城市污水亚硝化稳定实现的途径探讨王俊安

2008年全国给水排水技术交流会暨全国水网理事会换届大会论文集城市污水亚硝化稳定实现的途径探讨王俊安李冬张杰朱兆亮付昆明(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,北京100022)摘要短程稍化为厌氧氨氧化新型低耗生物自养脱氮工艺提供必需的亚峭酸盐基质,它在常温条件下的稳定实现,是制约厌氧氨氧化工艺在城市污水中得以应用的瓶颈。探讨了影响废水中亚稍酸盐积累的三大主要因素:溶解氧、温度和pH值。针对常温低氛氮城市污水,从理论上分析了以活性污泥法和生物膜的形式进行亚稍化的启动方法和运行策略,为短程硝化/厌氧氨氧化工艺在城市污水处理中的应用提供了可借鉴的研究基础。关键词短程万削七厌氧氨氧化常温运行脱氮1引言短程硝化(nitrosiifeation,也称亚硝酸型硝化,简称亚硝化),是指在废水中的氨氮进行硝化过程中,通过调整反应器的运行参数,使氨氧化细菌(ammonia一oxidizingbaeteria,简称AoB,又称亚硝酸细菌)相对于亚硝酸盐氧化细菌(nitrite一oxidizingbaeteria,简称NoB,又称硝酸细菌)占优势,将氨氮的硝化过程只控制在亚硝化的程度,从而实现亚硝酸盐的积累。1975年,voets等[’]进行了经亚硝酸盐氮途径处理高浓度氨氮废水的研究,发现了硝化过程中存在亚硝酸盐积累的现象,并首次提出了亚硝化/反硝化(shorteutniotrifcatio功廿enitirifcation)联合生物脱氮概念;随后,1986年Sutherson等由小试研究证实了经亚硝化途径进行生物脱氮的可行性,同时,uTkr和Mvainie对推流式前置反硝化活性污泥脱氮系统也进行了亚硝化脱氮研究并获得了成功。与传统工艺中的硝化过程需要将氨氮完全氧化为硝酸盐氮相比,亚硝化过程只需将氨氮氧化为亚硝酸盐氮。lmol氨氮氧化为硝酸盐氮需2.omol氧气,氧化为亚硝酸盐氮需要1.smol氧气,相比之下亚硝化可以节省25%的供氧量;而在厌氧氨氧化工艺中,仅需将56.7%的氨氮氧化为亚硝酸盐氮,耗氧量降为目前生物脱氮途径的最低值,综上,应用亚硝化/厌氧氨氧化工艺比完全硝化可以节省6.75%的供氧量。因此,其经济效益显著。由于废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统,如何控制硝化反应使之停留在亚硝酸盐氮阶段,使亚硝酸菌成为优势群体,是实现亚硝化的关键。硝化过程是由两类微生物共同完成的,要想实现短程硝化就必须利用两类微生物的生理学差异,采取必要措施抑制或淘汰反应器中的硝酸细菌,从而达到控制短程硝化/厌氧氨氧化脱氮的目的。影响亚硝酸盐积累的因素有溶解氧(DO)、温度、pH、游离氨(FA)、游离轻胺(FH)、水力负荷(HRT)、有机物(CO)D、有害物质、污泥龄以及生物群体所处的微环境等等。可以通过以上单一因素或者多个因素的控制,在反应器中成功地实现短程硝化。然而,目前有关亚硝化控制途径的研究和应用,主要是针对污泥消化回流液和垃圾渗滤液等高温高氨氮废水,而对于常温条件下低氨氮城市污水短程硝化的研究尚处于起步阶段。因此,本文拟通过对影响废水亚硝酸盐积累的三大主要因素(溶解氧、温度和pH值)进行分析,探求在常温条件下实现低氨氮城市污水亚硝化的反应器形式以及其各自启动方法和稳定运行的控制策略,以期为城市污水短程硝化技术的研究提供理论指导,推动高效低耗型厌氧氨氧化生物自养脱氮工艺在城市污水中的应用。2影响废水中亚硝酸盐积累的主要因素2.1DO据文献报道,亚硝酸细菌的DO饱和常数一般为0.2一0.4mg/L,而硝酸细菌的DO饱和常数2008年全国给水排水技术交流会暨全国水网理事会换届大会论文集一般为1.2一1.smgL/;低DO条件下亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸细菌强。因此,当硝化系统中的DO浓度降低时,通过动力学选择,亚硝酸细菌在硝化系统中的比例会大大增加,并成为优势菌群,从而造成亚硝酸盐的积累。Kiesuke等的研究结果表明,当溶解氧的浓度低于0.smg几时,反应系统中亚硝酸细菌的亚硝化速率稳定;在低DO的情况下,亚硝酸细菌产率的成倍提高会抵消低DO对氨氧化速率降低的影响,而同样DO条件下,硝酸细菌的产率和氧化亚硝态氮的速率并未因DO的降低而提高,综合作用的结果导致了亚硝酸盐的积累;相反,提高溶解氧的浓度,将造成硝酸细菌氧化亚硝酸态氮速率的提高,不利于亚硝酸盐的积累。因此,由于DO降低后亚硝酸菌在数量上不会减少,而硝酸菌则会受到明显的抑制,反应器长期在低DO条件下运行,就能使亚硝酸菌在硝化细菌中占有优势,实现亚硝酸盐积累。要实现反应体系中亚硝酸盐的稳定积累,一般应将系统中的DO浓度限制在0.smgL/以下。.22温度由于亚硝酸菌和硝酸菌的自由能不同,亚硝酸细菌为68kjmol一,硝酸细菌为44kjmol一,这就使得亚硝酸菌依赖于较高的温度。Balmelle等研究了温度变化对硝化反应速率的影响,结果表明,当温度在10一20℃之间时,硝酸细菌活性较大,亚硝酸盐积累很低,且温度对硝酸细菌的影响比队的抑制作用要大;当温度超过25OC时,硝酸化反应速率降低,而亚硝酸化反应速率增大。此外,由于硝酸细菌的温度系数较亚硝酸细菌要小,致使亚硝酸细菌对温度的变化影响比硝酸细菌更加敏感,正如Knowlesz等所报道的温度升高会使亚硝酸细菌的半饱和系数增大。因此,可以通过控制温度造成不同增长速率形成菌种的分选,如荷兰Delft技术大学研发的SHARON(singlereactorforhighaetivityammoniaremovalovernitrite)技术,应用了高温(30一35oC)下亚硝酸菌的生长速率高于硝酸菌的特点,富集亚硝化菌从而实现亚硝酸盐的稳定积累。2.3PH据报道,亚硝酸细菌对pH值比较敏感。Qullnan研究了pH值对亚硝酸细菌最大活性的影响,结果表明,当pH值在8附近时,亚硝酸细菌的生长速率可以达到最大值,而当pH值较低(小于7)时,亚硝酸细菌的生长速率会快速下降。另外,废水中的氨随pH值的不同可分别以分子和离子两种形态存在。废水pH值的增加会提高队的浓度,而队对硝化会产生一定的影响。据文献报道,队对硝化有明显的抑制作用,硝酸细菌比亚硝酸细菌更容易受到FA的抑制。根据Abeilng等2[]的报道,FA可抑制亚硝酸盐向硝酸盐的转化,当队浓度为1.0一5.omg几时,对亚硝酸化反应没有影响,却可以对硝酸化产生抑制作用,这就有利于亚酸盐的积累。Tukr等3[]研究表明,间接接触浓度为smgL/的FA可造成亚硝酸盐的积累,但该积累不稳定,原因是硝酸细菌对游离氨有一定的适应性。硝酸细菌对FA可以产生适应性,且这种适应性是不可逆的,这就影响了系统中稳定地维持高浓度的亚硝酸盐积累。高大文和彭永臻等采用序批式活性污泥法,在温度为28土l℃的条件下,通过控制反应器内初始pH为7.8一8.7开发了一种新型短程硝化生物脱氮工艺,试验结果表明:经过2d5的运行,曝气结束时出水中主要以亚硝酸盐为主,硝酸盐氮在4mgL/以下,亚硝酸盐累积率达90%以上;在整个硝化期间队质量浓度都在0.52一4.72mgL/,均在抑制硝酸菌活性的阑值范围内。因此,控制pH实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺的机理是利用反应体系内的高pH和高队浓度对硝酸菌产生抑制,从而在硝化过程中产生亚硝酸盐积累。综上分析,通过控制pH值在.75一8.5之间,有利于抑制硝酸菌的生长,而使亚硝酸菌成为优势菌种,从而实现亚硝酸盐的积累;然而,由于硝酸细菌对这种抑制有不可逆的适应性,pH值控制途径难以实现亚硝酸盐的长期稳定积累。3常温城市污水条件下亚硝酸盐稳定积累的实现途径和策略3.1反应器的优选和启动2008年全国给水排水技术交流会暨全国水网理事会换届大会论文集短程硝化的实现与反应器的方式和结构,以及各种影响因素之间的相互作用密切相关。实现亚硝酸盐积累的反应系统从总体上可以分为两种,即活性污泥系统和生物膜系统。杨庆和彭永臻等以实际城市污水为研究对象,应用54m3的sBR中试系统重点研究了常温条件下短程硝化的实现途径和稳定方法。试验结果表明,通过对系统的硝化反硝化过程进行实时过程控制,并采用分段进水的运行模式,系统在温度为11.8一25℃的范围内均达到了稳定的短程脱氮效果,平均总氮去除率在%%以上,平均亚硝化率在95%以上。张秀红等采用一体化刀O生物膜反应器,在常温条件下,当进水碱度为280mgL/时,反应器各区出现亚硝酸盐积累,亚硝化率达到80%。丘区立平和马军通过小试研究了曝气生物滤池实现短程硝化反硝化的效能和机理。试验结果表明,曝气生物滤池在滤速为1~211叮11、气水比为3:l、水温为21一26.5aC、进水COD负荷为1.15一s.57kg/(m,·d)、NH3一N负荷为0.26一o.62kgz(m3·d)、诩负荷为0.28一o.63kg/(m,·d)的条件下可以取得良好的去除有机物和脱氮效果;并且在试验过程中反应器中出现了明显的N02-积累现象,同时表现出显著的短程硝化反硝化特征,进行机理分析后认为曝气生物滤池的结构特征和运行方式是其能够进行短程硝化反硝化的主要原因。综上分析,对于活性污泥系统,该系统的DO和污泥龄(SRT)比较容易控制,它的启动可在常温下进行,向反应器中接种有硝化功能的活性污泥后,通过DO在线监控实现其精确控制(Doo.smgL/),同时控制反应器泥龄大于亚硝酸菌的泥龄而小于硝酸菌的泥龄,使硝酸菌逐渐被淘汰,促使亚硝酸菌成为优势菌种,从而可实现亚硝化活性污泥反应器的成功启动。而对于生物膜系统,由于生物膜分层结构的复杂性,使该系统中DO的空间分布极不均匀,这就致使DO在线监控的难度比较大,从而无法实现对其精确控制;另外,生物膜系统泥龄较长,也不利于实现对硝酸菌进行及时淘汰,这就增加了亚硝化生物膜系统启动的困难。但是,可以通过改进生物膜系统的曝气装置和曝气方式来克服生物膜系统的不利条件。比如在好气滤池工艺中,可以考虑分段安装微孔曝气装置,在低曝气量的同时,采用间歇曝气的方式,造成对硝酸菌生长不利而对亚硝酸菌相对有利的微环境条件,使亚硝酸菌逐渐成为反应器中的优势菌,从而可成功启动亚硝化生物膜反应器。此外,在亚硝化反应器启动阶段,由于影响亚硝化的因素比较多,这就使得通过单一因素(DO)控制亚硝化反应器启动过程中,其它因素的影响可能不利于亚硝酸菌相对硝酸菌占据优势地位,致使亚硝化反应器难以快速启动。因此,可以考虑在亚硝化反应器启动阶段,通过采用对系统升温(至30℃左右)、人工投加氨氮和碱度、亚硝酸菌直接接种并驯化扩增等方式,实现亚硝化反应器的快速启动。3.2亚硝酸化反应器稳定运行亚硝化反应器成功启动后,其稳定运行是实现城市污水厌氧氨氧化节能工艺的保障。结合城市污水的客观条件,亚硝化反应器的运行,只能在常温条件(10一25℃之间)下达到稳定运行。因此,DO是亚硝化反应器稳定运行的关键控制参数。马勇等在常温条件下,用刀O生物脱氮工艺中试试验装置处理实际生活污水,控制好氧区低DO浓度(0.smgL/),实现了短程硝化反硝化反应,亚硝酸氮平均积累率可达85%或更高。所以,同上述亚硝化反应器启动阶段,须对系统中的DO进行精确控制。此外,还要及时调整进水负荷、MLSS、H盯、SRT和生物膜反冲洗等反应器运行工况。另外,需要强调的是,由于城市污水含多种污染物质,还必须考虑其它污染物对亚硝化系统运行稳定性的影响,尤其是有机物。由于氨氮硝化是生物自养作用,无需有机碳源,如果亚硝化系统中长期含有大量易降解的有机质,这时,会促进反应器中异氧菌的快速繁殖,并最终取代亚硝酸菌的优势地位。因此,在城市污水亚硝化反应器的前段处理单元,须考虑对COD进行有效2008年全国给水排水技术交流会暨全国水网理事会换届大会论文集的去除,可采用典型活性污泥法(厌氧/好氧生物除磷)工艺,确保亚硝化反应所需要的适宜进水水质。4结论与展望城市污水亚硝化可分别通过活性污泥法和生物膜法来实现,但各自的启动和运行方式有所不同。在亚硝化反应器启动阶段,为加快亚硝酸菌的扩增速率并缩短启动时间,可以考虑采用DO控制、升温和投加碱度等作用方