SBR工艺短程硝化快速启动条件的优化

中国环境科学2009,29(3)：312~317ChinaEnvironmentalScienceSBR工艺短程硝化快速启动条件的优化李凌云,彭永臻∗,杨庆,顾升波,李论(北京工业大学环境与能源工程学院,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要：以低COD/TN的实际生活污水为研究对象,采用SBR反应器,对短程硝化的启动条件进行了优化.结果表明,温度30℃、溶解氧(DO)2.0mg/L、污泥龄为7d时,系统在实时控制条件下运行32周期,可以成功启动短程硝化.在总氮(TN)去除率95%的情况下,亚硝酸盐积累率(NO2--N/NOx--N)90%,随后的64d,温度恢复到常温(20~24℃),系统仍稳定运行.荧光原位杂交技术(FISH)检测表明,经过32个周期种群优化,污泥中氨氧化菌(AOB)的含量提高了38.9%,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的含量降低了53.2%.在线动态控制DO浓度和曝气时间可以逐渐淘汰系统中的NOB,从而获得稳定的短程硝化,提高系统脱氮效率.[0]关键词：SBR；短程生物脱氮；快速启动与维持；实际生活污水；实时控制中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)03-0312-06Factorsoptimizationofrapidstart-upforpartialnitrificationinSBRprocess.LILing-yun,PENGYong-zhen∗,YANGQing,GUSheng-bo,LILun(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering,CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(3)：312~317Abstract：Factorsofrapidstart-upforpartialnitrificationwereinvestigatedinthesequencingbatchreactor(SBR)treatingrealdomesticwastewaterwithlowCOD/TNratio.Itwasconcludedthattheoptimalconditionsconsistedoftemperature30℃,dissolvedoxygen(DO)2.0mg/Landsludgeretentiontime(SRT)7days.Partialnitrificationtonitritewasachievedunderreal-timecontrolin32cycles.Thenitriteaccumulationrate(NO2--N/NOx--N)wasover90%whentheTNeliminationefficiencywasabove95%.Inthesubsequent64days,thesystemwasalsosuccessfullyoperatedatroomtemperature(20~24℃).Fluorescentin-situhybridization(FISH)analysisshowedthatthepopulationofammoniaoxidizingbacteria(AOB)increasedby38.9%whilenitriteoxidizingbacteria(NOB)decreasedby53.2%after32cycles.NOBcouldbegraduallywashedoutbytheonlinecontrolofDOandaerobicduration,sosteadypartialnitrificationandnitrogenremovalefficiencycouldbeachievedandenhanced,respectively.Keywords：SBR；partialnitrification；rapidstart-upandstabilization；domesticwastewater；real-timecontrol短程硝化反硝化生物脱氮工艺具有节省曝气能耗、缩短反应时间、节省反硝化碳源、减少污泥生成量、减少反应器有效容积和节约基建费用等优点[1-2],因此如何实现与维持稳定的短程硝化反硝化成为目前污水生物脱氮领域的研究热点.以往的研究主要集中在某一因素(如高温、低DO、较短泥龄等)对短程硝化性能的影响[3-5].在系统启动阶段,培养污泥达到较高的亚硝酸盐积累率往往需要很长的时间.曾薇等[6]在两段SBR工艺中控制温度在30~32℃范围内,运行30d实现了短程硝化.吴昌永等[7]采用SBR工艺处理生活污水,温度为(28±0.5)℃,曝气量为0.3m3/h时,通过实时控制,驯化67d使亚硝酸盐积累率稳定在80以上.而Taichi等[8]研究表明,在厌氧氨氧化工艺中,温度25℃,DO5.0mg/L,污泥龄(SRT)13d时,利用游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)抑制硝化菌(NOB),实现短程硝化需要120d.Ruiz等[1]以高NH4+-N废水为研究对象,控制DO浓度为5.5mg/L,实现短程硝化需要175d.实现生物短程收稿日期：2008-09-25基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAC19B03);北京市教委科技创新平台项目(PXM2008_014204_050843);北京市科技计划项目(D07050601500000)∗责任作者,教授,[e-mail]3期李凌云等：SBR工艺短程硝化快速启动条件的优化313硝化反硝化的实质是硝化反应过程中氨氧化菌(AOB)相对于亚硝酸盐氧化菌优势增殖,使AOB成为NOB群中的优势种群.而综合各个有利于AOB生长的因素,在系统启动阶段如何快速实现短程硝化的研究未见报道.本研究旨在提出一种快速实现短程硝化反硝化的方法,探讨温度、DO和pH值的合适控制范围.1材料与方法1.1装置与材料本研究采用的SBR反应器,由有机玻璃制成,如图1所示.上部为圆柱形,底部呈圆锥体,高500mm,直径20cm,有效容积14L.在反应器壁上的垂直方向设置一排间距10cm的取样口,用以取样和排水;底部设有排泥管;以黏砂块作为微孔曝气器,采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量;由温度控制仪控制反应器内温度,温度传感器在线监测反应器内水温的变化;Multi340i型便携式多功能pH值、DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO浓度.372613951115148101214PP图1SBR试验系统与控制设备示意Fig.1TheschematicdiagramofexperimentalsystemandcontrolequipmentsinSBRprocess1.药液存放罐;2.pH值测定仪;3.温度控制仪;4.污泥储存箱;5.搅拌器;6.pH值传感器;7.温度传感器;8.曝气器;9.DO传感器;10.排泥管;11.取样口;12.废水储存箱;13.DO测定仪;14.转子流量计;15.压缩空气1.2试验用水水质试验用水为北京工业大学家属区生活污水.原水COD为127.8~279.7mg/L,NH4+-N浓度为44~65mg/L,BOD5为105~150mg/L,NO3--N浓度为0.04~0.42mg/L,NO2--N浓度为0.06~0.15mg/L,pH值为7.80~8.07.1.3分析方法COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、总碱度、MLSS等指标均采用国家规定的标准方法测定[9];TN采用multiN/C3000分析仪测定,水样经离心后测定.DO采用WTW-level2型溶解氧在线仪测定,pH值采用WTW-pH/Oxi340i型在线测定仪测定.按照Amann的操作方法进行荧光原位杂交技术(FISH)分析[10].2结果与讨论对于刚刚启动的生物脱氮反应系统,如何在短时间内实现短程硝化并能长期稳定运行,引人关注[3-8,10-11].给予AOB适宜的生长环境并结合过程控制来解决这个问题是一种新思路.在应用过程中,如何快速启动并维持较高的亚硝酸盐积累率是问题的关键,而NO2-的积累受温度、pH值、DO、泥龄、抑制剂和过程控制等因素的影响[12].2.1温度对启动短程硝化的影响生物硝化反应在4~45℃内均可进行,AOB与NOB生长的最适宜温度并不相同[13-16].Hellinga等[13]认为,实现与维持短程硝化的最佳温度为30~35℃.而Balmelle[14]与Yoo等[15]的研究表明,实现亚硝酸型硝化的最佳温度为22~27℃,至少不能低于15℃.Yang等[16]应用SBR中试系统通过对硝化反硝化过程进行实时控制,温度在11.18~25℃范围内均达到稳定的短程脱氮效果,平均亚硝化率在95%以上.但是多数研究者认为在高温(30~35℃)时维持短程硝化效果较好.在反应过程中控制较高的温度,使AOB与NOB竞争生长,最终成为污泥中的优势菌种,实现短程硝化.权衡试验的实际情况与能耗,本研究试验温度控制在30℃.2.2DO浓度对启动短程硝化的影响Wiesmann[17]的研究表明,AOB与NOB氧饱314中国环境科学29卷和常数分别为0.3,1.1mg/L,即AOB对O2的亲和能力比NOB要强的多,当DO浓度为0.3~1.1mg/L时,AOB的比增长速率比NOB大,增殖的快.Tokutomi[18]研究发现,当硝化菌群在DO1mg/L的条件下,AOB的比生长速率是NOB的2.6倍.低DO抑制了NOB的生长,出现了亚硝酸盐的积累.但是DO浓度较低时,反应周期相对较长,氨氮转化为NO2-速率相对较小.本试验通过调节曝气量,研究了DO在0.5,1.5,1.8,2.0,2.5mg/L时的比氨氧化速率的变化.由图2可见,当DO为0.5mg/L时,AOB的比氨氧化速率为0.013d-1,随着DO值升高到1.5,1.8mg/L,比氨氧化速率也上升到0.06,0.08d-1,分别是前者的4.6和6倍.继续升高DO浓度,当DO为2.0mg/L时,比氨氧化速率基本保持稳定不变,且不再增大,此时污泥中的AOB以最大速率氧化氨氮.而当DO为2.5mg/L时,比氨氧化速率并没有增大,说明硝化过程中并非DO浓度越高越好.3.02.52.01.51.00.501020304050周期数0.100.800.060.040.02比氨氧化速率(d-1)DO比氨氧化速率DO(mg/L)图2比氨氧化速率随DO的变化曲线Fig.2VariationofspecificammoniaoxidizingratewithDOconcentration通过调节曝气量,控制较低的DO,在反应系统中会出现局部的充氧不足,形成微观的缺氧小区,为同步硝化反硝化创造了条件,减少了NO2-积累,利于氨氧化反应的顺利进行.同时,在进水之后的厌氧状态,污泥快速吸收有机物储存在细胞内能进一步为同步硝化反硝化提供碳源,该作用的结果是减少系统中产生的NO2--N,即亚硝酸氧化菌的底物,可以起到减少亚硝酸氧化细菌生长机会的作用.图3为曝气过程中TN去除率曲线.0102030405060246820406080100TN去除率(%)DO(mg/L)运行时间(d)TN去除率DO图3曝气过程中DO与TN去除率随时间的变化Fig.3VariationofDOandTNlosswithtime由图3可以看出,曝气过程中都会有不同程度的TN去除,有的反应周期曝气过程中TN去除率达到60%.而本研究的目的是考察当DO1.1mg/L时,能否缩短实现短程硝化的时间.同时本着降低能耗的目的,DO浓度不能过高,因此在本试验条件中控制DO浓度为2.0