐渐降低形成的 梯度差,使生物膜具备了短程硝化和反硝化微生物生 长的环境条件, 为单一SBBR系统实现短程 SND提供 了保证。 参考文献 [ 1] Yoo Hyungseok, Ahn Kyu -Hong , Lee Hyung-Jib, et al .Nityogen removal from synthetic wastewater by simultaneous nitrification and denitrification SNDvia nitrite in an intermittently reactor[ J] . 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