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氧化沟工艺低氧同步脱氮启动研究 * 左椒兰李奕君苏子杰张海郭紫波陆谢娟章北平罗凡 华中科技大学环境科学与工程学院， 武汉 430074 摘要 在常温条件下， 采用小试 Pasveer 氧化沟处理低 C/N 实际污水， 通过控制好氧区平均ρ DO 为 0. 2 ～ 0. 4 mg/L， 保持好氧区与缺氧区体积比为 1∶ 1， 成功实现低氧脱氮过程。其中， 模式 1 先接种好氧污泥并逐渐降低好氧区 DO， 然 后接种缺氧污泥; 模式 2 初始阶段保持低氧环境， 并直接接种好氧和缺氧混合污泥。结果显示 两种方式均能成功启 动低氧脱氮并保持较高的脱氮率; 同时， 当 C/N 值为 1. 94 时， 氨氮去除率较高; 当 C/N 值为 3. 00 时， 总氮去除率较 高， 低氧低碳条件下脱氮效果较好。 关键词 低氧; 氧化沟; 同步脱氮; 启动模式; 低 C/N 值 STARTUP STUDY ON NITRIFICATION AND DENITRIFICATION AT LOW DO CONCENTRATION IN OXIDATION DITCH Zuo JiaolanLi YijunSu ZijieZhang HaiGuo ZiboLu XiejuanZhang BeipingLuo Fan College of Environmental Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074， China AbstractAt normal temperature，a lab-scale Pasveer oxidation ditch was used to treat actual wastewater with low C/N ratios． Nitrification and denitrification at low dissolved oxygen DOconcentration could be started successfully by controlling DO concentration at 0. 2 ～ 0. 4mg/L in aerobic area and keeping the volume ratios between aerobic area and anoxic area at 1∶ 1． In the process，aerobic sludge was inoculated in mode 1 and DO concentration of the aerobic area was reduced gradually，then anoxic sludge was inoculated． During the startup of mode 2，DO was under low condition at all the time and mixed sludge from aerobic and anoxic area was inoculated directly． The results showed that both s could start the reactor successfully and keep high efficiency of nitrogen removal． Ammonia nitrogen removal efficiency was higher while C/N was 1. 94 ，but total nitrogen removal efficiency was higher when C/N was 3. 00． On the condition of low oxygen and low C/N ，the efficiency of nitrogen removal was high． Keywordslow oxygen; oxidation ditch;simultaneous nitrification and denitrification;startup mode;low C/N ratios; * 湖北省公关项目 2007AA301B50 ; 国家级大学生创新创业训练项目 1210487057，1210487058 ;华 中 科 技 大 学 自 主 创 新 研 究 基 金 2012QN122 。 0引言 传统生物脱氮工艺在处理低 C/N 城市污水时， 容易出现碳源不足或反硝化效果差的现象， 近年来， 为了降低脱氮成 本， 学者 们 提 出 同 步 硝 化 反 硝 化 simultaneousnitrificationanddenitrifyication， SND ［1- 3］的概念。在 SND 过程中，由于溶解氧浓度， 基质种类如 C/N， 磷的含量等对微生物种属的选择， 反应器内可能存在有机物降解、 硝化、 反硝化、 厌氧释 磷和好氧聚磷等多个生物化学过程 ［4］， 不同的反应 器中，由于原水水质的差异及自身结构特征， 所发生 的反应不一。 氧化沟的推流和特殊的溶氧微环境， 使其具有较 好的同步硝化反硝化发生条件 ［5］， 一些学者对氧化 沟实现 SND 过程进行了研究， 如 Liu Yanchen 等 ［6］认 为不同进水条件下氧化沟实现 SND 时， 存在最佳溶 解氧值 optimal DO， 即 ODO ， 且 ODO 决定于温度和 进水污泥负荷， 同时 ODO 有利于氧化沟中 SND 的实 现。溶解氧浓度及分布是氧化沟同时硝化反硝化的 决定因素， 进水 COD/TN 也直接影响总氮去除率。而 根据氨氧化菌 AOB 、 亚硝酸盐氧化菌 NOB 的氧 饱和常数分别为 0. 2 ～ 0. 4 mg/L和 1. 2 ～ 1. 5 mg/L， 可知溶解氧控制在较低水平有益于短程 SND 的实 现。本次试验基于上述原理， 采用传统 Pasveer 氧化 22 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 沟， 观测进水 C /N 值对脱氮效率的影响， 旨在掌握氧 化沟低氧 SND 工艺的启动参数， 为提高低碳氮废水 处理效率和降低处理成本提供参考。 1试验部分 1. 1试验装置 氧化沟装置由 PVC 材料制成， 有效容积为 25L， 辐流式沉淀池有效容积为 11 L。氧化沟工艺试验装 置如图 1 所示。 试验进水和回流污泥采用蠕动泵控制; 氧化沟内 置两台推流泵， 并在转角处放置曝气头; 反应器出水 流入沉淀池。 图 1氧化沟工艺试验装置 1. 2试验水质及污泥 采用某食堂废水作为试验用水， 在原污水中补充 NH4HCO3、 K2HPO4、 乙醇等。污水水质如表 1 所示。 表 1原水水质 mg/L 水质指标ρ CODρ NH 4 -Nρ TNρ TPC /N 范围61. 82 ～ 186. 01 28. 96 ～ 46. 60 29. 07 ～ 48. 13 2. 00 ～ 15. 85 1. 61 ～ 4. 67 平均值131. 6940. 5341. 026. 153. 23 试验中， 二次污泥均接种自武汉市某城市污水处 理厂好氧区和缺氧区， 属于常规硝化污泥。 1. 3试验方法 为了确保试验的可靠性， 探讨更便捷的启动方 法， 采用两种启动模式， 达到一定的脱氮率后， 稳定运 行 15 d 以上。 模式 1 在冬春季运行， 分为两个阶段 阶段Ⅰ接 种好氧污泥， 控制好氧区平均ρ DO 从5. 81 mg/L逐 渐降至1. 0 mg/L以下， 目的是让好氧污泥逐渐适应水 质以及低 DO 环境; 阶段Ⅱ在阶段Ⅰ基础上接种缺氧 污泥， 并控制好氧区的平均ρ DO 为0. 2 ～ 0. 4 mg/L。 模式 2 在春季运行， 根据模式 1 的比例 好氧污 泥∶ 缺氧污泥 1. 8∶ 1. 2 接种混合污泥。直接调节好 氧区平均ρ DO 至 0. 2 ～ 0. 4 mg/L。 两个模式的好氧区和缺氧区平均 DO 变化情况 如图 2 所示。 图 2生物池 DO 浓度变化 反应器内水温通过温控设备维持在 24 1 ℃ ， SRT 稳定在20 d， ρ MLSS 为 2 200 500mg/L。 两 个启动模式的运行参数如表 2 所示。 表 2反应器启动模式及相关参数 模式 进水流量 / L d － 1 污泥回流量 / L d － 1 回流比 / HRT/ h 1、 23648133. 3316. 67 2结果与讨论 2. 1氮的去除 2. 1. 1模式 1 条件下氮的去除 图 3a 所示， 阶段 I 反应器整体处于好氧状态， 氨 氮去除率超过 90 ，由于好氧区曝气量较大， 缺氧区 受到影响而无法保持一个良好的反硝化区域。总氮 去除率仅为 28. 6 9. 0 。 32 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 a － 进、 出水氨氮浓度;b － 进、 出水总氮浓度;c － 氨氮及总氮去除率 图 3反应器氨氮及总氮变化 阶段 II 氨氮去除率波动较阶段 I 大， 但总体仍保 持 90 以上的水平， 出水氨氮浓度低于5 mg/L， 实现 了低 DO 环境的氨氮去除，经过2 d的适应后， 反应器 总氮去除率明显上升， 最高为 77. 13 ， 出水总氮仅 8. 44 mg/L。 这与低 C/N 值进水和低 DO 环境有关。 1 在 好 氧 异 养 菌 和 好 氧 自 养 菌 的 竞 争 过 程 中 ［7］， 碳源不足对异养菌有抑制作用， 有益于硝化菌 成为优势菌属。 2 研究认为， 好氧异养菌与硝化菌相比， 前者更 具有对氨氮的亲和力， 即氨氮的合成往往先于硝化反 应 ［8］， 异养菌被抑制减少了其对氨氮的同化作用， 增 加了硝化菌可利用的底物。 3 异养菌在缺乏有机物的环境下好氧活性受到 抑制， 减缓 DO 的消耗， 有益于硝化反应的顺利进行。 4 氨氧化菌 AOB 的氧饱和常数远远低于亚硝 酸盐氧化菌 NOB ， 意味着 AOB 在低 DO 环境下仍 能够保持活性， 而 NOB 的代谢能力大幅度下降， 氧化 42 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 亚硝态氮的能力大为减弱， 而氧化沟系统内呈高混合 状态， 缺氧区平均 DO 浓度低于0. 2 mg/L，有良好的 反硝化条件， 且反硝化细菌利用亚硝态氮的速率比利 用硝态氮的速率要高， 因此系统内没有出现较高浓度 的亚硝酸盐积累， 实现了短程 SND 技术。 不能忽视的一点是 低氧 SND 工艺中， DO 浓度 不能过低。第 20 天， 氨氮去除率仅 65. 53 ， 好氧区 平均 ρ DO 仅0. 09 mg/L 因为曝气头部的微孔被大 量活性污泥堵住， 使压缩空气无法送至水中 ， 硝化 菌处于缺氧状态， 硝化反应受阻。 综上所述 低氧 SND 成功启动的原因有 1 好氧 区为低 DO 环境， 对于二沟道氧化沟能够较好地保持 缺氧区容积， 保证反硝化的进行; 2 由于低 DO 环境 和低 C /N 使异养菌的好氧反应活性降低， 更多的碳 源用于反硝化过程; 3 低 DO 环境下， AOB 适应性能 比 NOB 好， NOB 活性降低， 导致部分亚硝态氮还没 进一步氧化成硝态氮时就被作为反硝化的电子受体 消耗了。 2. 1. 2模式 2 条件下氮的去除 模式 2 启动 0 ～ 3 d 氨氮去除率较低， 仅 29. 0 3. 2 ， 主要是由于氧化沟初始为低 DO 环境， 硝化 菌暂时未能适应环境。4 ～ 6 d氨氮去除率逐步增加， 第 6 天后氨氮去除率稳定在 90 以上， 实现低氧状 态下氨氮的去除， 与模式 1 中经过适应后的硝化菌进 入低 DO 环境后的功效相当。在 0 ～ 3 d时总氮去除 率 较 低，但 第 6 天 为75. 15 ，出 水 总 氮 仅 11. 58 mg/L。后续总氮去除率均稳定在 70 以上。 模式 2 经过 5 d 的适应期后可快速启动低氧条 件下的脱氮， 其原因是 氧化沟系统中混合液存在硝 化菌和反硝化细菌， 硝化过程结束后， 由于好氧区平 均 DO 较低， 缺氧区更低， 反硝化菌能瞬时消耗硝化 反应产生的亚硝酸盐， 而剩余的总氮以硝酸盐为主; 因为硝化细菌的活性部分受到抑制， 同时， 由于反硝 化菌消耗了碳源有机物及低氧浓度的限制， 异养菌在 缺乏基质条件下的好氧活性降低， 促进 SND 反应的 进行，脱氮稳定后， 去除的 C/N ρ COD /ρ TN 值 为1. 66 ～ 1. 70， 接近于短程脱氮所需的 C/N 值， 为 1. 714， 硝酸盐的产生可能源于反应器中存有一部分 活性亚硝化菌及二沉池回流污泥带入的部分亚硝 化菌。 2. 2C /N 值影响 如前所述， C/N 对微生物脱氮有重要的影响， 其 原因为 1 C /N 影响好氧异养菌的生长， 好氧异养菌 承担大部分 COD 的去除， 若 C /N 过高， 营养物比例 也能满足基本需求， 好氧异养菌有足够的基质合成菌 体， 成为活性污泥中的优势菌种， 硝化菌在与异养菌 的竞争中处于劣势， 导致硝化反应不能正常运行; 2 C /N 值影响反硝化微生物的生长， 若 C /N 过低， 导致 反硝化过程缺乏碳源不能正常运行。图 4 为不同条 件下反应器进、 出水浓度。 图 4不同 C /N 条件下反应器进、 出水浓度 52 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 图 4a、 图 4b、 图 4c 分别给出模式 1 阶段 II， 低氧 SND 稳 定 运行后， 当 C/N 值 分 别 为 1. 94、 3. 00 和 4. 19 情况下， 进、 出水 COD、 氨氮、 亚硝态氮、 硝态氮 以及总氮的变化情况， 每个 C/N 值维持 3 ～ 5 d。 由图 4 可以看出 C /N 分别为 4. 19、 3. 00 和 1. 94 情况下， TN 去除率均达到 70 以上， 且相差不大。 C /N 为 1. 94 时， 氨氮去除率高达 99. 21 ， 而 TN 去 除率较 C /N 比为 4. 19 和 3. 00 均偏低。试验研究和 Carrera 等 ［9］研究结果一致， 他们量化了进水 C /N 值 对生物脱氮工艺的影响， 发现当进水 C /N 值从 0. 71 增加至 3. 4 时， 硝化效果降低， 并且硝化率与 C/N 值 之间的关系可以用一个指数函数来描述。由于本次 试验在氧化沟反应器中完成，溶解氧等参数可能有 微小波动， 但仍可说明 常温下， 低碳氮值 C/N ＜ 6 条件下， 可实现低氧 SND， 而且， C/N 值较低时， 氨氧 化菌活性强， 氨氮去除率较高。 各种碳氮比条件下， 对 COD 的去除不理想， 进一 步证明污水中 SND 起主要作用， 好氧异养菌被抑制， C 源的消耗主要是反硝化异养菌作用的结果。 3结论 1 在常温条件下， 通过控制氧化沟内好氧区平 均ρ DO 为 0. 2 ～ 0. 4mg/L， 并保持好氧区与缺氧区 体积比为 1∶ 1， 在处理实际低 C/N 污水时能够实现低 氧同步脱氮， 氨氮去除率可达 99. 7 ， 总氮去除率可 达 77. 31 。 2 低氧 SND 技术， 可通过先好氧， 再缺氧启动， 也可直接控制氧化沟好氧区处于低溶氧状态启动。 3 通过对不同 C/N C/N 1. 94、 3. 00、 4. 19 条 件下反应器出水状况的观察， 发现 C/N 为 1. 94 时氨 氮去除率达 99. 21 ; 而 C /N 为 3. 00， 4. 19 时总氮去 除率可达 74. 19 。进水 C /N 值处于较低值， 不影响 SND 的实现。分析认为低氧 SND 技术的实现与低 DO 环境和低 C /N 进水有关。 参考文献 ［1］周少奇， 周吉林， 范家明． 同时硝化反硝化生物脱氮技术研究进 展［J］． 环境科学与技术， 2002 2 38- 44． ［2］Kimura K，Nishiasko R，Miyoshi T，et al． Baffledmembrane bioreactor of efficient nutrient removal from municipal wastwater ［J］． Wat Res， 2008， 42 3 625- 632． ［3］Komesli O T， Teschner K， Hegemann W， et al． Vacuum membrane applications in domestic wastewater reuse［J］． Desalination， 2007， 215 1- 3 22- 28． ［4］竺云波， 王建新． 低氧 MBR 内有机物对脱氮和污泥性能的影响 ［J］． 西北农林科技大学学报， 2009， 37 9 168- 174． ［5］高廷耀， 周增炎， 朱晓君． 生物脱氮工艺中的同步硝化反硝化现 象［J］． 城市给排水， 1998， 24 12 6- 9． ［6］Liu Yanchen，Shi Hanchang，Lan Xia，et al． Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treatment［J］． Bioresouce Technology， 2010， 101 901- 906． ［7］王海东， 王淑莹， 彭永臻． 进水负荷对硝化菌与异养菌竞争关系 的影响［J］． 中国给水排水， 2006， 22 2 26- 29． ［8］竺云波， 高刚剑． 低氧 MBR 中有机物对脱氮过程的影响［J］． 浙江工业大学学报， 2009， 37 4 402 － 405． ［9］Carrera J，Vicent T，Lafuente J． Effect of influent COD /N ratio on biological nitrogen removal BNRfrom high-strength ammonium industrial wastewater ［J］．ProcessBiochemistry， 2004，39 2035 － 2041． 作者通信处左椒兰430074湖北武汉华中科技大学环境科学与 工程学院 E- mailwater86 126． com 2012 － 08 － 15 檪檪 檪 檪檪 檪 殏 殏 殏 殏 收稿 简讯 节能环保商用车推广将获财政扶持。中国政府网 18 日公布的国务院办公厅关于加强内燃机工业节能减排的意见 显示， 将出台经济激励政策。在乘用车节能惠民补贴、 农机工业财政补贴等政策的基础上， 研究制定推广节能环保型商用车的财政扶 持政策， 带动高效内燃机的发展。研究完善节能环保型内燃机产品有关税收减免政策。完善老旧农机报废更新补贴政策， 促进 农业机械节能减排。对内燃机产品提前达到节能减排相关标准的企业， 在企业技术改造、 国家级企业技术中心能力建设和科研 开发等方面研究按照规定给予奖励。 汽车产业经济研究院执行副院长王冀接受经济参考报 记者采访时说， 此前节能环保汽车的财政扶持政策主要集中在乘用 车领域， 该文件的表述意味着， 上述政策有望扩围至商用车领域。 一位汽车专家提到， 过去商用车被视为“生产工具” ， 对其进行补贴有可能干扰市场公平性， 但机动车大气污染防治压力、 我 国内燃机产品与国际先进水平较大差距等因素， 正倒逼行业利好政策出台。 摘自 经济参考报 62 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期