低CN城市污水全程自养生物脱氮张树军

第二章环境科技研究进展及应用低CN/城市污水全程自养生物脱氮张树军孟春霖念东陈刚新杨岸明(北京城市排水集团有限责任公司周军常江甘一萍北京1侧XM4)摘要污水自养脱氮技术的研究已经很多,但主要集中于高氨氮废水处理,城市污水自养脱氮的研究鲜见报道。本文以低CNI城市污水为研究对象,研究了全程自养生物脱氮工艺声以0+Ana叹止nox的脱氮特性。试验结果表明,刀0+Ananllnox工艺可实现高效脱氮。在进水总氮(NT)平均为62.0lm目1,溶解性c0D几N(C八)为.242的条件下,出水NT浓度平均为n.48m叭,N川~N浓度平均为1.83m目L,可以达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918一2冈2)一级A标准。习0反应器中TN去除占该工艺TN去除量的51.13%,主要通过缺氧反硝化、好氧同步硝化反硝化和剩余污泥排放实现;户以O反应器出水NO牙~NNI碳~N可控制在1.0左右,满足后续厌氧氨氧化对进水的要求。nA~x反应器TN去除量占该工艺TN去除量的48.87%.半亚硝化和厌氧氨氧化作用是习O汗nAa“unox工艺处理低CNI污水实现高效脱氮的关键原因。关键词城市污水自养脱氮户以O反应器An,mmox反应器TN去除城市污水现有脱氮工艺主要通过硝化和反硝化作用将氨氮转化为氮气,从而达到总氮(TN)去除的目的。反硝化过程是NT去除的关键步骤,需要充足的有机碳源来保证反硝化效果ll]。有机碳源被认为是有机污染物,但从另外一个角度看有机碳源也可以通过厌氧发酵产甲烷,将其转化为能源物质l2],因此研究低碳污水脱氮工艺就显得尤为重要。厌氧氨氧化技术的出现使自养生物脱氮技术成为可能l3[,厌氧氨氧化菌(nA~x)利用亚硝酸盐作为电子受体氧化氨氮,利用无机碳作为碳源,从而实现自养生物脱氮的目的。但因nA~x世代周期比较长3[,4],所以厌氧氨氧化主要用于高氨氮废水处理中,而随着实际厌氧氨氧化工程的应用和厌氧氨氧化颗粒污泥的研究不断增多5[,6J,使得城市污水自养脱氮成为可能。基于以上分析,我们提出刀0+nAanunox工艺实现城市污水自养脱氮,刀0工艺中主要实现半短程硝化,其出水进入An别田刀。ox反应器进行厌氧氨氧化达到TN去除的目的,具体流程见图1。此工艺只需将部分氨氮转化为亚硝酸盐氮,与传统硝化相比,可节省60%的耗氧量7[];利用无机碳作为碳源,从而降低了生物脱氮对有机碳源的需求,从而可将水中的有机碳源转化为能源物质(甲烷)l8];同时与常规反硝化工艺相比,厌氧氨氧化反应器容积负荷高,可高达76.7kgNI(时·d)19],而反硝化滤池即使在投加甲醇为碳源时,容积负荷也仅为.037一1.00纯Nl(扩·d).l0[川。本试验采用低C刀呵城市污水作为原水,考察了刀0+nA~x工艺的脱氮性能。一、材料与方法(一)试验装置户以O反应器由有机玻璃制作(见图1)。反应器有效容积为24L,等分成6个格室,其中前2个格室为厌氧区,后4个格室为好氧区。二沉池采用竖流式沉淀池,有效容积为12L。试验进水和污泥回流采用蠕动泵控制,曝气装置采用砂头曝气,转子流量计计量气量。nA~x反应器用有机玻璃制作,有效容积SL,反应器内径为scm,外裹黑色橡胶保温材料,以避免光对厌氧氨氧基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目—废水处理过程中系统调控与微生物响应关系研究与工程示范;“863”计划项目—城市污泥分级分相厌氧消化组合技术研发及工程示范(20(拍AA06()702)。中国环境科学学会学术年会论文集(2011)化菌的负面影响[12J。An~x反应器内装有海绵填料(l.scmx1.scmx1.scm),其填充比为80%。,,气气二二二二~~~占乙乙乙乙{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{士士OOOOOOOOOOOO....OOOOOOOOO一一一一一一〔〔OOO亡亡OOOOOOOOO000OOO〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕0〔〔〕〕亡亡〕〕原原水箱箱箱箱箱箱箱箱箱箱箱曰甲甲甲甲甲甲甲甲甲甲二二二二二二二二二二二二二二二若若乙池池池池池池池池}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}三一一中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中间水箱箱出水“.卜...图11A0+Anammox工艺流程图(二)试验原水本试验采用北京某城市污水厂初沉池出水,其水质指标如表l所示。表1试验原水水质项项目目SCODDDNH+4一NNNNO牙一NNNNO了一NNNTNNNPHHH单单位位mg几几山留tttm叭叭m叭叭m泌泌泌浓浓度度155.28士26.700057.31士3.36660.15士.024440.65士0.188862.01士3.81117.44士O`1000(三)分析项目与方法scoD:coD快速测定仪;N困一N:纳氏试剂分光光度法;No至一N:磨香草酚分光光度法测定;N--oz一N:N一(1一蔡基)一乙二胺光度法;TN:过硫酸钾氧化一紫外分光光度法;MLSS:滤纸称重法;PH:wTw3绷在线监测。水样经过.045林m滤纸过滤后测定以上各项目。(四)试验方法本试验开始时A八3反应器处理实际城市污水,已经实现稳定的短程硝化,本试验开始前1个月内户以。反应器出水亚硝酸盐积累率n平均为76.9%,其中n二NO牙一N/(NO牙一N+NO了一N)X100%。nA~ox反应器已经运行2年,本试验开始前1个月内进水NH才一N浓度为69.63士n.38mg几,No牙一N浓度为73.65士9.18m目1。nA~反应器NT去除容积负荷为0.67士0.10kgNI(m3·d)。本试验运行期间,户以O反应器运行温度为28.9士1.3℃;好氧4个格室DO依次为1.%士o.48m夕工,0.95士0.36mg几,0.52士o.lsmgL/,0.50士。一sm目1;污泥回流比为50%,进水量为4.14L伍,水力停留时间(HRT)为.57h9。通过控制剩余污泥排放量将污泥龄(SRT)控制为d8左右。nA田卫noox反应器运行温度为29.5士0.9℃,HRT为1.9h3。二、实验结果与讨论(一)户以O+nAanllnox工艺对TN去除特性户以0+nA~x工艺对NT的去除情况如图2所示。系统进水NT为62.01士3.81mglL,进水SCOD几刊(CNI)平均值为.242,通过常规生物脱氮工艺很难达到较高的TN去除效果。A/0反应器出水NT为35.82士1.73m妙。刀。反应器出水进入nA~ox反应器,其出水NT为1.079士1.64mgL/,可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918一2002)一级A标准。此工第二章环境科技研究进展及应用艺TN平均去除量为15.22m目1,其中户“0反应器NT平均去除量为26.19mg几,占51.13%;An~x反应器NT平均去除量为25.03m目1,占48.87%。此工艺的提出主要基于自养生物脱氮,通过厌氧氨氧化作用达到TN的去除,而本实验却有相当部分的TN(51.75%)通过户以0反应器去除,这主要是因为进水中含有有机碳源,使得缺氧段发生充分的反硝化作用,同时在好氧段发生明显的同步硝化反硝化作用。城市污水可通过预处理工艺使有机物得到回收利用,实现污水可持续发展,同时使得刀O反应器进水有机碳源浓度降低,硝化反硝化去除的TN量减少,nAa“llnox反应器去除的TN量就会增加。4030706050一原水NT~出水NT亡nA.a出水NT}弓一心气可尸一~扩\~一{经l侧}雌}琢~原水N田一N一AO出水N居一N~AO出水NO牙一N一AO出水N街一N7065605545504035253020巧or50ǎ闷瓦日à、侧说Z卜5101520时间ld25303505101520时间ld253035图21A0+Anammox工艺对TN的去除效果图3NO反应器进出水氮浓度变化(二)刀O反应器对氮的转化与去除户JO反应器进出水氮浓度如图3所示,可以看出户以O反应器出水NO牙~NNI碳一N在1.0左右,符合后续nA~x反应器对进水的要求。同时出水亚硝酸盐积累率n较高,平均为83.73%,从而出水NO多一N浓度较低,为3.03士0.85mg几,有利于后续An~x反应器对NT的去除。厌氧氨氧化不能利用NO多一N作为电子受体氧化N川一N,因此刀O反应器出水中NO至一N越低越好,即n越高越好。在本试验进行的第14天沿程取样分析,水质变化如图4所示。原水与回流污泥(污泥回流比50%)进入缺氧段,MLSs为34l7mgL/,MLvSS为1955mg几,回流污泥中携带的硝态氮在此通水诊哥畴彩胡翻深目807060504D302010605545504035302520巧10ǎ之留à、侧说喊过反硝化作用去除。在好氧段发生硝化作用,将氨氮氧化为NO牙一N和NO多一N,沿程亚硝酸盐积累率n基本维持在88%左右,平均为88.19%。根据此次沿程取样分析所得数据,进行氮物料守恒分析l3[],得出缺氧段氮去除量.864m留L,占刀O反应器TN去除的36.咒%;好氧段同步硝化反硝化(SND)去除氮量为.737mgL/,占刀0反应器TN去除量的3.094%;剩余污泥排放去除氮量为7.79m创L,占刀。反应器TN去除量的3.273%。本试验中刀0反应器主要功能是进行半短\一二一`一竺一”一。一N姚一N’\·一?一N03一N一袄,1_。一//。一一一一。一一一/。1oo90介一占一一人二二一一口一?~一产一V一丫原水缺1缺2好1好2好3好4反应器格室图4NO反应器沿程氮浓度变化(14d)中国环境科学学会学术年会论文集(2011)程硝化,因此未设置硝化液回流,使得回流至缺氧段硝态氮量少,从而反硝化去除的氮量较低。此次沿程取样时,好氧段Do平均为.062m目1,这是好氧段sND现象较为明显可能的原因,与以前的研究报道相一致l3[,’4]。(三)nAarrunox反应器对氮的去除习O反应器出水经中间水池进入nAa“llnox反应器发生厌氧氨氧化反应,从而达到自养脱氮的目的,nAanunox反应器出水氮浓度变化如图5所示。从图中可以看出nAanunox反应器出水N田一N浓度为1.83士1.94m泌,基本可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918一2002)一级A标准。反应器出水中的NO牙一N浓度比较高时,会对受纳水体产生毒害作用,同时消耗水中的溶解氧15[],因此应控制出水No--Z一N浓度。本试验通过控制nA~x进水No--Z~N朋田一N在1.0左右,低于文献报道的1.犯3[],即进水No牙一N不足,从而控制nA~x反应器出水N--oz一N浓度较低。从图5可以看出nA~x反应器出水中NO牙一N浓度仅为.076士.048m目1。nA~x出水中主要是No子一N浓度较高,为.692士1.O8m留L,可通过在nA~x反应器上部设置反硝化区域,投加少量有机碳源(如甲醇),将厌氧氨氧化产生的NO了一N反硝化去除,从而进一步降低该工艺出水TN浓度,此措施有待进一步验证。nA~x反应器化学计量学关系如图6所示,△NO牙一N、△NH+4一N分别为反应器中去除的NO牙一N均值为报道的12r~-、N川一N的量,△NO子一N为反应中生成的NO了一的量。△N--Oz一N/△N川一N为1.05士0.22,1.05低于文献报道的1.323[];△No至一Nl△NH+4一N为.028土.007,均值为.028略高于文献0·2613]。.Nl公一N策NO牙一N△NO至一N一一△NO呀一叼△闻时一N一。一△NO了一NI△N]时一N1.61.4,乙0OQ6,二00-粼吸补喇卞外汉O△△△△△..△△△...△卜,.L...卜OD6ǎ之朗已4、侧说碱.奥炭,滩嵌袱炭炭岌0510152025·袱.,引30350.4-0.2·p、\,o\。、~d丫白时间d/图5Anammox反应器出水氮浓度变化05101520253035时间dl图6Anammox反应器化学计量系数三、结论1.户以0+An~x工艺处理城市污水存在可行性,在进水NT平均为62.01m目飞,C舰为.242的条件下,