A2O工艺处理生活污水短程硝化反硝化的研究曾薇

中国环境科学2010,30(5)：625~632ChinaEnvironmentalScienceA2O工艺处理生活污水短程硝化反硝化的研究曾薇,李磊,杨莹莹,张悦,王淑莹*(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124)摘要：在常温条件下,采用A2O工艺处理低C/N比实际生活污水,通过控制好氧区DO为0.3~0.5mg/L以及增大系统内回流比以降低好氧实际水力停留时间(AHRT),成功启动并维持了短程硝化反硝化;系统亚硝态氮积累率稳定维持在90%左右.在C/N比仅为2.34的情况下,短程硝化系统对总氮(TN)的去除率高达75.4%.通过对不同碳源类型、不同硝化类型以及不同DO水平下A2O系统脱氮效率的比较研究发现,低氧短程硝化反硝化阶段与外加碳源的全程硝化反硝化阶段的TN去除率相当.同时研究表明,低DO运行并不会导致A2O工艺发生污泥膨胀.当接种污泥为膨胀污泥时,控制DO在0.3~0.5mg/L反而有助于改善污泥沉降性能和出水水质.关键词：A2O工艺；短程硝化反硝化；生活污水中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)05-0625-08Short-cutnitrificationanddenitrificationinA2Oprocesstreatingdomesticwastewater.ZENGWei,LILei,YANGYing-ying,ZHANGYue,WANGShu-ying*(CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(5)：625~632Abstract：Atnormaltemperature,alab-scaleA2OprocesswasoperatedforthetreatmentofdomesticwastewaterwithlowC/Nratios.Short-cutnitrificationanddenitrificationwasachievedbycontrollinglowDOconcentrationof0.3~0.5mg/Landhigherinternalrecycleratiostodecreasetheactualaerobichydraulicretentiontime(HRT).Theaveragenitriteaccumulationratereachedabout90%.WhentheC/Nratiowas2.34,about75.4%ofTNcouldberemovedintheshort-cutnitrificationA2Oprocess.Theeffectsofdifferentcarbonsources,nitrificationtypesandDOlevelsonnitrogenremovalefficienciesintheA2Oprocesswerealsoinvestigated.Theexperimentalresultsshowedthattheshort-cutnitrificationatlowDOconcentrationshadthesameTNremovalefficiencyasthecompletenitrificationwiththeextracarbonsources.Moreover,theactivatedsludgesettlingcharacteristicsdidnotdeteriorate.Evenwhentheseedsludgewasbulkingsludge,sludgesettlingandtreatmentperformancewasimprovedunderlowDOconditions(0.3~0.5mg/L).Keywords：A2Oprocess；short-cutnitrificationanddenitrification；domesticwastewater传统的生物脱氮包括硝化和反硝化2个反应过程.其中硝化部分首先是由氨氧化菌(AOB)将NH4+-N氧化为NO2--N的氨氧化过程;然后是由亚硝酸盐氧化菌(NOB)将NO2--N氧化为NO3--N的亚硝态氮氧化过程.昀后通过反硝化作用将产生的NO3--N转化为N2.其中NO2--N是硝化和反硝化2个过程的中间产物.如果将NH4+-N氧化控制在亚硝化阶段,然后通过反硝化作用将NO2--N还原为N2,经NH4+-N→NO2--N→N2这样的途径完成脱氮,即短程硝化反硝化途径.短程硝化反硝化与全程硝化反硝化相比,缩短了反应时间,并可节约25%左右的供氧量,节约40%左右的反硝化所需碳源,减少污泥生成量[1],直接降低污水处理费用.实现短程硝化反硝化的关键在于抑制NOB的活性或生长速率,造成AOB的数量或者活性在硝化系统中占优势,使活性污泥系统内的氨氧化速率大于系统内的NO2--N氧化速率,从而导致亚硝酸盐的积累[2].研究发现游离氨(FA)、游离亚硝酸(FNA)[3-4]、pH值、温度、DO[5]以及抑制剂(如氯化钠)[6-7]等都能够影响AOB和NOB的代谢活收稿日期：2009-10-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878005);北京市自然科学基金资助项目(8102005);北京市优秀人才培养资助计划(20081D0-501500178)*责任作者,教授,[e-mail]626中国环境科学30卷性和生长速率.目前大多数的短程硝化都是在SBR系统中实现的[8].对于实际应用较多的连续流系统中的短程硝化反硝化的研究较少;有限的研究报道主要集中在高氨氮垃圾渗滤液等特殊污水的处理[9]和AO工艺中[10-12].而未见对处理实际生活污水的A2O工艺实现短程硝化反硝化的研究.本文以当前城市污水处理厂广泛应用的A2O工艺为研究对象,详细研究了如何在处理实际生活污水的A2O工艺中实现短程硝化反硝化,分析了系统在不同碳源类型、不同硝化类型和不同DO水平下的处理效果以及低DO对污泥沉降性能的影响.1材料与方法1.1试验装置A2O试验装置如图1所示.该装置由有机玻璃制成,由合建式的预缺氧-厌氧-缺氧-好氧反应器和二沉池组成.其中合建式反应器有效容积80L,可以通过活动隔板的设置灵活调整内部各个格室的容积和分布.试验期间将合建式反应器分为6个格室,其中第1格室为预缺氧区、第2格室为厌氧区,第3、第4格室为缺氧区,剩下的2个格室为好氧区;预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区的容积比为1:2:3:6.在预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区均安装搅拌器以提供充分的泥水混合,好氧区通过固定在反应器底端的曝气头供氧.为避免返混现象对试验结果的影响,各格室间均以连通管相连;预缺氧区和厌氧区出水采用溢流形式.二沉池采用竖流式沉淀池,有效容积为24L.试验进水全部进入厌氧区;回流污泥进入预缺氧区;内循环混合液由好氧区昀后一个格室回流到缺氧区第一格室.试验进水、回流污泥和内循环混合液流量均采用蠕动泵控制.图1A2O工艺试验装置Fig.1SchematicdiagramofA2Oprocess1.原水箱;2.蠕动泵;3.WTW测定仪;4.电动搅拌器;5.预缺氧区;6.厌氧区;7.缺氧区;8.好氧区;9.二沉池;10.出水;11.空气泵;12.流量计;13.曝气头;14.内回流;15.污泥回流;16.剩余污泥1.2试验用水及污泥采用取自某生活小区化粪池的实际生活污水作为试验用水,原水水质指标如表1所示.水质指标的范围是指试验期间水质的变化范围,即每天取1个水样进行测定并计算其平均值.该生活污水属于典型的低C/N比生活污水,平均C/N仅为2.53.在试验第2阶段向该生活污水中投加一定量的乙酸钠和丙酸钠混合物作为外碳源,COD投加当量为150mg/L,从而提高进水C/N比,以改善系统脱氮性能;该阶段进水COD为352.7~422.4mg/L,平均值为387.2mg/L;C/N为4.79~6.89,平均值为5.94.接种污泥取自北京某城市污水处理厂二沉池回流污泥,属全程硝化污泥.5期曾薇等：A2O工艺处理生活污水短程硝化反硝化的研究627表1原水水质Table1Characteristicsoftherawwastewater水质指标范围平均值COD(mg/L)105.4~270.6177.5NH4+-N(mg/L)55.5~80.769.4TN(mg/L)59.6~85.673.7C/N1.84~3.852.53pH值7.12~7.467.291.3分析测试方法分析方法采用国家规定的标准方法[13];包括COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N等,水样经滤纸过滤后进行分析测定.TN采用MultiNC3000总有机碳/总氮测定仪进行测定.DO和pH值的检测采用德国WTW-Multi-340i便携式在线测定仪进行测定.为方便数据分析,定义好氧实际水力停留时间(AHRT)和缺氧AHRT如下:AHRT(1r)VQR=++好好氧AHRT(1)VQRr=++缺缺氧2(NON)(NON)xρρ−−−=−亚硝态氮积累率式中:V好为好氧区有效容积;V缺为缺氧区有效容积;Q为进水流量;r为内回流比;R为污泥回流比;ρ(NOx--N)为好氧区第2格室出水NO3--N与NO2--N浓度之和;ρ(NO2--N)为好氧区第2格室出水NO2--N浓度.1.4试验方案试验分为8个阶段,反应器在每个阶段的运行参数如表2所示.每个试验阶段均在系统调整后稳定运行1~2周后进行采样分析.冬季反应器内水温通过温控装置控制在(22±1)℃,夏季反应器内水温为自然水温23~28℃.通过从二沉池底部排泥,控制系统SRT在15~20d,反应器内MLSS为(2500±500)mg/L.表2A2O工艺处理实际生活污水实现短程硝化的试验方案Table2Schemeoftheexperimentsforshort-cutnitrificationinA2Oprocesstreatingdomesticwastewater试验阶段进水流量Q(L/h)内回流量Qr(L/h)污泥回流量QR(L/h)HRT(h)缺氧HRT(h)好氧HRT(h)缺氧AHRT(h)好氧AHRT(h)DO(mg/L)Ⅰ(1~16d)7.8323.496.269.312.544.970.531.031.5~2.5Ⅱ(17~36d)7.8323.496.269.312.544.970.531.031.5~2.5Ⅲ(37~58d)5.2220.885.2213.963.827.450.641.240.1~0.3Ⅳ(59~76d)7.8323.496.269.312.544.970.531.030.3~0.5Ⅴ(77~104d)7.8331.326.269.312.544.970.440.860.3~0.5Ⅵ(105~116d)7.8323.496.269.312.544.970.531.030.3~0.5Ⅶ(117~124d)6.2626.365.0111.633.186.210.531.030.3~0.5Ⅷ(125~164d)5.2228.194.1813.963.827.450.531.030.3~0.52结果与讨论2.1A2O工艺短程硝化的实现与维持图2给出了在试验期间,好氧2出水中NO2--N、NO3--N含量以及NO2--N积累率的变化情况.本试验第Ⅰ和第Ⅱ阶段,采取高DO的运行方式,系统硝化类型为全程硝化;考察A2O系统在有无外碳源的情况下对TN的去除效果.由于本试验接种污泥为全程污泥,在连续流反应器中不易产生NO2--N的积累.试验第Ⅲ阶段采取低DO的运行方式,通过低氧条件下AOB和NOB生长速度上的差异[5],对NOB的不断淘洗和AOB的逐渐富集来实现短程硝化.但如图2所示,该阶段并没