不同DO梯度下生活污水SBR短程硝化试验研究苏东霞

第29卷第3期高校化学工程学报No.3Vol.292015年6月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesJune2015文章编号：1003-9015(2015)03-0760-05不同DO梯度下生活污水SBR短程硝化试验研究苏东霞1,李冬1,张肖静2,曾辉平1,张功良1,周元正1,张杰1,2(1.北京工业大学建筑工程学院市政工程系水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院市政工程系城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)摘要：为探讨溶解氧(DO)对生活污水短程硝化的影响，常温条件(20~25)℃下，采用序批式反应器(SBR)，利用高DO(0.8~1.0mg⋅L−1)-低DO(0.3~0.5mg⋅L−1)梯度限氧及氨氧化率(60%)控制策略经44d成功启动短程硝化，之后逐步提高DO。结果表明，当DO小于2.5~3.0mg⋅L−1时，氨氧化速率随着初始DO的增大而逐渐增大；当DO升至4.5~5.0mg⋅L−1时，短程硝化的稳定性遭到破坏。经分析认为，短程硝化系统在较高DO下仍能稳定运行的原因主要为菌胶团絮体外异养菌对硝化菌的保护作用以及游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的联合抑制作用。关键词：常温；生活污水；短程硝化；SBR；溶解氧中图分类号：X703.1文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2015.03.039StudyonPartialNitrificationofDomesticWastewaterinaSequencingBatchReactorunderDifferentDissolvedOxygenGradientsSUDong-xia1,LIDong1,ZHANGXiao-jing2,ZENGHui-ping1,ZHANGGong-liang1,ZHOUYuan-zheng1,ZHANGJie1,2(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,MunicipalEngineering,CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,MunicipalEngineering,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)Abstract:PartialnitrificationofdomesticwastewaterwasstudiedinasequencingbatchreactorwithlimitedoxygenofhighDO(0.8~1.0mg⋅L−1)-lowDO(0.3~0.5mg⋅L−1)andammoniaoxidationrateof~60%for44days.DOconcentrationwasincreasedgraduallytostudyitsinfluenceonpartialnitrification.ResultsshowthattheammoniaoxidationrateincreaseswiththeincreaseofinitialDOconcentrationwhenDO2.5~3.0mg⋅L−1andthenitrificationstabilityisdestroyedwhenDOconcentrationrisesto4.5~5.0mg⋅L−1.ProtectiveeffectofheterotrophicbacteriaandinhibitioneffectsofFAandFNAonnitrifyingbacteriaarebeneficialforstableoperationofpartialnitrificationunderhighDOconcentrations.Keywords:normaltemperature;domesticwastewater;partialnitrification;SBR;DO1前言短程硝化与厌氧氨氧化技术组合而成的自养脱氮工艺与全程硝化反硝化工艺相比，可减少需氧量[1]、外加碳源及污泥产量[2,3]，进而节省运行费用和基建费用。作为厌氧氨氧化的前置步骤，短程硝化由于难以维持长期稳定运行，成为限制自养脱氮工艺应用的瓶颈。因此如何实现与维持稳定的短程硝化成为目前污水生物脱氮领域的研究热点。收稿日期：2013-06-18；修订日期：2013-10-14。基金项目：新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0008)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)。作者简介：苏东霞(1988-)，女，河北衡水人，北京工业大学硕士生。通讯联系人：李冬，E-mail：[e-mail]第29卷第3期苏东霞等：不同DO梯度下生活污水SBR短程硝化试验研究761目前国内外有关短程硝化的研究多集中于污泥脱水液[4,5]、垃圾渗滤液[6]等高温、高氨氮废水，而关于低氨氮废水的短程硝化启动及稳定运行的研究多局限于不含COD的配水，对化粪池生活污水在常温条件下同时进行除COD及短程硝化的研究甚少。另外，众多研究表明[7,8]，低溶解氧DO(＜1.0mg⋅L−1)下相对于NOB(Nitriteoxidizingbacteria)而言，AOB(Ammoniaoxidizingbacteria)对DO的亲和力更强，容易出现亚氮大量积累的现象，故多数关于短程硝化的研究均控制DO较低。低DO虽然能够有效抑制NOB的增殖，但其会使得氨氧化速率较低，污泥负荷较低，且易导致丝状菌污泥膨胀，不利于短程硝化应用于实际工程，提高DO可解决上述问题，但高DO条件下能否维持短程硝化的稳定运行有待研究，目前保持较高DO浓度下短程硝化稳定运行的研究为数不多。本试验直接以化粪池生活污水作为进水，在成功实现出水COD达标及短程硝化启动后，通过逐步提高DO，考察DO对生活污水SBR短程硝化的影响，探讨较高DO能否在提高氨氧化速率的同时维持短程硝化系统的稳定运行，并寻求常温生活污水SBR短程硝化系统的准佳DO及耐受DO。2实验材料与方法2.1试验装置试验采用SBR反应器，反应器由有机玻璃制成，高50cm，直径为15cm，有效容积为6L，换水比为73%。反应器底部安装内径为10cm的曝气环进行微孔曝气，由气泵及气体流量计控制曝气强度。反应器内置搅拌机，以保证泥、水、气混合均匀。此外反应器内还安置有在线pH、DO探头，保证各参数的实时在线监测。进水、曝气和排水均采用自动控制。2.2接种污泥与试验用水接种污泥取自北京高碑店污水处理厂A2/O工艺的回流污泥，接种后反应器内混合液悬浮固体浓度(MLSS)为4000mg⋅L−1。试验用水取自某教工家属西区化粪池中的生活污水，不再另外投加任何其它物质，水质情况见表1。2.3试验方法采用SBR的运行方式，包括进水(2min)、搅拌及曝气、静置沉淀(30min)、排水(2min)。每天运行2个周期，曝气时间根据周期试验结果确定，试验阶段不对污泥龄进行控制。2.4分析项目与方法DO、T、pH均采用WTW在线测定仪测定；MLSS采用MODEL711手提式测定仪测定；COD采用COD快速测定仪测定。水样分析中NH4+-N测定采用纳氏试剂光度法，NO2-N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法，NO3-N采用紫外分光光度法，其余水质指标的分析方法均采用国标方法。3结果与讨论3.1生活污水短程硝化的启动在初期的污泥驯化中，首先控制DO浓度为0.8~1.0mg⋅L−1运行10d(20个周期)，使AOB、NOB均可得到快速增殖，自第11d开始限氧，控制DO浓度至0.3~0.5mg⋅L−1，并且保持曝气时间不变，氨氧化率降低至60%左右，残留的一部分氨氮使出水中存在一定质量浓度的游离氨(FA)，利用低DO及出水FA对NOB的双重抑制将NOB淘汰出系统，最终实现短程硝化的启动。由图1可知，在前10d高DO(0.8~1.0mgL1)的运行中，出水中并没有亚氮积累。此过程中氨氮全表1试验水质情况Table1TypicalphysiochemicalpropertiesofwastewaterstudiedNH4+-N/mgL1NO2-N/mgL1NO3-N/mgL1pHCOD/mgL1BOD5/mgL1Alkalinity/mgL150~100117.0~7.8300~400120~150550~6100481216202428323640444852020406080100120Nitrosationrate/%Ammoniaoxidationrate/%ammoniaoxidationratenitrosationrateTime/d020406080100120图1启动阶段氨氧化率及亚硝化率变化趋势图Fig.1Variationofammoniaoxidationratesandnitriteaccumulationratesduringtheinitialstage762高校化学工程学报2015年6月部转化为硝氮，氨氧化率逐渐上升，由最初的62.61%上升至第6d时的99.58%，可见AOB和NOB均得到了快速增殖，但由于AOB氧化1g氨氮的细胞产率为0.29gVSS/gNH4+-N，高于NOB的0.084gVSS/gNO2-N[9]，因此即使DO浓度较高，AOB的增殖速度也要高于NOB。另外，前10d保持高DO条件，还可以将适应于低氧的NOB淘汰出系统，防止其在后续限氧阶段中保持活性、产生硝氮。由于AOB的氧饱和常数为0.2~0.4mgL1，而NOB的氧饱和常数为1.2~1.5mgL1[8]，可知AOB对氧具有较强的亲和力。低DO条件下大量的AOB优先获得溶解氧，而NOB由于缺少溶解氧使硝化作用减弱，从而限制了硝氮的产生，有利于亚氮的积累，从而富集AOB、淘汰NOB。因此自第11d起，降低DO至0.3~0.5mgL1，控制曝气时间不变，氨氧化率降低，平均值为58.4%，至第29d时出现了亚氮的积累，亚硝化率为43%，至第40d时，亚硝化率达92.67%。于是第41d开始，增加曝气时间，氨氧化率升高至80%以上，接下来3d的适应期后，亚硝化率一直连续7d稳定在90%以上，标志着生活污水SBR短程硝化实现了成功启动。降低DO后控制曝气时间不变，将氨氧化率控制在60%左右(均值为58.4%)，这样可以使出水中保留一定质量浓度的FA，启动过程中进出水的FA浓度如图2所示。由图2可知，低DO阶段(第11~41d)，进水FA浓度范围为0.82~1.56mgL1，均值为1.24mgL1，出水FA为0.15~0.57mgL1，均值为0.31mgL1。而众多研究表明，当FA为0.1~1.0mgL1时，NOB的活性开始受到抑制，因此此阶段反应过程中的FA浓度范围(0.31~1.24mgL1)也可以对NOB造成一定的抑制作用，有利于启动过程中亚氮的积累。综上，启动过程中的高DO(0.8~1.0mgL1)-低DO(0.3~0.5mgL1)梯度限氧及氨氧化率(60%左右)控制策略最终实现了短程硝化的启动，根本上由于低DO及反应过程中一定浓度的FA(0.31~1.24mg⋅L−1)二者联合抑制了NOB的增殖，促进了AOB的富集。3.2DO对氨氮去除情况的影响常温生活污水SBR短程硝化启动