不同曝气方式SBR短程硝化试验研究苏东霞

第45卷第6期()Vol.45No.62014年6月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)June2014SBR1121111,2(1.1001242.150090)在常温条件下(20~25℃)，分别采用间歇曝气SBR(1号)和连续曝气SBR(2号)，研究4个不同初始DO质量浓度(0.5~1.0，1.5~2.0，2.5~3.0和3.5~4.0mg/L)下生活污水的亚硝化。研究结果表明：2个反应器的COD去除效果相差不大；运行50d后，1号反应器的氨氮去除容积负荷比2号的大，且4个DO质量浓度下亚硝化率均在90%以上，而当2号反应器的DO质量浓度为3.5~4.0mg/L时，亚硝化率由90%逐渐下降至72.9%，后采用间歇曝气经15d成功使其亚硝化率恢复至90%。间歇曝气反应器内污泥中亚硝化菌的相对数量比连续曝气反应器的多，硝化菌则比连续曝气反应器的小。间歇曝气在节省能耗的同时可以稳定实现较高的氨氧化速率和亚硝化率，是常温生活污水SBR短程硝化长期高效稳定运行的有效手段。常温；生活污水；间歇曝气；连续曝气；短程硝化；SBRX703.1A1672−7207(2014)06−2120−10StudyonpartialnitrificationwithdifferentaerationmodesinsequencingbatchreactorSUDongxia1,LIDong1,ZHANGXiaojing2,ZHANGGongliang1,ZHOUYuanzheng1,FANDan1,ZHANGJie1,2(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)Abstract:TheshortcutnitrificationfordifferentinitialDOmassconcentrations(0.5−1.0,1.5−2.0,2.5−3.0and3.5−4.0mg/L)wasstudiedwiththeintermittentaerationSBR(No.1)andthecontinuousaerationSBR(No.2)treatingdomesticwastewateratnormaltemperatureof20−25℃.TheresultsshowthattherearenofundamentalrealdistinctionsinCODremovalefficiencybetweenNo.1andNo.2.Also,whenthetworeactorsrunfor50d,theammonianitrogenremovalvolumeloadingofNo.1ismorethanNo.2.Thenitrosationrateof1#isstillabove90%duringfourDOperiods,whilethenitrosationrateofNo.2decreasefrom90%to72.9%graduallyaftertheDOmassconcentrationisincreasedto3.5−4.0mg/Landthenittakes15dtomakethenitrosationrateofNo.2backto90%bytheuseofintermittentaeration.Therelativequantityofammoniaoxidizingbacteriaismoreandtherelativequantityofnitriteoxidizingbacteriaislessintheintermittentaerationreactor.Therefore,theintermittentaerationwhichhashigherammoniaoxidationrate,thenitrosationrateandenergysaving,isaneffectivemeanstomaintainefficientandstableshortcutnitrificationofdomesticwastewaterandatnormaltemperatureforlong-termoperationofSBR.Keywords:normaltemperature;domesticwastewater;intermittentaeration;continuousaeration;shortcutnitrification;SBR2013−06−21；2013−08−15新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10-0008)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)李冬(1976−)，女，辽宁丹东人，博士，教授，从事水质科学与水环境恢复技术研究；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]第6期苏东霞，等：不同曝气方式的SBR短程硝化试验研究2121短程硝化是近几年发展起来的一种新型脱氮技术，其与厌氧氨氧化技术组合而成的自养脱氮工艺与传统的全程硝化反硝化工艺相比，可减少需氧量[1]，无需外加碳源同时污泥产量少[2]，进而节省运行费用和基建费用，具有显著的可持续性与经济效益[3]。但是将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段，维持短程硝化系统长期稳定运行较为困难。这主要是由于短程硝化工艺对运行条件和进水水质的要求均十分苛刻，需满足高pH、高温、高FA、低DO质量浓度、短SRT等条件[4]。高pH、高温的条件只有特种废水才能满足；NOB对高FA所产生的抑制作用会逐渐适应，并且这种适应性是不可逆转的[5]；低DO质量浓度则会导致较低的氨氧化速率和污泥负荷，且易造成丝状菌污泥膨胀[6]；短SRT下污泥易流失，且污泥排放量大。上述问题均会影响短程硝化系统的长期稳定运行，进而制约短程硝化技术应用于常温低氨氮生活污水的处理。近年来的研究表明，供氧方式会对硝化过程产生影响[7−10]。于是相对于传统的连续曝气，有学者提出了间歇曝气的控制方式。在间歇曝气硝化系统中，缺氧环境下AOB和NOB的活性均受到抑制，氨氧化过程受阻，而一旦恢复曝气，经历长期“饥饿”的AOB可以更多地利用氨产能大量增殖，而NOB不能很快恢复活性[11]；停曝还会使系统中出现短暂的厌氧环境，这种低溶解氧的条件也有利于AOB对基质的竞争[12]。可见，相比连续曝气，间歇曝气能够更加有效地富集AOB，抑制NOB。目前国内外关于间歇曝气短程硝化的研究主要集中在机理研究以及短程硝化启动影响因素的研究上[10−15]，并且大部分主要是针对短程硝化−反硝化工艺或同步硝化反硝化工艺，而有关间歇曝气与连续曝气下短程硝化长期稳定运行性能的对比研究鲜见报道。为此，本文作者采用SBR系统地研究间歇曝气与连续曝气下的生活污水短程硝化特性，以期更深入地了解两者之间的区别，探讨在提高氨氧化速率的同时更加有利于常温低氨氮生活污水亚硝化长期高效稳定运行的曝气控制策略，致力于解决目前短程硝化工艺对运行条件和进水水质的苛刻要求及效率低下、不易长期稳定的运行缺点，为其在城市污水处理中得到更广泛的应用提供基础数据与技术支持。11.1试验采用2个完全相同的SBR1号和2号，试验装置如图1所示。反应器由有机玻璃制成，高为50cm，直径为15cm，有效容积为6L，换水比为73%。在反应器壁的垂直方向设置一排间距为5cm的取样口，用以取样和排水。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，此外还安置有在线监测pH和DO质量浓度的探头，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。A，B和D分别为进水、排水、曝气管路的电磁阀；a，b，c和d分别为进水、排水、搅拌、曝气的自动控制系统；C为搅拌设备；E为曝气设备1Fig.1Schematicdiagramofexperimentalequipment1.2接种污泥采用高氨氮配水启动成功的亚硝化污泥，亚硝化率达90%以上，MLSS质量浓度为4000mg/L，每个反应器均接种6L。试验用水取自北京工业大学教工家属西区化粪池中的生活污水，不再另外投加任何其他物质，水质情况见表1。1()Table1Wastewatercharacteristicsg/LNH4+-NNO2−-NNO3−-NCOD70−100＜1＜1200−400BOD5碱度(以CaCO3计)SS120−150550−61076−114注：pH为7.0~7.8。中南大学学报(自然科学版)第45卷21221.3采用SBR的运行方式，包括瞬时进水(2min)、搅拌及曝气(时间根据周期试验结果确定)、沉淀(30min)、排水(2min)。每天运行2个周期。在试验阶段不排泥，不对污泥龄进行控制，温度均控制在常温(20~25)℃。1号反应器曝气方式采用间歇曝气(曝气/停曝时间为30min/10min)，2号反应器采用连续曝气。其他运行条件均相同。首先对接种污泥进行初始性状测定，初始亚硝化率大于90%，COD去除率仅为40%左右，因此，接种的亚硝化污泥中异养菌数量较少，需经过一段适应时期培养以去除污水中的COD，此阶段控制初始DO质量浓度(氨氮氧化初始阶段DO，即周期内pH最高点出现时的DO质量浓度)为0.5~1.0mg/L，经10d(20个周期)的培养，出水COD质量浓度可达50mg/L以下，标志着适应阶段结束。在一般情况下，为了维持常温条件下生活污水亚硝化的稳定运行，均控制低DO质量浓度条件(ρ(DO)＜1mg/L)，而低DO质量浓度会使得氨氧化速率较低，污泥负荷较低，并且易导致丝状菌污泥膨胀。本试验通过逐步提高DO质量浓度，探讨间歇曝气与连续曝气在较高DO质量浓度水平下是否能够在提高氨氧化速率的同时维持亚硝化的稳定运行。适应期结束后，逐渐提高初始DO质量浓度水平(0.5~1.0，1.5~2.0，2.5~3.0和3.5~4.0mg/L)，每个DO质量浓度运行20d(40个周期)，对比研究间歇曝气与连续曝气下COD和氨氮去除情况及短程硝化的稳定性。1.4DO质量浓度、温度和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质量浓度采用COD快速测定仪测定。水样分析中NH4+-N质量浓度测定采用纳氏试剂光度法，NO2−-N质量浓度采用N-(1-萘基)乙二胺光度法，NO3−-N质量浓度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[16]。本试验中亚硝化率η1、氨氧化率η2及硝氮生成速率v按下式计算：%100%100NNONNONO1322%100%100NNHNNH244)(MLSS)N)/(NO(3tcv式中：NNO2为进出水亚硝酸盐氮的质量浓度差；NNO3为进出水硝酸盐氮的质量浓度差；NNH4为进出水氨氮的质量浓度差；NNH4为进水氨氮质量浓度；N)NO(3c为t时段内的硝氮生成量。以上各量单位均为mg/L。ρ(MLSS)为混合液悬浮固体质量浓度，单位为g/L；t为时间，单位为h。1.5为比较2种曝气方式下活性污泥中NOB的被抑制程度，在氧充足的条件下比较2个反应器污泥中NOB的相对数量。具体操作方法为：于反应结束后的1号和2号反应器中分别取1L泥水混合液置于2个相同的烧杯内，进行连续曝气，控制DO质量浓度为7.0~