常温下生物陶粒反应器中亚硝酸型硝化的试验研究马放

常退下生物陶粒反应器中亚硝酸型硝化的试验研究马放王弘宇周丹丹左微(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090摘要采用生物陶拉反应器,研究了常温下亚稍酸型峭化的实现过程。试验结果表明,在水力负荷o.6mh/,气水比(3一5):r,水温20一25℃,进水。。现r负荷1.91一5.59kg/(m3·d),氨氮负荷0.77一1.33kg/(时·d)的条件下,生物陶粗反应器对氛氮的平均去除率可达到80.91%,出水中亚稍酸氮占到亚峭酸氮和稍酸氮总和的%%以上。对生物陶拉反应器中各种不同无机氮化合物沿程变化的研究进一步表明,在反应器中实现了稳定的亚峭酸盐积累。对影响亚稍酸型峭化的各因素进行了分析,认为溶解氧控制是常温下反应器实现亚峭酸型峭化的最关键因素。关键词亚峭酸型稍化生物陶拉反应器亚峭酸盐积累溶解氧ExPeri刃比entalesrearchonnitritationinbio·eera刃nieeractoratambienttem伴artuerMaFang,WagnoHgn一yu,ZhouaDn一dan,ZuoWei(S`hoolof儿知in`咖2adnEvniornmenatZE刀gineeirgn,aHbrinnIst￡tuetofeTc丙nol`唱沙,aH动inl勿O卯,以ian)Abst恻t:Nitritationwasesearcrhedexperimentallyinabio一eearneeareotr.Atconditionofinfluenthydraulieloadi飞o.6m小,g-as协waterratio3ots“1,ternperatuer20ot25℃,CO跳rloadi雌rater.91ot5.59掩/(时·d)adnN玩一Nloadi呢:ateo.77otl.33吨/(耐·d),theave雌eiamonnianitorgenremovalof80.91%wasobtained,andthenitirtenitcrg)enaecountsfor90%ormoerofthesurnofnitartenitorgenalldnitriteintrogellintheeftluent.Theviarationofvseeralion塔ainenitr(〕gencom-卯udnsaO1ngtheinfluentflowshowedthatstablenitriteaeeumulationwasaehievedintheeraetor.Thefaeotsraffeetignnitirtationweeralsoaanlyzedandthedis印Ivedoxygenwascosnideredotbethek即fae-torinaehiveignnitritationatambienttempearture.Keywo川s:Nitirtation;B证eearrni。eacrotr:Nitriteaeeurnulation;n,Ivedoxy只en(以))亚硝酸型硝化反硝化技术去除水中氮素污染近来受到了广泛关注。它的基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸氮阶段,阻止亚硝酸氮的进一步氧化,然后直接以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化,因而也被称之为短程硝化反硝化。与传统生物脱氮工艺相比,亚硝酸型硝化反硝化生物脱氮工艺可节约供氧量和反硝化所需碳源,提高反应速率,缩短反应时间,减少反应器的体积〔`,“〕。目前对亚硝酸型硝化反硝化的研究主要集中于煤气废水、焦化废水、石化废水、垃圾渗滤液等高氨氮浓度废水的处理,并产生了诸如SHARON、CANON和OLAND工艺等[3一5],但对于一些低氨氮污水的短程硝化反硝化则尚处于前期研究阶段。实现亚硝酸型硝化反硝化的关键就是维持硝化阶段长久而稳定的亚硝酸氮积累。据文献报道,影响NQZ一N积累的因素有进水氨氮浓度、有害物质、pH、OD和温度等〔3,6j。现阶段国内外研究的亚硝酸型硝化多要求控制较高的温度和较高的PH。如,SHARON工艺要求废水温度40给水排水v0I.31No.102005DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2005.10.010在30一35℃才能达到稳定的亚硝酸型硝化[7};而通过控制pH和游离氨浓度实现亚硝酸型硝化时,一般pH要求在8以上才能获得稳定的亚硝酸盐积累仁8〕。但是对于一般低氨氮城市污水来说,其水温和pH很少有能满足这些条件的。因而通过控制较高的温度和pH实现的亚硝酸型硝化,在工程上应用会存在一定的局限性。所以探讨常温下低氨氮污水的亚硝酸型硝化实现的控制途径具有重要理论研究价值和实际应用的意义。利用悬浮污泥系统实现亚硝酸型硝化目前已有诸多报道「”一`“3。而对于常温下生物陶粒反应器中实现稳定的亚硝酸型硝化及其影响因子的作用规律还少见报道。本研究的主要内容就是在生物陶粒反应器中对低氨氮污水就主要因素对亚硝酸型硝化系统稳定运行的影响进行探讨,并分析了反应器中亚硝酸盐积累的特征和形成机理,为系统在常温下实现稳定的N街一N积累提供理论依据。1试验材料和方法1.1试验装置采用生物陶粒反应器,试验装置如图1所示。反应器为有机玻璃加工而成,直径50~,柱高1200~。底部为100~高的砾石承托层,填料选用粒径3一5~的陶粒,填充高度800~,承托层筛板以上每隔200~设有一个取样孔。压缩空气从底部经曝气扩散器进人反应器,用空气流量计调节曝气量。1.2试验用水和水质试验用废水采用人工配水,由N执lC、NaZlllx)4、Kll艺】飞轰、Mg3)4·7姚0、M门吸)4、NaH(I毛、NaAC.3峡O和微量元素按一定比例配制。其水质见表1。表1试验模拟用水水质水水质指标标C《〕1)气气N坑一NNNN(〕亘一NNNN《王~一NNNTPPP州州浓浓度如g几几_106一3166643一74440一1.92220一0.22223一6667.2一888液体流量计气体流量计冲进水进水泵义义义取取扮之为lll图1试验装置1.3挂膜过程试验采用下向流进水,气水逆向流动。为了缩短挂膜时间,采用投加强化硝化细菌菌种的方法进行人工加速挂膜,将本实验室扩大培养的亚硝酸菌液与培养基按1二5的比例加人反应器,所加含菌培养液淹没所有填料,在反应器底曝气培养Zd,再更换新鲜菌液和培养液,反复更换数次后,改为连续进水。运行巧d后,氨氮去除率达到60%左右。同时对生物膜进行镜检发现有大量菌胶团附着,至此可认为挂膜成功。整个试验阶段水力负荷维持在o.6mh/,气水比为(3一5):1,水温为20一25℃。反冲洗采用气一水联合反冲洗,运行周期一般为48一72h。1.4分析方法C〔)I)rC采用SB一IA型快速测定仪;N眺一N采用纳氏试剂比色法;N呀一N采用察香草酚分光光度法;N呀一N采用N一(1一奈基)一乙二胺比色法。溶解氧(lx))采用Ysl50OO型IX)测定仪;pH由320型pH计测定。2试验结果2.1对氨氮的去除效果试验期间生物陶粒反应器对氨氮的去除效果见图2。图2显示,反应器对氨氮的去除率可达到80%以上,即使在进水氨氮负荷波动比较大的情况下,出水氨氮值仍基本保持稳定。这说明生物陶粒反应器具有较好的抗冲击负荷能力。试验中还发现,进水氨氮负荷与氨氮去除负荷有较大的相关性,即在试验的氨氮负荷范围内,氨氮去除负荷随进水氨氮负荷的提高而增加。2.2反应器中亚硝酸氮的积累传统硝化反应的主要产物是硝酸盐,亚硝酸盐含量很低,当硝化反应出水中亚硝酸氮积累率「N呀一N(/N街一N十N衡一N)」大于50%时,即可认为发生了短程硝化现象。由图3中的试验结果可知,生物陶粒反应器出水中亚硝酸氮含量平均为给水排水vol.31NO.10200541触窗,----------一---一-----一一-一一--一一州卜-进水叫。-出水.刊`-氨氮去除率100802.3影响亚硝酸型硝化的因素2.3.1容积负荷对亚硝酸盐积累的影响为了考察容积负荷对亚硝酸盐积累的影响,在试验条件下测定了进水氨氮负荷和有机负荷在一定范围内变化时出水亚硝酸盐浓度。图5显示了进水容积负荷与出水亚硝酸盐浓度之间的关系。从图5中可以看出,在本试验条件下,进水容积负荷不是实现亚硝酸型硝化最主要的影响因素。罗\瓣淡邢no八U08子6J.l、侧地日\喊喊运行时间/d图2反应器对氨氮的去除效果-。卜出水亚硝氮~出水硝氮~亚硝氮积累率`”}*,`今6050令`令今...,今今+锰退魄誓圈书习080夕101]12进水氨氮负荷/k创(m3·d)a氨氮负荷的影响131.4lsel夕000岁亩畴嗦彩罄圈0nnUCó锰退侧理兰一403020100锰毛嘱番目书匀运行时间d/图3出水中亚硝酸氮和硝酸氮浓度变化26.47gnr几,而硝酸氮含量平均为1,13grn几,明显小于亚硝酸氮含量。可见生物陶粒反应器内出现了明显的亚硝酸氮积累。图4显示了生物陶粒反应器中各种不同无机氮化合物及(刀Dcr沿程变化情况,采样时水力负荷0.6m小,气水比5:l,水温23.5℃。从图4可以看出,氨氮的去除同亚硝酌氮的增加表现出一定的相关性。硝酸氮在此过程中只有微量增加,而总无机氮则沿程逐渐降低。反应器中O班无r的降解主要集中在填料层的上部O一0.sm处;氨氮的降解主要集中在0.5一0.sm床层处,在此区域氨氮的氧化产物亚硝酸氮没有被进一步氧化,使反应器中出现了亚硝酸盐积累。气严一亚硝氮~硝氮~总无机氮华藉。D。进水有机负菏/k召小113·d)b有机负荷的影响锰遏恻岌óée。8050209060300图4406080床层高度c/m氮及以l戈星的沿程变比图5容积负荷和出水亚硝氮浓度的关系2.3.2温度的影响温度对微生物反应有很大的影响。当温度大于30℃时有利于亚硝酸菌的生长,很容易出现亚硝酸氮的积累〔`3〕。利用高温条件下亚硝酸菌和硝酸菌这两类细菌生长的速度差异来实现亚硝酸型硝化,很多试验结果均已证实这一点〔`4,`5〕。但是在本试验期间,温度一直维持在室温20一25℃,却实现了稳定的亚硝酸盐积累,因而可以确定,在本试验中温度并非是实现亚硝酸型硝化的决定性因素,而另有其它。2.3.3IX〕和游离氨的影响试验研究了常温下不同IX〕浓度对亚硝酸盐积累的影响情况。试验中进水流量1.2L小,控制气水比(3一5):1,反应器中溶解氧浓度在1一Zmg几,八廿00000é谕已\侧翅般嘛42给水排水vd.3iNo.102005实现了稳定的亚硝酸盐积累。维持进水水力负荷基本不变,当降低气水比到1:1时,此时反应器中溶解氧浓度降至0.5一0.6mg几,运行一段时间后出水氨氮浓度增加,基本没有了亚硝酸氮积累。这主要是因为在生物膜系统中,由于生物膜外层液膜的传质阻力,使得生物膜与液体界面处的溶解氧浓度显著低于主体溶液的浓度,界面处的溶解氧浓度大约为主体溶液的30%[`7」。而硝化细菌都是好氧性细菌,这样低的溶解氧浓度会造成供氧严重不足,不仅限制了硝酸菌的生长,也限制了亚硝酸菌的生长。由此导致硝化细菌数量减少,出水氨氮浓度增加,亚硝酸氮浓度减少,以至亚硝化过程终止。而后恢复溶解氧浓度到1一2mg几,经过两个周期的运行,出水氨氮就降到13gm几左右,亚硝酸氮积累率达到80%以上。Anthoisnen等〔`“〕认为亚硝酸菌和硝酸菌对游离氨的敏感度不同,硝酸菌容易受到游离氨的抑制。游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制浓度分别为O,1一lrng几和10一150mg几。试验用模拟废水pH在7.2一8,计算得到游离氨浓度在0.41一3.58gm几。为了验证是否为游离氨的原因产生的亚硝酸氮积累,同时进一步确证IX〕对控制亚硝酸型硝化的重要性。在试验中仍保持进水pH在7.2一8,进水水力负荷不变,加大曝气量,使溶解氧浓度增加到4mg几左右,运行一段时间后,发现出水亚硝酸氮大部分转变为硝酸氮,短程硝化已转变为全程硝化。这进一步说明控制溶解氧浓度,是本试验中实现亚硝酸型硝化的主要原因。2.3.4反冲洗的影响反冲洗是维持生物陶粒反应器功能的关键。反冲洗的目的就是在较短的时间内,使滤料得到清洗,以恢复其除污能力。试验中反冲洗周期控制在48一72