DONH4N调控实现MBBR工艺生活污水短程硝化

中国环境科学2017,37(12)：4511~4517ChinaEnvironmentalScienceDO/NH4+-N调控实现MBBR工艺生活污水短程硝化赵青,卞伟,李军*,赵昕燕,阚睿哲,王文啸,孙艺齐,梁东博,张舒燕(北京工业大学建筑工程学院,北京100124)摘要：选取溶解氧(DO)浓度和出水氨氮(NH4+-N)浓度作为控制因素,探究不同温度和有机碳源投加量(COD/NH4+-N)下,实现生物膜工艺短程硝化的可行性和对DO/NH4+-N值(R值)的需求.15,20,25℃时,实现短程硝化的R值分别约为0.08,0.17,0.25,说明比值控制可实现短程硝化,且R值的降低可弥补温度降低的不利影响;DO为3.5mg/L,NH4+-N浓度为14mg/L时,短程硝化实现,而DO和NH4+-N浓度分别为1.8,3mg/L,短程硝化破坏,说明实现生物膜反应器短程硝化,由DO/NH4+-N决定,而不仅仅是DO;有机碳源含量分别为0,60mg/L时,实现短程硝化的R值由0.25升至0.38,但R=0.6短程硝化破坏,说明投加有机碳源增多,R调控范围变大,便于实现短程硝化,但R增长幅度有限.关键词：DO/NH4+-N；比值控制；MBBR；短程硝化中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)12-4511-07DO/NH4+-NcontroltoachievepartialnitrificationofmunicipalwastewaterinMBBRprocess.ZHAOQing,BIANWei,LIJun*,ZHAOXin-yan,KANRui-zhe,WANGWen-xiao,SUNYi-qi,LIANGDong-bo,ZHANGShu-yan(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(12)：4511~4517Abstract：Thispaperselectsthedissolvedoxygen(DO)concentrationandtheeffluentammoniaconcentration(NH4+-N)ascontrolfactors,exploringthefeasibilityofnitrificationandthevalueofDO/NH4+-N(R-value)inbiofilmprocessunderthedifferenttemperatureandorganiccarbonsourcedosage(COD/NH4+-N).At15,20,25℃,theDO/NH4+-Nvalueofpartialnitrificationwasabout0.08,0.17,0.25,respectively.Itshowsthatratiocontrolcanrealizepartialnitrification,andthereductionofRcanmakeupfortheadverseeffectoftemperaturereduction.WhentheconcentrationofDOwas3.5mg/Landtheammoniaconcentrationwas14mg/L,thepartialnitrificationwasachieved,whiletheconcentrationofDOandammoniarespectivelywas1.8mg/L,3mg/L,andthepartialnitrificationwasdestroyed,whichindicatedthattherealizationofpartialnitrificationinbiofilmreactorwasdecidedbyDO/NH4+-N,notjustDO.Theorganiccarboncontentwere0,60mg/Lrespectively,R-valueofpartialnitrificationincreasingfrom0.25to0.38,butthepartialnitrificationdamaginginR=0.6,whichillustratedthatthemoreorganiccarbonsourcewereadded,theregulationscopeofRisbroader,facilitatingtherealizationofpartialnitrification,buttheRamplificationislimited.Keywords：DO/NH4+-N；ratiocontrol；MBBR；partialnitrification目前我国多数采用活性污泥法实现短程硝化.从实际运行来看,活性污泥法耐冲击负荷差[1],耗能高,宜降解高氨氮废水.而生物膜法生物链长,抗冲击力强[2],更适宜处理氨氮含量偏低的城市生活污水[3].无论是从理论还是实际来看,序批式比连续流更易实现短程硝化[4-5].连续进水时,若反应器更接近推流式,易获得较高亚硝酸盐积累.完全混合态下的反应器,进水氨氮浓度立刻被稀释,进水浓度即出水浓度,而在推流模式下,反应器进水氨氮浓度逐级递减,促进氨氮向亚硝态氮转化,且此时由游离氨(FA)产生的抑制更为强烈[5],故推流式反应器更易实现短程硝化.移动床生物膜反应器(MBBR)是一种新型高效生物膜脱氮工艺,出水水质稳定,工艺简单.因此,研究连续流完全混合式MBBR工艺处理低氨氮污水具有工程意义.收稿日期：2017-05-06基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07202-013)*责任作者,教授,[e-mail]4512中国环境科学37卷短程硝化实现和维持的手段主要有:高温[6]、高pH值[7]、高FA[8-9]、高游离亚硝酸(FNA)[9]、适宜的水力停留时间(HRT)[10]、低DO[11-13]等,其调控机理是使氨氧化菌(AOB)活性高于亚硝酸盐氧化菌(NOB).部分文献指出[5,14],氧抑制是通过控制DO浓度,使得AOB增长速率高于NOB,且Bougard等[15]证实氧抑制比温度控制更易实现和维持短程硝化.最近,比值控制(DO/NH4+-N,R)实现短程硝化逐渐获得关注[16].比例控制可同时发挥氧抑制和氨抑制的双重作用,最大程度上可使氨氮100%转化为亚硝态氮.Wei等[17]在移动床生物膜反应器中采用比值控制,成功降解6~26℃无机污水,实现稳定的短程硝化,但未对含碳源污水做出研究.原水中是否含有碳源及碳源多少,直接影响生物膜外层异养菌生长.本文采用MBBR工艺,利用DO/NH4+-N调控降解低碳源低氨氮废水.研究目的是不同温度下,比值控制调控实现MBBR工艺短程硝化的可行性;不同温度下MBBR工艺短程硝化对R的需求;有机碳源含量对DO/NH4+-N调控实现短程硝化的影响,旨在对短程硝化处理实际生活污水提供参考.1材料与方法1.1实验装置12368710111213945进水出水图1实验装置示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentaldevice1.蓄水池;2.蠕动泵;3.鲍尔环;4.DO探头;5.pH探头;6.水质分析仪(WTW);7.转子流量计;8.曝气泵;9.曝气盘;10.恒温槽;11.介质;12.控制面板;13.基座实验装置如图1所示.反应器材质为有机玻璃,立方体结构,长、宽、高分别18,12,18cm,有效体积约为4.3L.实验装置外部是恒温槽(DC-0515,上海),可使反应器维持所需温度(15,20,25℃).反应器底部设有曝气盘.DO和pH值探头在线实时检测DO、pH值变化.反应器内填充鲍尔环作为生物膜载体,体积填充比约为22%.1.2接种污泥及进水水质反应器接种污泥取自北京市某污水厂曝气池,硝化性能良好,其f(MLVSS/MLSS)值约为0.75,MLSS值约为3500mg/L,SVI值约为90mL/g;MBBR连续流进水,进水水质为人工合成废水,NH4+-N(NH4Cl)浓度为58~65mg/L,COD(CH3COONa)分别为9,30,90mg/L左右,磷(KH2PO4)为2mg/L.根据工艺实际降解氨氮量,投加NaHCO3,维持反应器pH值为7.8~8.2.实验废水添加适量营养液,为微生物生理活动提供所需微量元素,各组分浓度分别为:铁(FeSO4·7H2O)1mg/L,硼(H3BO4)0.2mg/L,锰(MnCl4·4H2O)0.2mg/L,锌(ZnSO4·7H2O)0.2mg/L,铜(CuSO4·5H2O)0.1mg/L,镁(MgSO4·7H2O)0.1mg/L,镍(NiCl2·6H2O)0.2mg/L,钴(CoSO4·6H2O)0.3mg/L.1.3检测指标及分析方法NH4+-N:纳氏试剂分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:麝香草酚分光光度法;DO、pH值和T采用在线探头检测(WTW,德国).定义亚氮积累率为223NONNARNON+NON−−−−=−−,其中NO3--N、NO2--N均指由NH4+-N氧化而来的部分;MLSS、MLVSS:超声波(45kHz,120W,2~3min)剥落生物膜,离心(10000g,15min),后重量法测量.生物膜脱落后,鲍尔环烘干、称重,定义生物量为每单位质量的鲍尔环干重上MLVSS值,即mgVSS/g.1.4控制手段为实现和维持稳定短程硝化,控制方式采用比值控制,生物膜系统内氧抑制起主导地位[17].AOB实现短程硝化的主要因素,DO和NH4+-N12期赵青等：DO/NH4+-N调控实现MBBR工艺生活污水短程硝化4513浓度是AOB增殖的2个主要底物,故优先考虑使用DO/NH4+-N作为控制手段.曝气量通过转子流量计控制.NH4+-N浓度通过调节蠕动泵转速,改变反应器水力停留时间(HRT),进而调控出水NH4+-N浓度.分别控制DO和NH4+-N浓度;R表示DO/NH4+-N,通过调整DO或NH4+-N或DO和NH4+-N两者来实现R的变化.相反,为保持R不变,DO和NH4+-N并不是恒定不变的.由于控制手段精确度问题,R值会小幅度波动.Harremoes[18]认为,当满足式(1)时,生物膜反应器才会呈现氧抑制状态.2442O/NHNH4O[DO][NH]DDγ+++(1)式中,[DO]和[NH4+]是反应器中DO和NH4+质量浓度,4NHD+和2OD分别代表氨氮和氧气扩散系数,24O/NHγ+是氨氮和氧气当量系数比值.将扩散系数和当量系数数值[19]带入式(1),则2442O/NHNH4O[DO]4.570.000193.9[NH]0.0022DRDγ+++×===(2)2结果与讨论2.1MBBR运行工况接种曝气池污泥后,加入60mgN/L人工配水,将反应器置于30℃下,闷曝2~3d恢复污泥活性.然后降低温度至25℃,每次换水将泥水混合物排空50%,加入人工配水,曝气8h.经过一段时间的运行,反应器硝化性能先降低后升高,这是由于活性污泥随着换水流失,载体上生物膜活性较低,硝化能力下降,随后生物膜上细菌快速繁殖,氨氮降解加快.第15d出水氨氮浓度稳定,逐渐缩短水力停留时间至4h.控制pH=7.8~8.2,T=25℃,DO=5mg/L,每天运行3周期,第30d成功实现短积累率在90%以上,此时DO和氨氮浓度分别为2.0mg/L和10mgN/L,R=0.2,运行5d.MBBR工艺采取比值控制策略,探究不同温度(25,15,10℃)和不同有机碳源含量(COD/NH4+-N=0,0.5,1.5)对R的需求.表1中A~F阶段考察温度降低对比值控制实现短程硝化的影响,通过调节流量计和蠕动泵转速,改变DO和NH4+-N值,