低温低氨氮SBR短程硝化稳定性试验研究

中国环境科学2014,34(3)：610~616ChinaEnvironmentalScience低温低氨氮SBR短程硝化稳定性试验研究张功良1,李冬1*,张肖静2,曾辉平1,苏东霞1,周元正1,张杰1,2(1.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；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)摘要：在11~15℃条件下,采用序批式反应器(SBR)研究(50±5)mg/L氨氮浓度下短程硝化的稳定性.结果表明,2种溶解氧浓度(初始DO浓度分别为0.9~1.5,4.5~5.0mg/L)下反应器均能达到良好的稳定性和去除效果,150个周期内亚硝化率一直维持在95%以上,氨氧化率85%以上,平均SVI为35.22mL/g,2种DO水平下的平均氨氮污泥负荷分别为0.15,0.23kgN/(kgMLSS·d).当初始DO浓度为4.5~5.0mg/L时,21~23℃条件下无法实现短程硝化的稳定运行,经过42个周期亚硝化率降至70%,而31~33℃条件可以实现短程硝化的恢复并维持其稳定.经过不同温度条件下的对比分析及FISH试验研究,表明11~15℃与31~33℃均可抑制NOB的活性,从而有利于实现生活污水短程硝化的稳定运行.关键词：低温；稳定性；短程硝化；SBR中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)03-0610-07StabilityforshortcutnitrificationinSBRunderlowammoniaatlowtemperature.ZHANGGong-liang1,LIDong1*,ZHANGXiao-jing2,ZENGHui-ping1,SUDong-xia1,ZHOUYuan-zheng1,ZHANGJie1,2(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(3)：610~616Abstract：At11~15℃,inSBRthestabilityofshortcutnitrificationwasresearchedunderlowammonianitrogen(55±5mg/L).ResultsshowthatsystemcouldachievegoodstabilityandremovingeffectundertwokindsoftheDOlevel(initialDO0.9~1.5,4.5~5.0mg/L).In150cyclesthenitrosationratehadbeenmaintainedabove95%,ammoniaoxidationratewasmorethan85%,andtheaverageSVIwas35.22mL/g.AttwoDOaveragelevelsammonianitrogenremovalSludgeloadwas0.15,0.23kgN/(kgMLSS·d)respectively.WhentheinitialDOwas4.5~5.0mg/L,at21~23℃stableoperationoftheshortcutnitrificationcannotberealized.Nitrosationratefellto70%after42cycle.Buttheshortcutnitrificationcanberestoredat31~33℃.InthisanalysisandFISHtestresearch,theactivityoftheNOBcanbeinhibitedat11~15℃and31~33℃sothatshortcutnitrificationhasastableoperation.Keywords：lowtemperature；stability；shortcutnitrification；SBR以短程硝化为基础的自养脱氮工艺较传统工艺具有诸多优点,但其目前多用于处理污泥消化液、高氨氮工业废水等,且大部分需在30~40℃高温下进行[1-3].高温(30℃)条件可维持短程硝化的稳定已得到了中外学者的一致认可,而低温低氨氮条件下短程硝化能否维持稳定尚存在争议.HyungseokYoo等[4]认为实现短程硝化至少不低于15℃;傅金祥等[5]认为当温度低于15℃时,短程硝化被破坏.而袁林江等[6]认为12~14℃时NOB受到严重的抑制,出现亚硝酸盐的积累.郑雅楠等[7]、杨庆等[8-9]、王建华等[10]通过逐渐降低温度实现了低温下短程硝化的稳定运行.因此11~15℃条件下能否维持短程硝化的稳定运行需要进一步探索研究.本试验采用序批式反应器(SBR),试图研究11~15℃条件对短程硝化稳定性的影响.收稿日期：2013-06-28基金项目：新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0008);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)*责任作者,教授,[e-mail]3期张功良等：低温低氨氮SBR短程硝化稳定性试验研究6111材料与方法1.1试验装置abcdDAEBFC图1反应器装置示意Fig.1SchematicdiagramoftheexperimentalequipmentA、B、D:为排水、进水、曝气管路的电磁阀;a、b、c、d:为排水、进水、搅拌、曝气的自动控制系统;C:搅拌设备;E:进水浮球阀设备;F:曝气设备本实验采用SBR运行,反应器为圆柱形,高55cm,直径45cm,总体积85L,有效容积为70L,有机玻璃制成.壁上垂直方向设置一排间距10cm的取样口.采用机械搅拌混匀,底部安装曝气圆盘直径20cm,采用鼓风曝气,曝气量由转子流量计控制.反应器采用定时器控制,能完成自动进水、搅拌、曝气、排水.装置如图1所示.1.2接种污泥与试验水质本试验接种70L某污水处理厂污泥浓度为5900mg/L的硝化污泥,其SV30为30%.进水水质为人工模拟废水,投加(NH4)2SO4提供所需NH4+-N浓度,投加NaHCO3提供碱度,碱度与氨氮浓度质量比10:1,pH值为7.0~8.2.进水NH4+-N浓度为(50±5)mg/L,NO2--N、NO3--N、COD浓度均小于1mg/L.每1L模拟废水中含有0.136gKH2PO4,0.426gNa2SO4,0.136gCaCl2,0.3gMgSO4⋅7H2O以及1mL微量元素营养液,其1L中包括15gNa2EDTA,5gFeSO4⋅7H2O,0.43gZnSO4⋅7H2O,0.24gCoCl2⋅6H2O,0.99gMnCl2⋅4H2O,0.25gCuSO4⋅5H2O,0.22gNaMoO4⋅H2O,0.19gNiCl2⋅6H2O,0.21gNa2SeO3,0.014gH3BO3.1.3试验方案SBR反应器通过时间控制器实现反应过程的自动控制,启动阶段每d运行1个周期,稳定运行阶段每天运行2个周期.每周期进水10min,好氧曝气1.5~18h,沉淀50min,排水5min,每个周期进水55L,排水55L,容积交换率78.5%.整个过程不排泥.试验分为8个阶段运行,具体运行情况详见表1.表1反应器运行工况Table1Operationalconditionsofthereacter阶段编号试验阶段NH4+-N(mg/L)温度(℃)曝气时间(h)溶解氧(mg/L)周期(个)时间(d)1第1阶段240±1013±2144.5~5.5191~192第2阶段145±1513±2181.0~3.03320~523第3阶段50±513±260.9~1.58853~964第4阶段50±513±254.0~5.06097~1265第5阶段50±522±130.9~1.542126~1476第6阶段50±522±12.54.0~5.060148~1787第7阶段50±532±120.9~1.542179~2008第8阶段50±532±11.54.0~5.060201~231注:试验中DO为反应开始10min时DO较稳定后所测1.4分析方法每个周期测定反应器内混合液的SV30、MLSS、SVI、NH4+-N、NO2--N、NO3--N等参数,DO、T、pH值均采用WTW在线测定仪测定;MLSS采用MODEL711手提式测定仪测定.水样分析中NH4+-N测定采用纳氏试剂光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,其余水质指标的分析方法均采用国标方法.本试验中亚硝化率、氨氧化率按下式计算:612中国环境科学34卷亚硝化率(%)=223NONNONNON100%CCC−−−−−−Δ×Δ+Δ氨氧化率(%)=44NHNNHN100%CC++−−Δ×=式中:2NONC−−Δ为进出水亚硝酸盐氮的浓度差,4NHNC+−Δ为进出水硝酸盐氮的浓度差,4NHNC+−为进出水氨氮的浓度差,为进水氨氮浓度.1.5分子荧光原位杂交技术(FISH)按照RIAmann的操作方法进行FISH分析[11].采用NSO190(β-ProteobacteriaAOB)和NIT3(Nitrobacteria)2种探针对样品进行杂交,并采用OLYMPUSBX52荧光显微镜和Imageplus-pro6.0软件对种群数量进行定量分析.2结果与讨论2.1短程硝化的启动与稳定运行2.1.1短程硝化的实现与效果分析Abeling等[12]认为,当游离氨(FA)浓度为1.0~10mg/L时,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的活性受到抑制,而氨氮氧化细菌(AOB)受抑制较弱,而较高的溶解氧(DO)浓度可以提高AOB在低温不利条件下的活性,因此采用高FA(平均FA为10mg/L,进水氨氮浓度240±10mg/L)及高DO浓度(初始DO浓度4.5~5.5mg/L)作为此温度条件下短程硝化的启动策略.由图2可知,仅仅历经13个周期(1~13d),亚硝化率即达到了95.40%,19个周期后氨氧化率超过了50%以上,标志着短程硝化启动成功.短程硝化启动成功后,在进水氨氮浓度为(145±15)mg/L条件下运行了33个周期(20~52d),意在实现短程硝化效果的强化和氨氮浓度的过渡.其作用主要体现在:通过延长曝气时间的方式实现全部短程硝化,达到更好的短程硝化处理效果;使AOB逐渐适应进水氨氮浓度的降低;强化对NOB的抑制作用,使NOB逐渐被淘洗出系统.由图2知,此阶段亚硝化率一直维持在95%以上,氨氧化率以及氨氮污泥负荷持续升高,分别达到90%以及0.08kgN/(kgMLSS·d).试验在52个周期后将进水氨氮浓度降至(50±5)mg/L,降低曝气时间至6h,调节曝气量使反应初始DO浓度为0.9~1.5mg/L,以探讨11~15℃条件下SBR短程硝化的稳定性和去除效果.由图2知,经过88个周期(53~96d),氨氧化率在85%以上,平均值为93.99%,最高达99.42%,亚硝化率一直维持在95%以上,短程硝化无破坏迹象.氨氮污泥负荷稳中有升,此阶段平均污泥负荷为0.15kgN/(kgMLSS·d),最高达到了0.20kgN/(kgMLSS·d),污泥的去除效果得到明显的提高.0204060801001201401601802000.00.10.20.3氨氮污泥去除负荷氨氮污泥去除负荷[kgN/(kgMLSS⋅d)]周期(个)02040608010012014016018020002040608010