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第11卷第3期2011年6月安全与环境学报JournalofSafetyandEnvironmentVol.11NoJune,2011文章编号:1009一6094(2011)03一X()20一04DO和碳源投加方式对同步硝化反硝化的影响关张小玲,宋预,陈莹(长安大学环境科学与工程学院,西安710064)摘要:采用SBR反应器,以人工模拟高浓度氨氮废水为进水,研究DO质量浓度和碳源投加方式对同步硝化反硝化的影响。结果表明,在连续投加碳源的条件下,当SBR内的Do质量浓度分别为3m留l』、0·9甲岁L、。·5mg/.L0·3m岁L时,都发生了同步硝化反硝化,TN的去除率分别为24.87%、33.80%、37.07%及29.06%;DO质童浓度为0.5m叭时,NT去除效率最高。sBR内的氨氮负荷可以达到。.64kgN(/m,·d),即使在0.3m酬L的低溶解氧环境下,c0D和氨氮的去除率都可以达到90%以上。控制sBR内DO质量浓度恒定为0.5m酬L,采用一次性投加碳源方式时,TN去除率仅有30.31%;当采用连续投加碳源方式时,TN去除率为50%一60%;采用半连续投加碳源方式时,TN的去除率可达81.48%。试验过程中,活性污泥絮休粒径为。.2一0.5mm,大于普通的活性污泥工艺中的絮体。较大的絮体使得絮体内存在较大的缺氧区,有利于取得较高的脱氮效率。关键词:环境工程学;同步硝化反硝化;sB;RDO质量浓度;碳源投加方式中图分类号:X131.2文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009一6094.2011.03.田5步硝化反硝化脱氮效果都有影响。在碳源种类和碳源质量浓度(C/N)确定的条件下,SBR反应器内的碳源投加方式会影响碳源在污泥絮体内缺氧区的渗透深度,从而影响反硝化速率;污泥絮体对同步硝化反硝化脱氮效率的影响表现在污泥絮体结构和大小对基质扩散及缺氧微环境大小的影响上。本文采用BSR反应器,以人工模拟高质量浓度氨氮废水为进水,研究DO质量浓度和碳源投加方式对同步硝化反硝化脱氮效能的影响,为采用同步硝化反硝化工艺处理高质量浓度氨氮废水提供试验支持。0引`言污水生物脱氮分为硝化和反硝化两个过程,首先由硝化细菌在好氧条件下将N川转化为No牙和No-3,再由反硝化细菌在缺氧条件下将No牙和NO犷的转化为叽,从而达到脱氮的目的。由于硝化菌和反硝化菌生长环境条件相差较大,在污水生物脱氮工艺中,硝化和反硝化往往在两个不同的反应器或SBR反应器的不同反应时段完成。如果硝化在后,需将硝化废水进行回流;如果硝化在前,需要投加外加碳源。这使得传统生物脱氮工艺流程长,占地面积大,基建及运行费用较高。在高质量浓度废水生物脱氮处理中,碳源不足表现得更为明显川。同步硝化反硝化(simultaneousNitriifeationandDenitr讯ca-iotn,NSD)是解决高质量浓度氨氮废水生物脱氮工艺碳源不足的一个较好的途径。同步硝化反硝化与传统硝化相比,具有节约曝气量和碳源,节约反应器数量及占地面积小等优点[2]。反应器内的Do(nissolvedoxygen)质量浓度、碳源及污泥絮体是同步硝化反硝化脱氮效果的重要影响因素{3川。D。质量浓度一方面影响氨氮硝化速率,另一方面还影响污泥絮体内的缺氧微环境。碳源的种类、质量浓度及投加方式对同1试验方法1.1试验装置SBR试验装置系统见图1。SBR反应器总容积为SL,有效容积4L。BSR的进水、曝气、沉淀、排水等操作由程序自动控制,利用加热器温度控制仪控制反应器内温度约25℃,采用Do探头和pH计在线监测反应器内的DO和pH值。反应器的顶端设有一个取样口,底部有排泥孔(图中未标)。采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量。1.2SBR的运行周期设计sBR的1个周期为6h,包括进水(5imn)、搅拌好氧曝气(295min)、沉淀(30min)、闲置和排水(30min)。试验中以曝气时段(曝气开始到曝气结束)为考察对象。1.3试验水质采用人工模拟高氨低碳废水,其组成为NH4NHco3、NaHeo3、eH3eooNa·3HZo、KHZPo4和微量元素,具体进水物质质量浓度根据不同试验设计要求进行配制。2结果与分析2.1DO质蛋浓度对同步硝化反硝化效果的影响2.1.1DO质量浓度对TN去除率的影响Do质量浓度是影响同步硝化反硝化效果的主要因素之一。试验过程中的参数为:进水NH+4一N320mg/L,COD400mg/L(C/N比为1.25),泥龄15d,M比s控制在3000mg/L。SBR采用瞬时进水(5min),进水完毕即开始曝气(295min)控制溶解氧质量浓度分别为3mg/L、0.gmg/L、0.smg/L、o·3m酬L,各做3次间歇试验。试验过程中sBR不同时刻各物质质量浓度见表l。试验采用的碳源进水方式为一次性投加。DO控制系统搅拌机一11!①进水泵出水泵关收稿日期:2010一12一17作者简介:张小玲,副教授,博士,从事环境科学与工程研究,zhan邵iaolinglol@126.eom。基金项目:陕西省自然科学基金项目(sJOS一Z功8);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(CHD20ogCJool)进水箱出水箱图1SBR试验装置系统Fig.1SchematiesystemofSBR202011年6月张小玲,等:DO和碳源投加方式对同步硝化反硝化的影响June,2011表1的数据表明:l)不同Do质量浓度曝气过程中,都有TN去除的现象发生,NT去除率为24.87%一37.07%;2)低溶解氧(DO质量浓度蕊0.9m岁)L条件下的NT去除率均大于DO为3.0mg/L的TN去除率;3)低溶解氧下,Do质量浓度为0.5m酬L时NT的去除率最高,但由于c/N比偏低,TN去除率仅为37.07%;4)(D)质量浓度为3mg/L时,出水中硝化以NO了一N为主,0.3一0.9m岁L时,出水中硝化以No牙一N为主,即低溶解氧下发生的是经由Noj的SND;5)DO质量浓度为0.3mg/L,氨氧化已受到抑制,出水中N+.H一N质量浓度较高,不利于SND的发生。为了进一步探讨DO质量浓度对同步硝化反硝化效果影响的规律,选择1组DO质量浓度分别为3m留L、0.9m酬L、0,sm盯L、o.3m盯L的试验数据进行分析。图2和3分别为4种DO质量浓度下N咐一N降解情况、coD降解情况。2.1.2DO质量浓度对coD及氨氮降解的影响由图2可知,不同Do质量浓度下N时一N质量浓度的变化可分为两部分,有机物存在时氨氮降解速率较慢阶段和大部分有机物降解完成后氨氮降解速率增大阶段。利用图2中表1SBR不同时刻各物质质量浓度(3次试验的平均值)Table1SubstrateconcentartioninSBR(theavear罗valueofthreetimes)DO质量浓度(/mg’L一’NH犷一N170.6168.9167.5164.9SBR内曝气开始时各物质的质童浓度(/m即I一’)N0-2一NNO至一NTNCOI)200.7NH+4一N000.517.6的数据可以计算出不同DO质量浓度时最大氨氧化速率(取有机物大部分消耗完后氨氮曲线变化最大的部分)。DO质量浓度为3.0m留L、0.9m酬L、0.5mg/L及0.3m群L的条件下氨氧化速率分别为l.2600kgN/(m3·d)、l.089kgN/(m3·d)、0.6776kgN/(m3·d)、0.6146kgN/(m3·d)。表明Do质量浓度极大影响r硝化速率和硝化效果。当DO质量浓度为3mg儿时,曝气200imn后反应器内的N+.H一N质量浓度就降至约lm岁L,而当DO质量浓度为0.3mg/L时在曝气结束时(295min),氨氮的质量浓度仍为17.6m酬L。低溶解氧条件下硝化速率下降硝化效果变差的原因,一是低DO质量浓度成为硝化速率的限制因素,影响了氨氧化速率;二是在低溶解氧条件下,由于溶解氧扩散阻力的影响,污泥絮体内的好氧微环境减少,因此参与硝化的微生物减少。由图3可知,不同DO质量浓度时COD的变化趋势相同,即在曝气开始的80min内COD快速下降,随后COD慢速下降。CoD降解速率由快变慢的转折点恰与N川一N降解速率由慢变快的转折点相对应。表明在sBR反应器内coD降解先于硝化发生。Do质量浓度越低COD降解速率越慢,出水中COD越高。对照图2和3,氨氧化和COD降解存在时间的差异,COD大量降解时,氨氧化基本未开始;当氨大量氧化时,c0D已基本降解。这正是一次性碳源投加方式下NT去除率偏低的原因。2.1.3BSR内同步硝化反硝化发生机理的探讨试验结果表明,不同DO质量浓度时都有TN质量浓度降低的现象发生。反应体系内是否发生同步硝化反硝化现象还待分析。l)污泥同化作用吸收的氮。以DO质量浓度为3.0mg/L条件下的数据进行计算困。SBR内曝气结束时各物质的质址浓度(/mg·L一’)NO艺NO子一N一N110.335.4145.721.4125.67.5133.634.4115.9C(N)二YxM(N)M(CS7HOZN)X△CODCOD20.181425l巧4561TN去除率/%24.8733.8037.072906注:TN去除率=(c(TN)蟹训始一c(NT)蟹摺束)/C(TN).犷研,,,亚硝酸积累率=C(No--Z一N)/毛C(No-2一N)+e(NO夕一N)x100%〕。式中C(N)为同化吸收的氮的质量浓度,m留;LY为异养菌的产率系数,g/;gM(N)为氮元素的相对原子质量,1;4肛(esH7oZN)为细菌的相对分子质量,113:△eoD为SBR反应周期内COD去除量,m岁oL异养菌的产率系数取0.6留g,由图3可知,DO质量浓度为3.0mg/L,coD去除了180m留L,代人数据计算得出由于同-4一DO质量浓度=30mg几-{卜-DO质量浓度=0乡mg几-.。,DO质量浓度为乃mg几-,奋一DO质量浓度=住3mg几nU0Onù户ù冒)zaoé一州卜-.DO质量浓度=3刃mgL/~戒}-DO质量浓度=0夕mgL/-侧卜-00质量浓度=05mg/L于今(一Doz贡最浓度一03mg几0CU0nU0nU0000046,乙0on64勺ùǎǐ·ù切日í侧袋碉吗之一十日之100150200250300曝气时间/min图2不同DO质量浓度下SBR内的N田一N降解过程Fig.2DegradationofanlmoniainSBRatdifferent】洲Omassconcentration0100200300曝气时间/min图3不同DO质量浓度条件下SBR内COD的降解过程Fig.3DegradationofCODinSBRatdi月泌代ntDOmasseocnentration21Vol.11No安全与环境学报第11卷第3期化作用吸收了31.39m留L的TN,而TN质量浓度减少了47.48mg/L。这表明SBR内存在着同步硝化反硝化现象。2)同步硝化反硝化的机理分析利用某些微生物种群在好氧条件下具有反硝化的特性来实现同步硝化反硝化的纯种培养的结果令人满意,但目前普遍认为离实际应用尚有即离,主要原因是实际污泥中这些菌群所占份额太小〔7〕。如果要证实反应器内发生的sND是由于好氧反硝化菌引起的,最有利的证据是鉴定出好氧反硝化菌的存在。而本文在3.0mg/L的条件下的同步硝化反硝化现象可能是由于好氧反硝化菌作用的结果,也可能与污泥絮体中的缺氧微环境有关。虽然有研究表明,当Do质量浓度大于2.6m酬L时,溶解氧能完个穿透活性污泥絮体[`一,似可推论本文条件下活性污泥絮体内没有缺氧微环境的存在,但既没有测定絮体的微环境,也没有对反应器内的硝化菌进行鉴定,不能断言Do为3.Om盯L是由于好氧反硝化菌作用引起的。而低溶解氧质量浓度(Do质量浓度〔0.9m扩)L下NT去除率随着DO质量浓度的降低而增加的事实表明,活性污泥的同步硝化反硝化主要是由污泥絮体内部缺氧环境造成的。本文的同步硝化反硝化应为絮体颗粒内部的缺氧微环境造成的。试验中当DO质量浓度为0.9mg/L