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....一-...............丫惊IAL一CHS硝化反应器好氧硝化和氮亏损作用研究曹文平’1(平顶山工学院市政工程系,平顶山武晓刚`张永明2467044;2上海师范大学环境工程系,上海200234)摘要向IAI,一CHS(InternalAirliftLoopwithCeramieHoneyeombSupport)峭化反应器中接种外来稍化污泥,研究了反应器内氛氮去除率变化和生物相的变化以及系统内的好氧峭化效果与HRT之间的关系。此外,对此稍化反应器好氧氮亏损的试验结果发现,当总氮为77.64一108.巧nlg/L,HRT为lh时,好氧氮亏损率平均为50.03%,而且系统内的亚峭态氮和峭态氮均处于一个较低的水平。分析认为:系统内发生氮亏损的主要原因在于反应器内蜂窝陶瓷载体特殊的结构特点和运行方式。关键词IAL一CHS峭化反应器氮亏损峭化污泥蜂窝陶瓷载体随着水体富营养化问题的日趋突现,废水脱氮问题成为水污染控制中被广泛关注的热点,其中氨氮是引发富营养化的主要原因之一。富营养化问题可能引发许多污染问题和环境危害,因此,许多国家都制定了越来越严格的氨氮排放指标体系仁`〕。在本试验过程中应用了一种气升式内循环蜂窝陶瓷反应器—IAL一CHS硝化反应器。其具有更高的微生物量和能富集生长速率低下的微生物(如亚硝酸菌和硝酸菌)。本研究选用小型的试验装置来研究并分析该类型硝化反应器脱氮特性和机理,并希望在此基础上发展和研制出一种全新的脱氮反应器。1材料与方法1.1IAL一CHS硝化反应器IAL一CHS硝化反应器为有机玻璃制成,试验装置见图1。IAL一CHS硝化反应器中心部分安装有一根直径200mm、长1000mm的导流管,反应器的上部是直径330mm、高200mm的沉淀区,在导流管中依次叠加了4个直径194mm、高240mm的圆柱形蜂窝煤状的蜂窝陶瓷载体,每2个相互叠加的蜂窝陶瓷载体之间用直径为10mm的橡皮圈分开,以强化反应器内各蜂窝载体间的横向江西省自然科学基金项目《9920015);教育部高等学校访问学者基金项目。图1试验装置示意和纵向絮流。蜂窝陶瓷载体上、下底面均匀分布着3~x3~的正六棱柱形的蜂窝孔约400个,该载体的孔隙率约为85%,比表面积约为280mZ/m3。1.2污水水质本次试验以江苏省昆山市中华园污水处理站为基地,所处理污水主要由生活污水和工业废水组成,其中大部分是来自几个大型生化制药厂的工业废水。因此,进水氨氮偏高,其水质指标为:仪泪)165.1一220.In嗯/L,NH3一N69.65一85.86nlg/L,TN77.64一108.15哩/IJ,N吓一NO,069一1.12nlg/I、,N峡一NO.O51一o.91nlg/L,pH7.11一7.97,DO妻1.8mg/L。IAL一CHS反应器作为一种新型的生物反应器,为缩短其实际应用的周期,试验中选择的HRT较短,分别为Zh、lh和23/h。同时为了更好地观察HRT对反应器硝化作用的影响,选择了HRT为154给水排水vol.33No.112007DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2007.11.050......................-.............口............叭n日`口呀居口n翻...日口目丫恒分析认为,接种污泥中含有大量的硝化菌川,有利于缩短硝化作用的稳定时间和提高反应器中硝化菌的数量和浓度。如果接种相同水质处理工艺中的硝化污泥,能缩短接种硝化菌种对新环境的适应时间。接种后第6一9天,外来的硝化菌种可能没有完全适应并吸附固定在蜂窝陶瓷载体表面,但是它的存在大大提高了反应器内的硝化作用效果;经过4天适应、稳定、繁殖和富集的作用,在蜂窝陶瓷载体壁上吸附固定了大量的硝化菌种,所以在第10一26天,氨氮去除率有了进一步的提高。2.2HRT对氨氮去除效果的影响IAL一CHS硝化反应器稳定运行20天后,提高进水水量,选择了3种HRT条件以考察HRT对氨氮去除效果的影响,分别为Zh、lh和23/h,它们对应的运行时间是第1一13天,第14一25天和第26一37天,试验结果如图3所示。8070605040302010岁、僻鲤报35791113151719212325272931333537时间d/a去除率1.412;.:426…óU00ǎ勺葬蟀。日篇赶但斌减璐lh作为重点工况,以研究氮的去除规律和机理。水样的量取是在每天上午10:00完成,测定也是当天上午12:00之前完成的。试验过程中水温为18.5一22.5℃,测定方法均按照国家标准方法进行图。1.3反应器的启动IAL一CHS硝化反应器启动并调试成功后,观察能发现剥落的生物膜中存在大量原生动物(如聚缩钟虫、累枝虫、漫游虫)和微型后生动物(如轮虫等)。由于一些原因,反应器的第一次运行被迫中止。在反应器的壳体被拆散放置33d以后,进行了反应器的第二次启动。仅在启动后的第2天,COcDr的去除率就达到了61.2%,在之后连续sd的运行中,COcDr平均去除率为54.36%,而氨氮平均去除率仅为4.46%。为了快速提高反应器的硝化作用,在第5天取样完成以后,向反应器中接种了取自两段曝气生物滤池硝化段内的硝化污泥(该两段曝气生物滤池与IAL一CHS硝化反应器进水水质完全一样),并按照正常的小水量连续运行。2结果与讨论2.1接种外来硝化污泥以提高反应器的硝化作用接种前,反应器氨氮和COcDr的平均去除率分别为4.46%和54.36%,这主要是因为氧化有机污染物的异养菌的生长速率(世代周期为20一30min)要比降解氨氮的自养菌(包括亚硝酸菌,世代周期8一39h;硝酸菌,世代周期12一59h)生长速率大得多圈。为了快速提高和稳定反应器内的硝化作用和促进硝化作用生物膜的快速形成,在第5天取样完成以后向反应器接种了大量的取自两段曝气生物滤池硝化段反冲洗出水中的硝化污泥,第6天氨氮去除率从第5天的5%迅速提高到85.7%,在第6一9天,氨氮去除率的平均值为84.7%,第10一26天,该数值保持在91.6%以上(见图2)。35791113151719212325272931333537时间d/b负菏图3HRT对反应器氨氮去除效果的影响100806040芝排醒邢468101214161820222426时间d/图2接种前后反应器氨氮去除效果从图a3可以发现,随着HRT的降低,氨氮去除率明显下降,3种HRT条件下,氨氮去除率分别为56.18%、38.99%和25.76%,分析认为HRT的降低意味着进人反应器内的污染物绝对数量上升,包括氨氮污染物数量和浓度增加,而且NH才、氧气和生物膜接触时间缩短,以致于大量的氨氮还来不及降解就被排出系统,从而导致了反应器内氨氮去除率的降低。给水排水VOI.33N0.112007155翻n翔二日旧口n泪.目.曰..`.....................-............丫犷但是从图3b可见,在试验过程中氨氮负荷一直保持在较为恒定的状态;当HRT为Zh、lh和23/h时对应的氨氮负荷分别为0.77、。.83和0.62雌(/耐填料·d)。这也说明蜂窝陶瓷载体很适合作为硝化菌种的吸附生长载体。但是另一方面也说明蜂窝陶瓷载体的壁表面能为硝化菌种提供附着的比表面积是很有限的,这注定该载体在承受水力负荷方面存在缺陷性。今后的研究将着重研发如何提高载体的比表面积以进一步提高IAL一CHS硝化反应器的硝化作用。2.3好氧氮亏损经典理论认为s[,6〕,硝化作用和反硝化作用应该严格分开,培养、驯化在两个不同的反应器内或在同一个反应器内不同的时间段进行。硝化菌必须生活在好氧环境中,而且溶解氧的浓度和硝化菌的活性有一定的正相关性;但是反硝化菌必须生活在厌氧环境中,因为溶解氧对反硝化菌是有毒物质。硝化菌种在好氧条件下能够将氨氮氧化成为NO矛和N叮,但是好氧条件下总氮数量是不会减少的;接下来由反硝化菌种在厌氧环境下将NO牙和NO了转化为气态氮(N:或N:O)并从水体中逸出而导致总氮数量的明显降低。但是本试验研究发现当HRT为lh、DO)1.8mg/L时,IAL一CHS硝化反应器在好氧过程中发现了明显的氮元素质量亏损的情况(见图4),这与传统理论相悖,进水总氮为77.64一108.15mg/L,平均为94.32mg/L;但是出水总氮只有29.49一62.68mg/L,平均为47.36mg/L,在这个好氧过程中,总氮的去除率为39.32%一65.36%,;平均去除率达到50.03%。元素亏损的原因和这一系列生化反应发生的过程机理,当HRT为lh,在本试验进水水质条件下,试验过程中连续监测了进出水NO牙和NO了的浓度,结果如图5所示。5「~进水~出水101112时间d/aNO三~进水一出水6时间d/bNO丁1011120ǐUnU,月护6产、ù302040100芝铃迷报6时间d/101112图4HRT为h1时系统总氮去除率2.4好氧氮亏损的分析为进一步研究好氧过程中总氮去除而导致的氮图5进出水NO矛和NO了的监测结果由图5可见,进水NO了和NO了的浓度并不为零,而是分别为。.069一1.12mg/L和0.051一0.91mg/L,这说明在市政污水管道中存在一定量的硝化菌,它们为氨化作用和氨氮氧化作用提供一定的前期基础,当然这些数量的硝化菌是相当有限的。在反应器缩短HRT的运行初期(第1一4天),出水中的NO丁是要比NO牙低些,这是因为亚硝酸菌的生长速率要比硝酸菌高川;随着反应器的继续运行,硝酸菌不断繁殖、适应和富集,硝酸菌的浓度与亚硝酸菌的浓度慢慢接近,所以在经过4d以后,出水中的N衡和N叮浓度相差不大,分别为1.85一4.52mg/L和0.6一4.21mg/L,此过程中NO牙和N衡净增加氮元素质量平均为4.49mg/IJ,其中NO牙增加量平均为2.48mg/L,N衡增加量平均为2.01mgI/J,而氨氮去除量平均为46.49mg/L,根据质量守恒定律,氨氮的减少量应该和N衡和N研总净增加量是一致的,但是实际上在反应器中氮元素并没有守恒,出现了明显的氮亏损现象,而且反应器内没有出现NO歹和156给水排水vol.33吻.212007....................日门曰二叨月洲口曰.目曰.目丫恒N研累积现象,即IAL一CHS硝化反应器内在好氧过程中不仅仅是将氨氮转化为N衡和N衡,而且进一步将NO牙和NO了转化为气态氮,以气体的形式从反应器中逸出,以致反应器内氮元素质量的亏损。2.5IAL一CHS硝化反应器好氧氮亏损机理探讨IAL一CHS硝化反应器内使用了特殊结构的蜂窝陶瓷载体结构和独特的运行方式是系统发生好氧氮亏损最基本的原因。氧气和废水从反应器底部同步曲折上升,由于种种原因,以致反应区蜂窝陶瓷各个载体和每个载体各蜂窝孔中的溶解氧分布不均,水循环流强弱不一。如:①试验过程中发现微孔曝气器产生的微气泡在上升过程中形成大的气泡,降低了氧气在反应器内的分布密度;②某些蜂窝孔内由于长出了较厚的生物膜,阻碍了氧气和水从其中通过而导致了其中溶解氧水平低下和水循环流不通畅。由于各蜂窝孔中的溶解氧和水循环流分布不均,在一定程度上影响了各蜂窝孔中的溶解氧水平和生物膜类型,生物膜更新速率和水循环流强弱等诸多问题。因此在整个反应区内不同的蜂窝陶瓷孔中容易形成不同的微生态环境蜂窝孔。即:①溶解氧水平高,生物膜更新快,水循环流强势的蜂窝孔(简称“完全好氧蜂窝孔”);②溶解氧水平较高,生物膜更新速率较低,水循环流也不是十分强劲的蜂窝孔(简称“好氧或微氧蜂窝孔”);③溶解氧水平很低,生物膜很厚且更新速率很低,水循环流几乎完全停止(简称“完全缺氧蜂窝孔”)。三种类型的蜂窝孔见图6。!!!犷少:::oo。。矛分uo。。欲欲扮乙蒙蒙弓弓夕飞冷;;;诺诺马BOOO麒麒戳戳’’:oo多胃、、ggg犷嚣嚣自自自勤勤勤……):。)))寡寡寡a完全好氧蜂窝孔b好氧或微氧蜂窝孔c完全缺氧蜂窝孔图6蜂窝陶瓷载体内可能存在的三种类型蜂窝孔示意在完全好氧蜂窝孔中,只存在好氧生物膜,而且都是新生的生物膜,无任何