搜索
第34卷第12期2008年12月北京工业大学学报JOURNALOFBEUINGUNIVERSITYOFTECHNOL〔沦YVol.34L地cNo.12.2008sBR和HBR两种反应器中NZo产生量的研究彭永臻’,“,尚会来`,张静蓉`,王淑莹`,刘秀红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.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090)摘要:为考察不同反应器类型对NZO产生量的影响.试验采用好氧一缺氧SBR生物反应器和间歇式复合生物反应器HBR(填料填充率:30%,运行方式:瞬间进水一曝气360min一沉淀40imn一排水20imn),研究实际生活污水脱氮过程中N20的产生与释放情况,重点考察不同生物反应器类型对脱氮过程中N20产生量的影响.结果表明.sBR系统处理实际生活污水脱氮过程中姚O主要产生于硝化阶段,不同生物反应器类型对脱氮过程中N20产生量有显著影响.sBR生物反应器和HBR生物反应器硝化过程N20产生量分别为0.76和1.48mg/L,sBR生物反应器硝化过程中N20产生量远低于BHR生物反应器NZo产生量.关扭词:HBR生物反应器;sBR生物反应器;NZO产量中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:0254一0037(2005)12一339一06N20是一种重要温室气体,可以在污水脱氮过程中释放到大气中去[’〕.它的温室效应为co:的320倍,在大气中性质十分稳定,寿命长达120a,它可以与同温层的氧原子反应生成NO,这导致了同温层中臭氧的破坏,目前大气中NZO的体积浓度估计达到310x10“”,这比工业时代以前高了8%,并以每年0.2%一0.3%的速度递增2[].目前文献报道,污水脱氮过程中排放的N20的总量约为(0.3一3)x109ta/,占全球从。排放总量的2.5%一25%3[].大气中N20的体积分数每增加1倍就会导致全球气温升高0.3℃,由此可见污水脱氮过程对于全球的NZO的排放有显著的贡献.污水脱氮过程是N20的一个重要产生源2[],目前文献报道硝化及反硝化过程均可能产生NZ()[’一4〕.污水脱氮过程中N20的产生也越来越受到人们的关注,近年来发展起来许多新的污水脱氮工艺,如短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等,它们都有一定的优点,但是其在脱氮过程产生的从O的量更值得关注,对于复合生物反应器(HBR),由于填料的内外存在一定的溶解氧(DO)梯度,容易形成同步硝化反硝化(sN)D现象,吕锡武[51在研究同步硝化反硝化过程中发现,sND脱氮工艺可以产生较少的NZo,特别是在较高的C/N和适当溶解氧浓度条件下,对于传统的sBR硝化反硝化过程中NZO的产生的研究多集中在较高氨氮浓度的配水,目前大都认为:低溶解氧(LK〕)的质量浓度(0.smg/)L和较低的SRT可促使NZO产生,刘秀红〔“〕认为:在处理生活污水过程中为减少N20的排放溶解氧浓度应该控制在1.5mg/L左右.本试验对实际生活污水脱氮过程中NZO的产生与释放进行研究,考察生活污水脱氮过程中产生NZO的主要阶段,对好氧一缺氧sBR生物反应器脱氮与间歇式复合生物反应器HBR脱氮过程中NZO的产生量进行比较,以确定反应器类型对生活污水脱氮过程中NZO产生量的影响.1材料与方法1.1试验用水水质及种泥试验用废水取自北京工业大学家属区生活污水.水质如表1所示,其中爪COD)/p(N式一N)=2.9收稿日期:2008一03一19.基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BA1C9助3);北京市教委科技创新平台项目(PXM2008_014204050843);北京工业大学研究生科技基金资助课题(YKJ一2007一063).作者简介:彭永臻(1949一),男,黑龙江哈尔滨人,教授,博士生导师.1340北京工业大学学报2008年接种污泥为北京某城市污水处理厂的回流污泥,实验初期以生活污水连续培养2个月表1试验用水水质aTble1MianPa州目”et峭ofwastewaetr项目,(COD)/,(N嘴一N),(OCD)/(mg·L一`)。(Toc)/(雌·L一’);(N田一N)/(毗·L一’),(TN)/(mg·L一’)平均值169.9453.9258.6571.221.2试验装置与运行试验装置如图1、图2所示.试验所用反应器为圆柱形,总有效容积为14L.反应器以私砂块作为微孔曝气头,采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量,试验采用2个反应器(BSR和HBR)进行对比试验.BSR采用传统时间控制模式,运行方式:好氧时间固定为300min,缺氧时间固定为100min,沉淀120min,排水20min;HBR为复合式生物反应器(填充生物立方体填料,填料填充率:30%,运行方式:瞬间进水,曝气360min,沉淀40min,排水20min).BSR每个运行周期包括进水、曝气、搅拌、沉淀、排水和闲置6个阶段.HBR每个运行周期包括进水、曝气、沉淀、排水和闲置5个阶段.2个反应器都整体密闭,好氧阶段的残余气体及缺氧阶段产生的气体经干燥去除水分后,间隔lh或0.5h收集于气体采样袋中,用湿式气体流量计和气相色谱仪分别测定所收集气体的体积和NZO浓度.同时在密闭条件下,取污泥混合液测定溶解性NZO.第12期彭永臻,等:sBR和BHR两种反应器中NZO产生量的研究13411。31.3分析方法1DO、pH值和ORp测定分别使用Mulit340i型(wTw公司)便携式多功能DO、pH值和ORP测定仪测定.试验中(C)D、NH了一N、N街一N、No多一N和MLss的分析方法均采用国家环境保护总局发布的标准方法7l[.Toc及TN使用multiN/C3100型(AnalytikJenaAG公司)TOC/TN分析仪测定.1.3.2N20的测定方法气态NZo测定,采用6sgoN型(gAilent公司)气相色谱仪,Hp一Plot/分子筛(30mX0.53mmX25拌m)毛细管色谱柱测定NZO.色谱条件:进样口温度110℃;炉温180℃;EcD检测器300℃.溶解性N20测定,溶解于活性污泥混合液中的N20采用顶空法测定.在密闭条件下,将活性污泥混合液经泥水分离后,加入0.5mL质量浓度为19/L的HgCI:溶液抑制残余微生物的活性;于水样上部加人姚,振荡o.sh后,测定上部气体中的NZO浓度.根据亨利定律计算溶解性NZO的质量浓度.本方法参考iKmohci提出的顶空法并进行了适当改进〔“〕.2结果与讨论脱氮过程中NZO产生量包括2部分,一部分溢出处理系统,释放于大气,此部分为N20释放量;另一部分溶解于活性污泥混合液中,即溶解性NZO的量.2.1sBR反应器中N20的产生情况图3给出了SBR反应器硝化反硝化过程中1个周期内三氮污染物质量浓度和COD质量浓度的典型变化图.曝气前30min有机物迅速氧化为C02,同时p(N可一N)略有下降.此阶段主要完成有机物的氧化.此后,p(COD)降低速率变缓,而NH矛一N的氧化速率加快.因此,此时处理系统主要进行硝化作用,N可一N被氧化为N--Oz一N和NO夕一N.N式一N氧化过程中,户(N(--s)一N)逐渐累积并达到最大值.此过程中NZO产生量和N20释放量均逐渐升高.在第6h,当N可一N被全部氧化后,继续曝气,NO玄一N全部转化为N--Os一N,之后停止曝气加入乙醇作为反硝化作用外碳源,进行反硝化图4给出了BSR反应器硝化反硝化过程中1个周期内释放的和溶解性NZo的典型变化规律,曝气前30min主要进行有机物的氧化,基本没有NZO产生,此后进入硝化阶段,随着硝化的进行,释放的和溶解性的N20量均逐步升高,N20释放量不断升高在硝化结束的6.sh达到最大值.硝化过程中溶解性NZO先升高,而后由于硝化即将结束和曝气的吹脱作用而逐渐降低.与氨氧化阶段相比,在亚硝酸盐氧化阶投加乙醇投加乙醇曝气搅拌ǎ一l曰·以日à、咽02之攀腾胜平平壁竺毕9早`:入入入……岁币币币币币币币```一~.一一lllllll搅拌0.160.120.080.040n,乙U,jo…nCUCUǎ一l司·切三à\咽。叫之沮拳ǎ一l曰·即日à、ǎ。O口àd\\\---派派---050100150200250300350t/mIn050100150200250300350t/minnU八曰00气ù00,`-l`Jn000onùnU一勺4,jZ`胜`ǎ一闷·切日à、ǎ之l一0之艺lùH之àd图3sBR反应器l个周期内NH犷一N,NO夕一N和COD质量浓度的典型变化规律Fig.3VariationsofnitorgenandCODduringoneeyeleinSBRreactor图4SBR反应器1个周期内释放的和溶解性N20的典型变化规律Fig.4ThePorduetionofNZOduringoneeyeleinSBRreactor4213北京工业大学学报0082年段,N20产生速率迅速降低,待硝化完成后,即TN全部转化为N--Os一N后,停止曝气并加入乙醇作为反硝化作用的外碳源,进行反硝化.反硝化过中N20释放量基本保持不变,溶解性NZO的值也降到了极低的水平.NZO转化率指NZO产生量与系统TN去除量的百分比.BSR系统稳定运行期间,硝化过程中NZO产生量为(0.56一0.88)mg/L,平均值为0.76mg/;LNZO转化率为1.16%一1.83%,平均值为1,56%.由于NZO为反硝化过程的中间产物,反硝化菌可以利用NZO作为电子受体,将硝化结束时残余的溶解性NZO进一步转化为N:.因此,反硝化过程中NZO产生量和转化率均为负值.反硝化过程中NZO的产生与多种因素有关,如:人工配水而导致的活性污泥中菌群单一,碳源不足等〔8一9〕.本试验处理的生活污水成分复杂,处理系统中微生物种群多样,并且所投加碳源足量,完全可满足反硝化的需求,因此,反硝化过程中产生NZO气体极少.BSR反应器的试验结果表明,NZO的产生和释放主要发生于硝化阶段;NH矛一N被氧化结束之前由于吹脱作用,溶解性NZO气体逐渐下降.硝化结束后释放的NZO量达到最大值.反硝化过程基本没有NZO产生,而且可将硝化过程中所产生的部分溶解态NZO还原为N:.在本试验条件下,反硝化过程有利于降低NZO产量.2·2HBR反应器中NZo的产生情况HBR反应器中1个周期内户(N式一N)、户(NOj一N)和产(OCD)的变化规律见图5.曝气前60min内p(COD)下降,一方面是BHR反应器中的填料系统对有机物有很大的吸附作用,提供给填料内部微生物反硝化作为碳源,另一方面随着曝气的进行完成有机物的氧化.此后,处理系统主要完成硝化作用,p(N田一N)逐渐降低,户(N街一N)不断升高.硝化结束时,p(N-Os一N)达到最大值13.32mg/L,p(N街一N)仅为1.63mg/L,在此过程中存在一定的同步硝化反硝化现象,从第60min到第6h,p(N时一N)浓度从40.24mg/L降到了27.45mg/L,下降了12.79mg/L,而夕(N-Os一N)仅从1.smg/L升高到了8.22mg/L,同时,N街一N基本上没有变化,反应器为14L,即有84.98mg的N被微生物同化和以气体形式释放了.HBR反应器1个周期内释放的和溶解性NZO量的典型变化规律见图6.曝气前lh内有少量的NZO产生,这是因为上一周期硝化结束后由于没有专门设立反硝化阶段,反应器中遗留了大量N研一N,虽然进水起到了一部分稀释作用,但由于刚开始系统中溶解氧很低,又有可供反硝化的碳源,系统发生了反硝化作用.之后,随着硝化反应的进行释放的NZO量逐渐增大,并且其上升速率远大于BSR系统6h反应结束后NZO释放量逐渐升到最大值1.48mg/L,而溶解性NZO的量先是波动上升达到最大值后逐渐降低至0.7拼g/L..6…201001ǎ一!闷·切日à、咽02之侧案ǎ一11·切日à、(QO口)dnUn`U,`01I0Rù4+氨氮~亚硝态氮~硝态氮-封-COD+释放NZo量00000ōj4气、,ùl0幽-.司岭二