低氧条件下完全混合系统同时硝化和反硝化的试验研究张鹏

才油;`饰种学2003年第22卷第11期5为日njg,ajIEZF月门onnz朗细jSe.l亡ncse低氧条件下完全混合系统同时硝化和反硝化的试验研究ExPerimentalStudyOnSimultaneousNitrifieationandDenitrifieationinaM1xedFlowAetivated一sludgeSystemunderLowOxygenCOneentration张鹏(烟台大学环境与材料工程学院,烟台264005)ZhangPeng(SehoolofEnViornmentalandMateiralEngineeirng,aYntiaUniversity,aYntai264005)周琪(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)ZhouQi(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResoueresReuse,oTn自1University,ShanghiaZ《xx为2)摘要采用人工配水.以泥龄、C/N比、F/M为影响因素,通过正交实验对低氧条件下完全混合系统的同时硝化和反硝化进行了研究。实验结果表明,在。。为。.3一o.smg/L、pH控制在7.5一.80、温度为20一28℃时.完全混合系统确实发生了同时硝化和反硝化。获得的最佳运行条件:泥龄为45d.C/N比为,:0,.F/M为。.,g(C。氏)I/g(MLs)S·d】。在最佳运行条件下C。。0和氨氮的去除率分别为88%和100%.总氮TN的去除率达70%。出水cOcD,和氨氮的浓度均达标。关键词:同时硝化和反硝化碳氮比有机负荷泥龄1前言国内外目前普遍采用厌氧一好氧工艺(AO/)、缺氧一厌氧一好氧工艺(A/A/O)、序批式活性污泥法(SBR)、Bardenpho生物脱氮工艺、卡罗塞式氧化沟(Carorusel)等各种脱氮除磷的技术,处理效果好但普遍存在建设费用高、能耗大的缺点,开发经济有效的生物法除氮脱磷技术是当务之急。20世纪80年代初,科学家在微生物领域取得了重要进展,在纯菌种和混合菌种的培养中相继发现了异养硝化l’,2}和好氧反硝化}’,3,4]现象,为生物脱氮技术提供了新的理论基础。在以后的20年里,更多的学者发现了同时硝化和反硝化现象,并开发了一些脱氮新工艺,这些工艺同传统工艺相比大大节省了运行费用,具有广阔发展前景。本课题的研究目的就是结合目前国内外的研究进展,研究完全混合活性污泥系统在低氧曝气条件下,同时硝化和反硝化工艺的启动、运行、设计参数的优化,氮、碳、磷等物质的去除过程以及污泥的特性等,使低氧脱氮有效而稳定,以求达到去除碳、氮的同时节省能耗,从理论上指导脱氮工艺的优化、现有城市污水厂的改造和新工艺的开发,并初步探讨同时硝化和反硝化的机理。选取完全混合活性污泥系统,其各种反应过程的试验条件完全相同,在理论上更能充分说明同时硝化和反硝化现象。2材料和方法2.1试验装置试验装置见图1。曝气池采用微孔曝气,由气体流量计控制进气量,DO维持在0.3一0.smg/L左右,曝气池体积为8.SL。本试验装置放在恒温室中,温度控制在20一28℃之间。碱液箱内为碳酸氢钠缓冲液,补充反应过程中消耗的碱度,同时维持pH在7.5一8.0之间。2.2试验用水试验用水采用人工配水,C、N、P分别用葡萄糖、氯化按、磷酸二氢钾配制,微量元素用碳酸氢钠、氯化教育部重点科技项目和骨干教师计划资助。第一作者,张鹤,女,1973年生,2002年毕业于同济大学环境工程学院,硕士,讲师。一755一卉曦认低氧条件下完全混合系统同时硝化和反硝化的试验研究张鹏Sh刁,了g内刀j!j’]zFjorz7n2臼22刁/5〔,油22哪】】】】】】】】】】厂厂厂厂厂刁刁〕二二33333,`````(((》》了了了门门!!!!!!!!!!!!!!水箱2进水泵;3一曝气池;4一搅拌;5碱液箱;6气泵;80I气体流徽计;9一几沉池;污泥回流泵;一阀门试验主要考察完全混合活性污泥系统在低氧条件下对人工合成污水中碳、氮的去除效果,以及影响有机物去除、同时硝化和反硝化的主要因素。为了确定试验工艺的最佳设计和运行参数,采用正交实验,以有机负荷(F/M)、泥龄(OC)、碳氮比(C/N)为考察因素,每个因素取3个水平。采用与(34)正交表}7},如表1所示。表,正交实验设计Table1Designofregressiveorthogonalmethod因素工况号—泥龄(d)C/NF/M0.30.100.050.100.050.30.050.30.10nU`é勺ù0亡、ó,一0`à,`...,..且山.`n00ù、J亡、à咤J00八曰6产b孟U444凡j,,飞é1,ù,j411一67.八凡éq图1试验装置示意Figure1SehematieehartoftheexPerimentalequiPment钙、硫酸亚铁、硫酸镁、硫酸锰等配成。2.3污泥驯化试验用泥取自上海曲阳污水厂二沉池回流污泥。污泥经ld闷曝后,取适量加入到曝气池中,使曝气池中的初始污泥浓度为3.59几。系统连续运行12d后,曝气池污泥沉降性能良好,测得混合液的污泥体积指数(SVI)为88,污泥浓度为2.859/L。CODe。去除率为89%,氨氮去除率为82%。由此认为,系统已经稳定,污泥培养和驯化阶段结束。2.4试验安排结果及讨论正交实验结果正交实验运行结果见表2。表2Table2Result正交实验结果’〕(mg八)ofregressiveorthogonaimethodHRT(h)CODe「氨氮总氮NOZNNO,一N工〔况pH进水301.3311.7120.1317.4319.5118.2334.6320.7126.7出水去除率(%)40.286.730(22)89.5(93)20.782.828.990.315.596.431.673.337.388.962.980.446.7(33.5)63.1(73.6)进水出水去除率(%)进水出水ō、O八、、RO汤斗ù、ól月`...……16,二Q了,j八,10,`IJ了hù6,山6乙U,J孟U孟U涛02卜007.88.47.97.67.77.87.57.38.33.268.925.756.660.94.1577件件月石22260了八石U,白了h812164224ù6,z9.629.421.455.498.510010093.217.310048,l64.9出水去除率(%)14.155.132.14360.28.310.166.724.86058.714.714.054.432.545.438.737.81.157.00.1070.3l51.20.111.60.5524.160.19.420.40.212.83.05.7l28l)括号中数值为扣除NO:N后的CODe,及其去除率。扣除时以lmg/LNO:N在测定时耗氧l.14mgi}`。3.1.1有机物的去除从表2中可见,工况l、2、4、5、7和8的进水CODer平均为31smg/L,出水的CODer平均为34mg/L,CODCr去除的绝对量平均为283mg/L,去除率在86.7%一96.4%,有机物的去除效果较好。这是因为:实验采用人工配水,葡萄糖极易生物降解,并目_部分CODcr可以通过反硝化菌的缺氧氧化作用得以去除。而工况3、6、9的进水CODer较低,平均为122mg/L,CODCf去除的绝对量平均为93mg/L,去除率只有73%一82%。一756一才油拼,毛钟奋2003年第22卷第11期5/2刀27君力厉肠z卜,z厂口了z刀了即l刀/、又,左丫7`笔悠3.1.2氨氮的去除从表2中看到,有5个工况的氨氮去除率达到93%以上,出水氨氮的浓度小于smg/L。这是因为:(l)在显微镜中观测到的生物絮体比较细小,溶解氧容易到达位于生物絮体内部的硝化菌,使其有充分的溶解氧进行硝化反应;(2)泥龄长,好氧异养菌分解含碳有机物的速率较低,硝化菌的竞争优势增强,硝化效果和稳定性比较好;(3)有机负荷较低。在负荷低、DO也较低的情况下,整个生物絮体能够保持好氧状态,硝化反应容易进行5[];(4)曝气时间较长。从图2中可以明显的看到水力停留时间越长,氨氮的去除率越高。要想得到较高的氨氮去除率,水力停留时间必须大于12h。硝化。3.1.3总氮去除及出水亚硝酸盐氮、硝酸盐氮总氮的去除率基本在40%一50%之间,最高可达“.7%。出水基本以硝酸盐氮为主,只有工况2和工况9的出水亚硝酸盐氮比较高,分别为7.Omg/L和H.6mg几,原因是这2个工况的pH值偏高(见表2),均大于8.0,在这个pH值范围内,亚硝酸氮比较容易积累l0]。其余工况出水的亚硝酸盐都小于15mgL/。因此,总的来说并没有出现亚硝酸盐氮积累的情况。3.1.4最佳运行条件及结果分析最佳运行条件及正交实验结果分析(见表3、图4)。表3正交实验结果分析Table3Anajysisofregressjveorzhogonalmethod一r。_列号总氮去除率1口〔芍.—(%)ǎ%à并刊经名属写0JO203〔)4050水)J停留It寸l丫、](h)图2氨氮的去除率与水力停留时间的关系Figure2RelarionofremovalrateofammonianitrogenandHRT最近国内外研究发现异养硝化现象6I],但本实验结果表明,当有机负荷为0.39(CoDer)/〔g(MLSS)·d]时,氨氮的去除率为55.4%(工况l)、17.3%(工况6)和48.100(/工况8),是所有工况中去除率最低的。而当有机负荷降低到0.059(CODer)/汇g(MLSS)·d]时,氨氮的去除率却高达93%以上(工况2、5、7),出水氨氮浓度小于smgL/(见图3)。由此说明在本实验中发生的仍是自养333106.3141.4137.635.4347.1345.8711.782.49l231761148.460.858.749.4720.2638,44805.353l2115.11475122.738.3749.2740.910.965.0954.445.437.8抽、é成U’7了06艺y=385.3y=42.81留内,、j门,ù91刀刃I,/毋巧R至表3中的R,—极差;况2一一偏差平方和;y-一总氮去除率;于一一一工况1一;9尺一:黔,刹S产·:夸一;)·:鲁一;)·:警一;)ǎ%à锌些帘名嘛减0.050.1()3有机负荷{g((`〔)Dc、,[g(MLSs).d]}.泥龄为6d0;口泥龄为4;d5圈泥龄为3d0图3有机负荷和氨氮的去除率的关系Figure3RelationofremovalrateofammonianitrogenandF/M11=yl+yZ+y3,12=yl+y4+y6,13=yl+y6+ysH,=y4+ys+y6,zII=yZ+ys+ys,aII=yZ+y4+yg1111二y7+ys+yg,刀儿=y3+y6+yg,刀23=y3+ys+y7一757一低氧条件下完全混合系统同时硝化和反硝化的试验研究张鹏sjla刀君力盯肠,F刀.口刀刀Icn勿j带5一做才、。月粼二706050403020代、一4530AZA3A一泥龄;52BZB3因子B一C/N0.30.10刀5C1CZC3肚60IAF/M。图4正交实验数据直观分析图Figure4Visualanalyticalehartorthogonaltestdata歹=粤,根据正交实验的结果,可以分析得到工艺的最佳运行条件l7]。从图4中可见,每一个因子中最大值对应的就是最佳脱氮工艺运行条件。C/N为10,F/M为0.19(CODer)/[g(MLSS)·d],泥龄为45d。3.1.5最佳工况运行结果及讨论上述分析得到的最佳工况正好与工况4相符。为了检验生物脱氮的可重复性,重复运行了该工况,仍然采用人工配水。试验结果如表4所示。表4的试验结果与工况4基本是一致的。出水的CODcr浓度小于50mg/L,氨氮基本被完全转化,总氮也有近70%的去除率。可见,在低氧条件下,完全混合活性污泥