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书书书 第５８卷 第１１期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．５８ Ｎｏ．１１ ２００７年１１月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （Ｃｈｉｎａ） Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００７檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文 犛犅犚法低温短程硝化实现与稳定的中试研究杨 庆１，彭永臻１，王淑莹１，杨岸明１，李凌云２（１北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京１０００２２；２青岛理工大学环境与市政学院，山东青岛２６６０３３）摘要：短程生物脱氮技术对于节省能源和碳源具有重要意义，而低温条件下实现短程硝化一直是制约该工艺推广的重要难题。以实际城市污水为研究对象，应用５４ｍ３的ＳＢＲ中试系统重点研究了低温条件下短程硝化的实现途径和稳定方法。试验结果表明，通过对系统的硝化反硝化过程进行实时过程控制，并采用分段进水的运行模式，系统在温度为１１．８～２５℃的范围内均达到了稳定的短程脱氮效果，平均总氮去除率在９６％以上，平均亚硝化率在９５％以上。长期的实时过程控制优化了系统的污泥种群结构，是低温中试ＳＢＲ系统短程硝化实现与稳定的决定性因素。关键词：ＳＢＲ法；短程硝化；低温；实时控制中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００７）１１－２９０１－０５犃犮犺犻犲狏犻狀犵犪狀犱狊狋犪犫犻犾犻狕犻狀犵狊犺狅狉狋犮狌狋狀犻狋狉狅犵犲狀狉犲犿狅狏犪犾犪狋犾狅狑狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犻狀狆犻犾狅狋狊犮犪犾犲犛犅犚犢犃犖犌犙犻狀犵１，犘犈犖犌犢狅狀犵狕犺犲狀１，犠犃犖犌犛犺狌狔犻狀犵１，犢犃犖犌犃狀犿犻狀犵１，犔犐犔犻狀犵狔狌狀２（１犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犅犲犻犼犻狀犵犳狅狉犠犪狋犲狉犙狌犪犾犻狋狔犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犠犪狋犲狉犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犚犲犮狅狏犲狉狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００２２，犆犺犻狀犪；２犛犮犺狅狅犾狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犪狀犱犕狌狀犻犮犻狆犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犙犻狀犵犱犪狅犜犲犮犺狀狅犾狅犵犻犮犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犙犻狀犵犱犪狅２６６０３３，犛犺犪狀犱狅狀犵，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏａｃｈｉｅｖｅｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｆｒｏｍｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｏｒｓａｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙａｎｄｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（１０—２０℃）ａｆｆｅｃｔｓｔｈｅａｃｔｕａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ａｌａｒｇｅｐｉｌｏｔｓｃａｌｅＳＢＲｗａｓｕｓｅｄｔｏｔｒｅａｔｒｅａｌｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．Ｔｈｅｇｏａｌｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｔａｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｍａｉｎｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｔｅｐｆｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｔｔｅｒｎ，ｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｗｉｔｈｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅａｂｏｖｅ９５％ａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｂｏｖｅ９６％ｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄａｔ１１．８—２５℃．ＴｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｐｉｌｏｔｓｃａｌｅＳＢＲｗａｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｉｎｓｌｕｄｇｅｏｗｉｎｇｔｏｌｏｎｇｔｅｒｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＳＢＲ；ｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ ２００７－０４－０２收到初稿，２００７－０６－０１收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：杨庆（１９７９—），男，博士研究生。基金项目：北京市科委———国家科技计划匹配项目（Ｚ０００５１８６０４０４２１）；“十一五”国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＣ１９Ｂ０３）；北京市教委科研基础———科技创新平台项目。 引 言短程硝化反硝化工艺是近年来国内外的研究热点［１］，而温度是影响短程硝化的重要因素之一。这 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００７－０４－０２．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＰＥＮＧＹｏｎｇｚｈｅｎ．犈－犿犪犻犾：ｐｙｚ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００６ＢＡＣ１９Ｂ０３）． 主要是由于ＡＯＢ和ＮＯＢ这两类细菌生长的最适宜温度存在着一定的差别，当温度变化时必然引起两类微生物生长速率的变化。Ｂａｌｍｅｌｌｅ等［２］认为当温度在１０～２０℃时，亚硝酸盐氧化菌的活性高于氨氧化菌的活性。温度高于２０℃时，硝化作用活性降低，同时亚硝化作用活性升高。实现短程硝化的最佳温度为２５℃。Ｈｙｕｎｇｓｅｏｋ等［３］的研究结果与Ｂａｌｍｅｌｌｅ的基本相同，认为实现短程硝化的最佳温度为２２～２７℃，或者至少不能低于１５℃。高景峰等［４］认为２８～２９℃是短程生物脱氮稳定的临界温度。短程硝化在实际中应用的例子也与温度有关，Ｈｅｌｌｉｎｇａ等［５］对ＳＨＡＲＯＮ工艺的评价认为：在３５℃的条件下，ＡＯＢ的比增长速率高于ＮＯＢ，从而实现短程硝化。从上面的研究进展中可看出，近年来大多数学者都认为短程硝化在温度较高的条件下较容易实现，而他们所采用的废水多局限于高氨氮废水，如厌氧消化上清液、养殖废水或垃圾渗滤液废水等。对于处理常年运行水温在１０～２５℃的低氨氮城市污水，如何实现低温条件下（１０～１５℃）稳定的短程硝化成为短程生物脱氮技术在全世界推广的重要难题之一。到目前为止，很少有关于低温城市污水实现与稳定短程硝化的报道。本试验在实验室前期研究的基础上［６７］，应用ＳＢＲ中试系统考察了低温对系统脱氮性能的影响，以及实时控制在实现和稳定低温短程硝化过程中的作用，进而为在低温条件下稳定实现短程硝化提供了新的思路和方法。１ 试验材料与方法１１ 试验用水与测试方法试验用水取自北京某城市污水处理厂初沉池出水，污泥取自该水厂的回流污泥，并以初沉池出水进行驯化。每日进水时间相同。原水的ＳＣＯＤ在１４０ｍｇ·Ｌ－１左右，ＴＮ在６５ｍｇ·Ｌ－１左右，Ｃ／Ｎ较低。在试验开始前适应了１．５个月，待系统具有良好生物脱氮功能后开始跟踪测定。试验中的分析方法均采用国家环境保护局发布的标准方法。水样经过滤后测定，项目包括ＳＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ、ＴＮ、ＰＯ３－４Ｐ、ｐＨ值、总碱度、ＤＯ、ＯＲＰ、ＭＬＳＳ。在线控制参数ｐＨ值、ＤＯ和ＯＲＰ的检测采用德国ＷＴＷ公司的ＩＱｓｅｎｓｏｒｎｅｔｓｙｓｔｅｍ１８４系列在线仪表及传感器。１２ 试验装置与运行方案中试反应器建于该污水处理厂初沉池附近，ＳＢＲ反应器池体由钢板焊制，内部做防腐处理，反应器的有效容积为５４ｍ３，装置如图１所示。图１ 中试反应器结构示意Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆｐｉｌｏｔｓｃａｌｅｒｅａｃｔｏｒ 在试验过程中，为节省外碳源的投量，均采用多段进水的运行方式，进水泵设置在初沉池的出水检查井中，进水量既可通过浮球液位计来控制，也可通过时间控制。当进水量满足要求后，停止进水泵，启动鼓风机进行曝气，恒定曝气量为１．４４ｍ３·ｍｉｎ－１，满足停止条件后，鼓风机停止曝气，第２次进水并启动潜水搅拌器利用原水中有机物进行缺氧反硝化，满足停止条件后继续曝气，重复进行好氧／缺氧交替的进程，直至反应器加满水，最后一次反硝化过程启动碳源投加泵为系统补充碳源。对于定时控制模式，设定第一好氧阶段为３３０ｍｉｎ，第一缺氧阶段为１８０ｍｉｎ，第二好氧阶段为２４０ｍｉｎ，加碳源的反硝化阶段为１２０ｍｉｎ。对于实时控制模式，整个反应过程中实时在线检测ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ值，根据在线传感器的信息，按照实时控制策略操作运行，逐时取样测定ＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－２Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＭＬＳＳ等指标。反应全部完成后按照设定的时间进行沉淀，之后通过滗水器排水，排水完成后进入闲置阶段等待进入下一个周期。系统的平均ＭＬＳＳ控制在２５００ｍｇ·Ｌ－１左右，ＳＲＴ为１２～１５ｄ。试验方案见表１。２ 试验结果和分析２１ 不同温度条件下系统的脱氮效果整个试验共分为４个阶段，如图２所示。在第一阶段里，先采用固定反应时间的控制方法，主要考察针对于该种水质控制参数ｐＨ值、ＤＯ、ＯＲＰ·２０９２·化 工 学 报 第５８卷 表１ 试验方案犜犪犫犾犲１ 犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狊犮犺犲犿犲ＰｈａｓｅＣｏｎｔｒｏｌ犜／℃Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ１ｆｉｘｔｉｍｅ１４—２０ｅｓｔａｂｌｉｓｈｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ２ｒｅａｌｔｉｍｅ２０—２５ｅｘａｍｉｎｅｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ；ａｃｈｉｅｖｅｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ狏犻犪ｎｉｔｒｉｔｅ３ｒｅａｌｔｉｍｅ２５±１ｌｏｎｇｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｚｅｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ狏犻犪ｎｉｔｒｉｔｅ４ｒｅａｌｔｉｍｅ２５—１１ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ狏犻犪ｎｉｔｒｉｔｅａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ图２ 温度变化及总氮去除情况Ｆｉｇ．２ ＣｈａｎｇｅｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＴＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ———ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；◆ＴＮｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 在硝化反硝化过程的变化规律，从而建立控制策略。这一阶段的温度范围是１４～２０℃，由于系统是在较低的温度下启动的，且为了保证脱氮效果，通常设定的反应时间均比较保守，因此在第一阶段每一个硝化反应结束时无亚硝酸盐积累，系统的硝化类型是典型的全程硝化反硝化。随着气温的升高，ＳＢＲ中试系统的运行温度也开始升高，第二阶段的温度范围是２０～２５℃。图３是２５℃采用实时控制模式，系统分两段进水交替好氧缺氧状态下，在线参数及污染物的变化规律。其中ｐＨ值曲线上的ａ点和ｂ点是指示两个好氧阶段氨氧化结束的关键控制点，这既保证了系统的总氮去除率在９０％以上，也为实现短程硝化创造了条件。在第三阶段系统一直保持实时控制的控制模式，此时正值夏季，系统内温度较为稳定，但基本上比大气温度要低，在（２５±１）℃的范围内，此时系统的比氨氧化速率最快，平均值为０．０９５ｄ－１。在第四阶段，随着气候进入秋季，温度逐渐降低，到了冬季，温度更是降到１１℃左右，由于长期的稳定运行及精准的过程实时控制，使得系统即使在低温条件下仍然表现出较好的脱氮效果，如图２所示第四阶段的总氮去除率仍然保持在９０％以图３ ２５℃时系统在线参数及污染物的变化规律Ｆｉｇ．３ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｏｎｌｉｎｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｐｏｌｌｕｔａｎｔｓａｔ２５℃ 上。图４是试验过程中系统在不同温度下平均的比氨氧化速率（单位微生物量单位时间内氧化氨氮的量）和比反硝化速率（单位微生物量单位时间内还原ＮＯ－狓Ｎ的量）。从图中可看出，氨氧化过程与反硝化过程均受到温度的影响，在２５℃时，系统的平均比氨氧化速率要比１２℃时高２．５７倍，而平均比反硝化速率比１２℃时高２．５３倍。图４ 不同温度下的比氨氧化速率和比反硝化速率Ｆｉｇ．４ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｒ