氮负荷和上升流速对单级自养脱氮工艺的效能分析刘勇

第37卷第12期2017年12月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol.37No.12Dec.，2017刘勇，等［基金项目］国家自然科学基金（51278509，51578527）氮负荷和上升流速对单级自养脱氮工艺的效能分析刘勇1，李瀚翔1，邓雄文1，方芳1，郭劲松2，顾书军1（1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆401122）［摘要］采用单级自养脱氮EGSB反应器处理质量浓度约为100mg/L的低氨氮废水，考察了氮负荷和上升流速对反应器脱氮性能的影响。结果表明，逐步缩短HRT至2.0h，且同步提高污泥区DO至0.32~0.36mg/L，成功将反应器的氮负荷从100mg/（L·d）提升至1200mg/（L·d），NH4+-N、TN平均去除率分别为93.0%和76.6%。反应器适宜的DO随氮负荷的提升而升高，对曝气量和上升流速的调控可实现对污泥区DO的精准控制。此外，EGSB较高的上升流速有利于保有较高生物量，确保反应器在较高氮负荷条件下保持稳定的脱氮性能。［关键词］单级自养脱氮；低浓度氨氮；EGSB；氮负荷［中图分类号］X703.1［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2017）12-0048-05Efficiencyanalysisonone⁃stepautotrophicnitrogenremovalbynitrogenloadingandupflowvelocityLiuYong1，LiHanxiang1，DengXiongwen1，FangFang1，GuoJinsong2，GuShujun1（1.CollegeofUrbanConstruction&EnvironmentalEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；2.ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology，CAS，Chongqing401122，China）Abstract：Theone⁃stepautotrophicnitrogenremovalinEGSBreactorhasbeenappliedtothetreatmentoflowam⁃monianitrogenwastewaterwhosemassconcentrationisabout100mg/L，andtheinfluencesofnitrogenloadingandupflowvelocityondenitrificationcapabilityinthereactorinvestigated.TheresultsshowthatwhenHRTisshort⁃enedgraduallyto2.0h，andDOinsludgeareaisincreasedsynchronouslyto0.32-0.36mg/L，thenitrogenload⁃ingofthereactorissuccessfullyimprovedfrom100mg/（L·d）to1200mg/（L·d），andtheaverageremovingratesofNH4+-NandTNare93.0%and76.6%，respectively.TheappropriateDOconcentrationforEGSBreactorin⁃creaseswiththeincreaseofnitrogenloading.TheregulationandcontrolofaerationrateandupflowvelocitycouldaccuratelycontroltheDOinsludgearea.Inaddition，relativelyhighupflowvelocityofEGSBreactorisbeneficialtomaintainarelativelyhighbiomass，soastoensurethatthereactorcankeepstabledenitrificationcapability，un⁃derrelativelyhighnitrogenloadingcondition.Keywords：one⁃stepautotrophicnitrogenremoval；lowconcentrationammonianitrogen；EGSB；nitrogenloading单级自养脱氮工艺是一种高效、经济的脱氮工艺，可在一个反应器中由好氧氨氧化菌（AOB）完成短程硝化，厌氧氨氧化菌（AnAOB）完成厌氧氨氧化，通过协同作用实现氮去除〔1〕。该工艺流程简单，需氧量少，无需外加碳源〔2〕，可较好地应用于高浓度氨氮废水的处理〔3〕，如垃圾渗滤液和污泥消化液，氨氮一般高达数百甚至上千毫克每升。近年来有学者将单级自养脱氮工艺应用于浓度较低氨氮废水的处理〔4-6〕。但以上研究均面临着氮负荷较低、低DO需求而难以精准控制等难题，将其应用于实际中时会造成反应器占地面积大、基建投资高，不利于单级自养脱氮工艺处理低浓度氨氮废水的发展。膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器具有上升流速较高、可快速实现污泥颗粒化等优点，在低浓度氨氮条件下能有效持留AOB和AnAOB，保持反应器中的活性生物量，从而提高反应器的氮负荷，但以单级自养脱氮EGSB反应器处理低浓度氨氮废水的研究还鲜见报道。本试验在质量浓度为100mg/L的低氨氮废水--48工业水处理2017-12，37（12）刘勇，等：氮负荷和上升流速对单级自养脱氮工艺的效能分析条件下，考察氮负荷提升对单级自养脱氮EGSB反应器脱氮性能的影响，以及不同上升流速下脱氮性能的变化，以期为单级自养脱氮工艺应用于低浓度氨氮废水的处理提供参考。1材料与方法1.1试验装置EGSB反应器试验装置如图1所示。图1EGSB反应器试验装置EGSB反应器由有机玻璃制成，三相分离器顶部不加盖。反应器高130cm，总容积5.0L。其中，反应区高100cm，内径5cm，有效容积2.0L。反应器外层设置水浴区，通过加热棒控制温度，维持反应器内水温为（30±2）℃，并在外部用黑布包裹。为保证污泥区合适的DO和避免颗粒污泥流失，将砂芯曝气头设于反应区顶部曝气，并通过转子流量计调节曝气量。设有回流泵将三相分离器顶部的上清液回流至反应器底部，调节回流泵以控制反应器回流比。1.2试验用水试验用水为人工配制的低浓度氨氮废水。在自来水中加入适量NH4HCO3，使氨氮质量浓度控制在100mg/L左右，加入适量的NaHCO3，调节pH至7.8~8.2。配制微量元素贮备液〔7〕，并按1mg/L加入反应器中。人工配水水质见表1。表1配水水质NH4+-N/（mg·L-1）99.6~102.0NOx--N/（mg·L-1）＜3.0KH2PO4/（mg·L-1）5.5~6.0＜20.0COD/（mg·L-1）pH7.8~8.21.3试验方案EGSB反应器采用连续进出水的方式运行。在进行氮负荷提升试验前，EGSB反应器已启动成功，进水NH4+-N约为100mg/L，HRT为24.0h，氮负荷为100mg/（L·d）左右。反应器与空气相通，通过出水回流为污泥区供氧，污泥区DO为0.20~0.24mg/L。EGSB反应器出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N平均质量浓度为2.4、2.3、17.8mg/L，脱氮性能稳定。本试验中，第1~61天期间保持进水NH4+-N质量浓度100mg/L和上升流速7m/h不变，逐步缩短水力停留时间以提高氮负荷，同时调整反应器曝气量，考察低浓度氨氮废水的氮负荷提升对单级自养脱氮EGSB反应器脱氮性能的影响，并根据氮负荷的不同将试验过程分为3个阶段。反应器稳定运行后，于第62~91天期间，保持氮负荷1200mg/（L·d）和曝气量不变，调节反应器出水回流比以改变反应器的上升流速，考察上升流速对单级自养脱氮EGSB反应器脱氮性能的影响，并根据上升流速的不同将试验过程分为3个阶段。反应器运行方案如表2所示。表2EGSB反应器运行方案运行阶段氮负荷提升阶段上升流速试验阶段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ时间/d1~1112~2324~6162~6869~7980~91NH4+-N/（mg·L-1）99.2~101.598.5~102.098.2~102.799.5~101.299.4~102.399.4~101.5NLR（1）/（mg·L-1·d-1）396.8~405.9788.1~820.91178.5~1231.81194.0~1214.41192.8~1227.61192.8~1214.4污泥区DO/（mg·L-1）0.20~0.240.24~0.280.28~0.360.26~0.300.27~0.310.32~0.36上升流速/（m·h-1）7.07.07.03.05.07.0回流比（2）15.5∶17.2∶14.5∶11.4∶12.9∶14.5∶1HRT/h6.03.02.02.02.02.0注：（1）表示进水总氮容积负荷，NLR=（进水总氮质量浓度×单位时间进水量）/反应器总体积；（2）回流比=出水回流流量/进水流量。1.4分析方法NH4+-N、NO2--N、NO3--N和MLVSS等均采用标准方法测定〔8〕，TN为NH4+-N、NO2--N和NO3--N之和。DO采用YSIProfessionalODO™便携式溶氧仪测定，pH采用YSIpH100便携式pH计测定。污泥形态通过蔡司显微镜拍照观察，污泥平均粒径通过MicrotracS3500激光粒度仪测定。2结果与分析2.1氮负荷提升对反应器脱氮性能的影响图2为EGSB反应器氮负荷提升阶段的氮负荷、含氮物质质量浓度及去除率的变化。--49工业水处理2017-12，37（12）试验研究图2氮负荷提升阶段EGSB反应器的含氮物质质量浓度（a）、氮负荷及去除率（b）的变化如图2所示，1~11d，将EGSB反应器的HRT控制在6.0h，氮负荷为400mg/（L·d）左右，污泥区DO控制在0.20~0.24mg/L。运行初期，由于氮负荷的提升，反应器NH4+-N、TN去除率由98.4%、77.7%降至68.7%、40.0%，但出水NO2--N和NO3--N质量浓度变化不大。随着反应器逐渐适应提高后的氮负荷，在第11天时NH4+-N、TN去除率恢复到79.0%、49.1%。第12天和24天时反应器HRT分别缩短至3.0h和2.0h，反应器氮负荷提升至800mg/（L·d）和1200mg/（L·d）左右，污泥区DO分别为0.24~0.28mg/L和0.28~0.36mg/L。在氮负荷提升初期，反应器NH4+-N、TN去除率均再次下降，但经过6~8d的适应后，2个阶段的NH4+-N、TN去除率分别恢复至77.9%、51.8%和78.6%、60.0%，与阶段Ⅰ接近，但与提升负荷前的去除率尚存在差距。在氮负荷为1200mg/（L·d）条件下，反应器运行一段时间至第41天时，出水NH4+-N、TN质量浓度分别为21.6、40.2mg/L，此时出水氨氮有较多残留，这可能是DO不足所致。因此在第42天时，调节曝气量，将污泥区DO提高到0.32~0.36mg/L。反应器NH4+-N、TN去除率进一步提高，至49d时达到95.5%、78.3%。此后，反应器持续稳定运行12d。由图2可知，反应器出水水质稳定，阶段Ⅲ末期NH4+-N、NO2--N和NO3--N平均质量浓度分别为7.4、3.1、13.2mg/L，NH4+-N、TN去除率平均为93.0%、76.6%。氮负荷提升过程中，分别对反应器颗粒污泥的粒径和生物量进行了测定，如表3所示。表3EGSB反应器的污泥平均粒径及生物量变化项目平均粒径/μmMLVSS/（g·L-1）第1天2964.05第23天3867.2第61天5107.94由表3可知，氮负荷提升前颗粒污泥的平均粒径为296μm，经过EGSB反应器的连续培养，至第23、61天时，颗