DO和进水pH值对短程硝化及半亚硝化出水水质的影响史舟

文章编号:0427-7104(2012)03-0349-08收稿日期:2012-03-11作者简介:史舟(1986—)，男，硕士研究生;张轶，女，讲师，通讯联系人，E-mail:[e-mail]和进水pH值对短程硝化及半亚硝化出水水质的影响史舟，张轶，雷中方，于小囡，林琳(复旦大学环境科学与工程系，上海200433)摘要:在常温条件下(25±2℃)，以人工配制的低C/N比废水作为处理对象，研究溶解氧(DO)浓度、进水pH值对序批式反应器(SBR)短程硝化运行稳定性及半亚硝化出水水质的影响．在本实验条件下，控制DO浓度为0．3～0．8mg·L－1，进水pH值为8．3～8．5能稳定运行短程硝化并实现半亚硝化出水．研究中还发现高浓度游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)对氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)都会产生抑制作用，其中当FNA浓度大于0．01～0．03mg·L－1，AOB和NOB活性开始受到抑制．关键词:短程硝化;半亚硝化;DO;进水pH值;NO2-N积累率中图分类号:X703．1文献标志码:A近年来由于传统硝化反硝化处理低碳氮比、高氨氮废水存在一系列问题，而短程硝化/厌氧氨氧化工艺作为新型脱氮工艺对此类废水有很好的处理效果，并且无需有机碳源的投加［1-4］，是一种更为经济环保的处理工艺．作为厌氧氨氧化的前置工艺，短程硝化是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，实现亚硝态氮(NO2-N)的积累;由厌氧氨氧化的化学计量式(1)可知，要求其前置短程硝化工艺将进水约50%的氨氮(NH3-N)转化成NO2-N，使出水［NO2-N］/［NH3-N］比例在1．3左右，即实现半亚硝化出水．与传统硝化过程相比，短程硝化可减少25%供氧量，缩短硝化反应所需要的时间，减少后续反硝化的有机碳源消耗［5-7］．根据国内外学者研究发现，影响短程硝化因素主要包括温度、DO、pH和泥龄等［8-20］．笔者以人工配制的低碳氮比废水作为处理对象，研究DO和进水pH值对短程硝化的影响，并探索本实验条件下实现短程硝化及半亚硝化出水的最佳运行条件．NH+4+1．32NO－2+0．066HCO－3+0．13H→+1．02N2+0．26NO－3+0．066CH2O0．5N0．15+2．03H2O．(1)1实验材料及方法1．1接种污泥及实验用水本实验接种污泥取自上海市曲阳污水处理厂污泥回流池．实验用水为高氨氮、低碳氮比废水，主要用(NH4)2SO4，C2H3O2Na，NaHCO3，KH2PO4，MgSO4，CaCl2等进行人工配制．其中进水NH3-N浓度控制在50～350mg-N·L－1，COD控制在500mg·L－1，进水pH值控制在8．1～8．9．1．2实验分析方法NH3-N浓度(ρ(NH3-N))和NO2-N浓度(ρ(NO2-N))采用WTWPhotolabS12药剂法测量，硝态氮(NO3-N)浓度(ρ(NO3-N))采用紫外分光光度法测量，pH值及DO浓度(ρ(DO))由HACHHQ40d数字化分析仪监测，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用重量法测量．1．3实验装置及运行方式本实验采用两个SBR反应器(Ⅰ和Ⅱ)同时进行．实验装置如图1(见第350页)所示．反应器主体由第51卷第3期2012年6月复旦学报(自然科学版)JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Vol．51No．3Jun．2012DOI:10.15943/j.cnki.fdxb-jns.2012.03.010图1SBR反应装置示意图Fig．1SchematicoftheSBRreactors玻璃制成，有效容积1．6L，内设曝气装置、搅拌器．曝气、停曝时间事先设定好并由定时器控制．反应温度由恒温水浴锅控制在θ(θ为摄氏温度)=25±2℃．反应过程中pH值及ρ(DO)由数字化分析仪实时监控．由于整个实验过程中DO均维持在较低浓度范围(ρ(DO)≤1．3mg·L－1)，为了使有机物和NH3-N充分降解和转化，将反应周期尤其是曝气时间设定在较长的时间范围:整个反应周期为0．5d，其中曝气时间为8．5h，沉淀时间为1．5h，进水和排水时间为0．5h，停滞时间为1．5h．本实验研究分以下3个阶段进行．第一阶段为反应器的启动阶段:逐步提高进水NH3-N浓度并在高浓度NH3-N(350mg-N·L－1)进水条件下实现短程硝化并维持反应器的稳定运行．第二阶段研究较高浓度NH3-N(350mg-N·L－1)进水条件下，DO对短程硝化的影响．第三阶段研究较高浓度NH3-N(350mg-N·L－1)进水条件下，不同进水pH值对短程硝化的影响．要稳定运行短程硝化并实现半亚硝化出水，必须保证NO2-N的稳定积累及控制出水［NO2-N］/［NH3-N］的比例．因此本文以NO2-N积累率(式(2))和出水［NO2-N］/［NH3-N］作为短程硝化和半亚硝化出水的评价指标．η(NO2-N)=ρ出(NO2-N)/(ρ出(NO2-N)+ρ出(NO3-N))×100%．(2)式(2)中η(NO2-N)为NO2-N积累率;ρ出(NO2-N)为出水NO2-N浓度;ρ出(NO3-N)为出水NO3-N浓度．2结果与讨论图2启动阶段进出水中N素变化曲线Fig．2Nprofilesofinfluentandeffluentinstart-upphase2．1短程硝化启动阶段在本实验中反应器Ⅰ和Ⅱ的接种污泥量分别为MLVSS3．1g/L和MLVSS3．2g·L－1，并根据反应系统内的污泥生长情况将泥龄设为15d．在短程硝化中，通常采用低ρ(DO)和高pH值进水方式启动短程硝化［8-10］．在本次实验的启动阶段，ρ(DO)和进水pH值分别控制在0．3mg-N·L－1和8．3．在启动初始阶段将进水NH3-N控制在较低浓度(50mg-N·L－1)，并根据出水［NO2-N］/［NH3-N］情况逐步提高进水NH3-N浓度:当出水［NO2-N］/［NH3-N］大于1．3并稳定运行1～2周后，提高进水NH3-N浓度．由图2可知，在启动初始阶段，硝化反应产物主要以NO3-N为主，NO2-N积累率较低．但随着反应的进行，出水NO2-N浓度及NO2-N积累率逐渐升高．在第16d，反应器Ⅰ和Ⅱ中NO2-N积累率053复旦学报(自然科学版)第51卷均超过80%，说明两个反应器已由全程硝化向短程硝化转变．在第66d，进水NH3-N浓度提升到350mg-N·L－1．在第78d，反应器Ⅰ和Ⅱ的出水［NO2-N］/［NH3-N］分别为1．4和1．2，说明两个反应器均具备实现半亚硝化出水能力，至此短程硝化启动阶段完成．由图2还可以看出，在16d之后，两反应器的NO2-N积累率一直维持在70%以上，NO2-N积累率均值分别为81．2%和82．2%，说明以低浓度DO和高pH值进水条件快速实现短程硝化具有可行性．除了低浓度DO和高pH值进水启动方式外，也有学者通过其他方式成功启动短程硝化．张可方等人通过高浓度DO使氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)得到富集，再逐步降低DO浓度，淘汰NOB，实现短程硝化［11］．李亚峰等人研究发现，通过间歇曝气的方式可以有效地减弱NOB的硝化效果，促进NO2-N的积累，在启动第8d就成功实现短程硝化［12］．2．2DO对短程硝化的影响由于AOB的氧饱和常数大于NOB［13］，因此在低浓度DO条件下，AOB对DO的亲和力要大于NOB，通过将DO控制在较低浓度范围能有效抑制NOB的反应活性，实现NO2-N的累积．国内外很多学者通过控制DO浓度成功实现短程硝化并稳定运行，一般认为短程硝化所适宜的DO浓度小于1mg·L－1［8-10］．为了研究DO对短程硝化的影响，本实验阶段控制进水NH3-N浓度为350mg-N·L－1，进水COD为500mg·L－1，进水pH值为8．3;将反应器Ⅰ的DO浓度分别控制在0．1，0．3，0．5mg·L－1;反应器Ⅱ的DO浓度分别控制在0．8，1．3mg·L－1;观察不同DO浓度条件下出水N素变化．表1不同DO条件下SBR出水水质情况Tab．1EffluentqualityfromSBRunderdifferentDOlevelconditionsρ(DO)/(mg·L－1)ρ/(mg-N·L－1)NH3-NNO2-NNO3-Nr出1)η(NO2-N)/%0．1194．55±8．27117．07±9．9523．43±0．210．60±0．2283．32±3．860．3115．17±12．11181．93±9．9841．51±9．801．58±0．0781．42±4．420．882．76±9．43190．59±10．2868．23±6．532．30±0．4173．64±1．541．362．87±8．66203．07±17．5775．61±8．603．23±0．7472．87±3．961)r出为出水时ρ(NO2-N):ρ(NH3-N)的比例，下同．氧作为硝化反应的反应基质，其浓度大小直接影响硝化反应效率．由表1可以看到，出水NH3-N浓度和NO3-N浓度随DO浓度的增大分别降低和升高，说明高浓度DO有利于硝化反应的进行;同时可以发现，NO2-N积累率随DO浓度的上升而有所减小，即过高浓度DO不利于NO2-N的稳定积累．另外，出水［NO2-N］/［NH3-N］随着DO浓度的增大而增大，并且除了ρ(DO)=0．1mg·L－1工况条件以外，其余4个工况的出水［NO2-N］/［NH3-N］均超过1．3(表1)．为了实现半亚硝化出水，需要调整各工况的曝气时间．本实验阶段采取在曝气过程中定期取样的方法，一方面监测反应过程中COD的降解情况，考察低浓度DO对COD降解的影响;另一方面监测反应过程中N素变化，以此确定不同DO浓度工况实现半亚硝出水化所需曝气时间(图3见第352页)．由图3可以看到，降低DO浓度对COD降解并没有造成显著影响，在4种不同DO浓度工况下COD的降解情况均十分良好．在前2h，各工况的COD浓度均迅速下降，4h以后COD降解过程基本结束，各工况的出水COD维持在80mg·L－1以下．由图4(见第352页)还可以看出，通过提高DO浓度可以缩短实现半亚硝化出水所需曝气时间．在ρ(DO)=1．3mg·L－1的工况条件下，曝气3．5h便能实现半亚硝化出水．虽然提高DO浓度有利于快速实现半亚硝化出水，但是NO3-N浓度也随着DO浓度的提高而快速上升:在ρ(DO)=1．3mg·L－1的工况条件下，反应体系内的NO3-N浓度在3．5h就高达50．9mg-N·L－1，NO2-N积累率仅为76．1%，出水水质不符合厌氧氨氧化进水要求．与ρ(DO)=1．3mg·L－1工况相比，ρ(DO)=0．3，0．8mg·L－1工况所需曝气时间较长，分别需要曝气7，6．5h才能实现半153第3期史舟等:DO和进水pH值对短程硝化及半亚硝化出水水质的影响图3不同DO浓度、不同进水pH值工况下1周期内COD降解情况Fig．3CODremovalunderdifferentDOconcentrationandinfluentpHconditionsduringonecycle注:不同DO浓度工况进水pH值均为8．3;不同进水pH值工况曝气DO浓度均为0．3mg·L－1．亚硝化出水．但是由于DO一直处于较低的浓度范围，出水NO3-N浓度得到较好的控制，NO2-N积累率维持在80%以上．因此在本实验条件下，为了保证半亚硝化出水水质，SBR反应器的DO浓度应维持在0．3～0．8mg·L－1．图4不同ρ(DO)工况下一周期内N素变化情况Fig．4VariationofdifferentNformsunderdifferentDOconditionsduringonecycle在以DO浓度为控制因素的短程硝化及半亚硝化出水研究当中，马放、郭海娟等人在处理高浓度NH3-N、低C/N比废水过程中，将DO浓度控制在0．5～1mg·L－1成功实现短程硝化，并在DO浓度为0．3