书书书 第61卷 第6期 化 工 学 报 Vol.61 No.6 2010年6月 CIESC Journal June 2010檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文常温低氨氮污水生物滤池犆犃犖犗犖工艺的实现王俊安,李 冬,张 杰,李 占,陶晓晓(北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124)摘要:基于厌氧氨氧化反应的生物自养脱氮是目前污水处理中最为经济的脱氮途径。采用装有火山岩活性生物陶粒滤料的反应器,在常温(8~25℃)条件下对低NH+4N(60~90mg·L-1)城市污水进行试验研究,通过改变曝气等运行工况,经过硝化自然挂膜、优选亚硝酸细菌和培养厌氧氨氧化菌3个阶段之后,实现了生物滤池同步亚硝化/厌氧氨氧化生物自养脱氮。结果表明,DO控制可作为反应器启动的主要控制因子,通过在生物滤池上方水柱中进行曝气和处理水携氧内循环联合的方式,可以实现对生物膜系统内DO浓度的良好控制。运行过程中可以通过pH值的变化来对反应周期进行判断,pH值的第二个突跃点是系统反应周期结束的标志。关键词:部分亚硝化;厌氧氨氧化;生物脱氮;生物滤池;CANON工艺中图分类号:X703.1 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2010)06-1528-06犚犲犪犾犻狕犪狋犻狅狀狅犳犆犃犖犗犖狆狉狅犮犲狊狊犻狀犫犻狅犳犻犾狋犲狉犳狅狉狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉狑犻狋犺犾狅狑犪犿犿狅狀犻犪犪狀犱狉狅狅犿狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犠犃犖犌犑狌狀’犪狀,犔犐犇狅狀犵,犣犎犃犖犌犑犻犲,犔犐犣犺犪狀,犜犃犗犡犻犪狅狓犻犪狅(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100124,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋:Biologicalautotrophicdenitrificationbasedonanaerobicammoniumoxidation(ANAMMOX)hasbeenconsideredasthemosteconomicalwayinbiologicalsewagetreatmentprocessesfornitrogenremovalpresently.Usingbioceramicfilterwithvolcanicactivity,urbansewagepilotstudywascarriedoutatroomtemperature(8—25℃)undertheconditionoflowNH+4N(60—90mg·L-1),bychangingtheoperatingconditionssuchasaeration犲狋犮.Afterthreestages—nitrificationhangingfilm,preferrednitritebacteriaandculturinganaerobicammoniaoxidizingbacteria,CANON(completelyautotrophicammoniumremovalovernitrite)processisrealizedinbiofilter.TheresultsshowthatDOcontrolcanbethemainfactorforcontrollingreactorstartup.Throughcombinedtreatmentofaerationatthetopofwatercolumninbiofilterandinternalrecyclingoftreatedwaterwithoxygen,thecontrolofDOconcentrationinthebiofilmsystemiseasilyachieved.Furthermore,thereactioncyclecanbejudgedfromthechangeofpHvalueintherunprocessanditssecondjumpisasignalofendofreactionperiod.犓犲狔狑狅狉犱狊:partialnitrosification;ANAMMOX;biologicalnitrogenremoval;biofilter;CANONprocess 2009-12-03收到初稿,2010-02-03收到修改稿。联系人及第一作者:王俊安(1981—),男,博士研究生。基金项目:国家自然科学基金项目(50878003);北京市自然科学基金项目(8092006);国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07208003003,2008ZX07420004BJUT001,2008ZX07208005003)。 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲:2009-12-03.犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉:WANGJun’an,wangjunan001@163.com犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(50878003). 引 言厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX)[12]相对于传统的硝化/反硝化可以在节省曝气量及碳源的同时,减少污泥和温室气体CO2的产量,已被视为目前废水处理中最具有可持续发展意义的脱氮途径。由于ANAMMOX是直接以NH+4N为电子供体、以NO-2N为电子受体的自养脱氮过程,对于仅含有NH+4N基质的废水,需要部分亚硝化过程来为ANAMMOX提供适宜的进水。根据耦合方式的不同,可将部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺分为两段式和单段式,目前两段式的工艺主要有SHARON(singlereactorforhighammoniumremovalovernitrite)[3]ANAMMOX和OLAND(oxygenlimitedautotrophicnitrificationanddenitrification)[4],单段式主要有SNAP(singlestagenitrogenremovalusingANAMMOXandpartialnitritation)[5]和CANON(completelyautotrophicammoniumremovalovernitrite)[6]。自ANAMMOX发现至今,国内外主要都是针对污泥消化液和垃圾渗滤液等高温(>30℃)高NH+4N(>100mg·L-1)废水方面的研究[711],而对于常温低NH+4N城市污水的研究鲜见报道。本研究采用生物滤池反应器,以厌氧/好氧(A/O)生物除磷工艺处理城市污水的出水为试验进水,通过控制曝气等运行参数,进行了常温低NH+4N条件下的同步亚硝化/厌氧氨氧化探索性试验,以期为ANAMMOX工艺在城市污水处理中的应用提供技术依据。1 材料和方法11 试验装置采用有机玻璃柱加工而成的生物滤柱,如图1所示,内径为185mm,总高为3.0m,柱内装填有粒径为6.0~8.0mm的火山岩活性生物陶粒滤料,装填高度为1.4m,底部设有200mm高的卵石承托层,柱壁上每隔200mm布设一个取样口,滤柱上方水柱高为1.0m,柱底部和上层水柱中均安装有曝气装置,柱中部安装有处理水内循环装置。12 试验用水与曝气方式以北京工业大学教工家属西区生活污水经A/O生物除磷工艺后的出水为试验用水,试验进水水图1 亚硝化生物滤池试验装置示意Fig.1 Experimentalarrangementschematicdiagramofnitrosificationbiofilter 质:CODCr为50~100mg·L-1;NH+4N为60~90mg·L-1;NO-2N<1mg·L-1;NO-3N<1mg·L-1;TP为0.05~1.00mg·L-1;水温为8~25℃;pH为7.5~7.8。试验初期采用底部曝气,待硝化细菌挂膜成熟以后,将通过滤柱上方水中曝气和处理水携氧内循环联合的方式来控制进入生物膜系统的DO量,之后系统运行过程中一直采用该曝气方式。13 检测项目与分析方法水样分析项目中NH+4N采用纳氏试剂光度法;NO-2N采用犖(1萘基)乙二胺光度法;NO-3N采用麝香草酚分光光度法;DO和温度采用WTWinoLabStirrOxG多功能溶解氧在线测定仪;pH值采用OAKLONWaterproofpHTestr10BNC型pH测定仪;CODCr浓度等检测指标均按中国国家环保局和美国环境总署发布的标准方法测定。2 结果与分析21 犆犃犖犗犖生物膜反应器的启动系统采用间歇式运行自然挂膜,启动初期在底部进行曝气,在常温条件下,调整曝气量控制水中DO的浓度保持在2~4mg·L-1,15d之后,当出水中的NO-3N占TN的比例均大于50%时,认为硝化生物膜启动成功,自启动1个月之后,为更好地优选AOB,在滤柱上方处理水水柱中进行曝·9251· 第6期 王俊安等:常温低氨氮污水生物滤池CANON工艺的实现气,并与内循环联合作用,以控制进入生物膜中的DO量,其中柱上方水中DO浓度基本保持在饱和状态(7~8mg·L-1),内循环滤速为4.02m·h-1,同时在10个连续周期内,通过人工投加铵盐和碱度(使反应器中NH+4N浓度达到200mg·L-1左右,碱度约为1500mg·L-1)作为辅助手段来抑制NOB的生长,继续运行2个月之后,在仅利用DO控制手段的条件下,亚硝酸盐的累积率能够稳定在80%以上,且反应器内同时存在TN损失的现象,之后在不改变曝气运行方式的条件下,通过降低内循环滤速来减少进入生物膜内部的DO量,TN损失量也逐渐开始增多,连续运行3个月之后,在SBR运行条件(一周期12h,一天两周期)下,反应周期末反应器出水TN的平均去除率大于80%,水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A中相关指标的排放标准,实现了单体式生物滤池CANON工艺的自养脱氮。22 反应器犛犅犚周期运行参数将内循环滤速控制在2.79m·h-1,在水温为22.5~23.5℃条件下的一个SBR反应周期内,反应器内部处理水的NH+4N、TN以及COD浓度的变化均呈逐渐下降的趋势,NO-2N浓度的变化较小,且在周期第1~11h之间一直维持在2.6~4.0mg·L-1的范围之内,而NO-3N的浓度随着反应的进行而缓慢升高,pH值的变化则是先急剧升高再缓慢增加,然后又逐渐降低并再次出现突跃升高。反应器内部处理水中的NH+4N、NO-2N、NO-3N、TN、COD以及pH值的变化如图2所示。图2 SBR反应周期内水质的变化Fig.2 ChangecurveofwaterqualityinSBRreactioncycle由图2可知,NH+4N与TN的浓度变化均呈线性下降趋势,经线性回归分析,二者的犚2均为0.99,且其平均转化速率分别为5.69mg·L-1·h-1和4.82mg·L-1·h-1。同时,由于NO-2N的浓度在整个反应周期内基本保持不变,且NO-3N的积累速率较慢,平均为0.92mg·L-1·h-1,这就使TN的去除与NH+4N的转化具有良好的线性相关关系,其相关性分析如图3所示。系统在去除氮素的同时,对COD也有一定的降解作用,从进水的83.55mg·L-1降至反应周期末的29.89mg·L-1,平均去除率为64.2%,且反应周期前4h下降较快,经计算其平均降解速率是之后8h平均降解速率的3.27倍,分析其原因,可能是反应器进水中存在部分较易降解的有机物,这些易降解的COD物质在反应周期初期很快被降解消耗,而不易降解的部分COD物质,由于生物膜本身对污染物质同时具有过滤、吸附和生物降解等功能,能够较好地净化水质,在反应周期过程中也