高浓度氨氮废水的短程硝化研究王厦

127(10):卯2一907.【10]王而力,刘子愉.氟化钙晶核在处理低氟浓度含氛废水的作用[JI,辽宁城乡环境科技,2的l,21(l):21一24【川陈平,金奇庭.诱导沉淀结晶技术在水处理中的应用,中国给水排水,2以鸿,20(9):铸26高浓度氨氮废水的短程硝化研究王厦冯晓西(华东理工大学环境工程研究所,上海200237)摘要:通过采用普通好氧活性污泥驯化培养启动亚硝化反应器,探索了在本实验室条件下,亚硝化反应的最适条件。结果表明,在温度(T)为35℃、pH值为7.5左右,初始污泥浓度.07gIL时,控制较高的初始进水氮氮浓度和较低的DO浓度有利于亚硝化反应的启动:驯化后,反应器内氮氮处理效果良好,即使进水氮抓浓度高达2叨肠咫几时,氨氮去除率也能达到95%以上:在本实验中,亚硝化的最适宜条件为:温度:29一35℃、pH值:.7压8.0,同时实验结果表明在一定范围内,溶解氧浓度浓度越高,亚硝化反应速率越快:CN过高会严重抑制亚硝化反应。关键词:高浓度氨氮废水;短程硝化;生物降解随着城市化和工业化程度的不断提高以及在农业中化肥和农药的广泛使用,氮、磷等营养物质引起的水体富营养化问题日益突出,危害严重l1[。尤其是工业生产中排放的废水,如化肥、焦化、味精、石油精炼及煤加工废水等,含氮量较高,而且废水中C加比较低。若采用常规的全程硝化反硝化工艺很难满足这类高氨低碳废水的处理要求.上个世纪九十年代末期,荷兰学者c.eHiilgna等人开发了sHARoN工艺121,发现了短程硝化反硝化这一新型脱氮途径,这一途径具有节约能源、碳源,减少污泥产量和占地面积省等几个大优点,因此自开发以来成为国内外污水处理专家的重视.3t`5],并成为污水生物脱氮研究领域的热点。本实验着重研究了短程硝化对于高浓度氨氮废水的去除,并对相关因素进行了动力学分析。研究结果表明,经过本实验驯化培养的活性污泥对高浓度氨氮废水有很强的降解能力。不同的温度、溶解氧浓度、PH值对氨氮降解有显著影响。同时,废水中有机物浓度也对活性污泥的性状有一定影响。1实验部分1.1实验水样和污泥实验中所用的高浓度的氨氮废水采用人工配水。配水的配制是在自来水中投加一定浓度的(N践):S仇,NaHZP04及其他微量元素。实验中所用的污泥取自华东理工大学污水处理站的活性污泥。1.2实验装i及方法整个实验采用连续流进行研究,实验装置见图1。废水经过进水泵从进水桶中输送到反应器底部,经过反应后从出水口进入到沉淀池的中心管内,经过沉淀后上清液排出以供测定,污泥则通过污泥回流泵再输送到反应器内。空气通过气泵,由气体流量计控制气量,然后再输送到反应器底部的曝气软管.实验中pH采用在线控制,碱液用NaZCO3配制,通过输送泵投加到反应器内。反应器内的温度由带有温度自动控制的加热棒来调节,温度控制在35℃左右。反应器采用CSTR形式,由有机玻璃加工而成,呈圆柱状,有效容积为10L.1.3分析方法本实验分析项目与分析方法如下:氨氮:蒸馏一纳氏试剂分光光度法:亚硝态氮:N一(卜蔡基)-乙二胺分光光度法;硝态氮:紫外分光光度法;I幻:溶氧仪法;COD:重铬酸钾法;卜n名S:质t法。d.工,.上!.QJO八à一:…es门翩剧一·····!却·……独1{25犯1:进水桶2:进水泵3:气泵4:气体流量计5:污泥回流泵6:带温控的加热棒7:搅拌机:8PH探头9:沉淀池10:pH自动控制系统n:碱液输送泵12:碱液储槽图1实验装t流程图2实验结果及讨论2.1运行结果整个连续流运行研究阶段历时103天.根据反应器运行的情况,主要可将实验过程分为两个阶段:污泥驯化阶段l(~31天)和进水氨氮负荷提高阶段。在负荷提高阶段根据进水浓度的不同又可以分为四个阶段:进水浓度分别为12仪腼倒L左右、1800m叭左右、2《刃m叭左右、3以x)m叭左右。整个实验过程中进出水氨氮浓度、出水亚硝态氮、硝态氮浓度以及计算后的出水总氮浓度的变化情况如图2所示;进水容积负荷和氨氮去除率如图3所示。从图2中我们可以看到在污泥驯化初期,反应器内氨氮去除效果很差,氨氮去除率仅为17.22%.在驯化过程中,出水氨氮、硝态氮浓度逐渐降低,亚硝态氮产生积累,浓度逐渐增高。在驯化期到13天以后,反应器出水氨氮浓度开始下降,在17天时出水氨氮浓度已经降到.27m叭;而与此同时,在驯化期到了12天后反应出水中硝态氮和亚硝态氮出现积累,但是在积累初始,硝态氮浓度远高于亚硝态氮的浓度,随着驯化过程的进行,反应出水的亚硝态浓度逐渐增高,在NOx’中比例增大。在驯化期达到29天时,出水亚硝态氮浓度已经超过硝态氮浓度,随后亚硝态氮浓度进一步增高,而硝态氮浓度进一步降低。此时驯化阶段结束。ù份.邢以,一ó一ōóùù35003000幼2任1(P.1)诬.碱肠仲扭川铸匆000500500000500ǎ曰、留à侧说饵娜10172431394955636975828998天数(d)1217朴27313了42的助6,76砚87,2”圈2进出水各物质浓度变化图3氮氮去除率和进水容积负荷变化在负荷提高第一阶段中,进水氨氮浓度从驯化结束的689.2m创L提高到12仪腼创1左右,污泥仍需要一定的驯化期,具体体现在,出水中氨氮浓度较高,亚硝态氮浓度较低,硝态氮仍有一定浓度。但随后,出水氨氮浓度降到10m叭以下,亚硝态氮浓度逐渐增高,而硝态氮浓度逐渐降低,最终无法反应器内检出。在第二阶段中,进水氨氮浓度提高至1800m叭。活性污泥仍体现出良好的氨氮去除效果。虽然进水氨氮浓度增高,但是出水氨氮稳定在很低的水平,而亚硝态氮积累稳定,保持在一个较高的浓度值。说明此时氨氧化菌降解氨氮性能稳定,而且对高浓度的亚硝态氮有很强的承受能力。在第三阶段,进水氨氮浓度进一步提高至2400m叭,出水氨氮有所波动,而亚硝态氮高达l仪旧m叭以上。说明此时高氨氮和高亚硝态氮对氨氧化菌造成一定的冲击,但是仍在氨氧化菌的承受范围内,没有对氨氧化菌降解氨氮的酶体系造成崩溃性的改变。进入第四阶段后,进水氨氮浓度为3以刃m叭,反应出水氨氮浓度波动明显加强,而且无法维持在一个较低的水平,在此后数天内调节反应器内的条件,也无法使反应器内达到很好的去除效果。说明此时氨氧化菌的降解能力达到一个极限程度,反应负荷提高阶段结束。综合以上四个阶段来看,从图3我们也可以看出,随着实验进程,进水氨氮容积负荷逐渐提高。在驯化初期仅为0.1岁(L*d)左右,而其后最高时达到.3291(L*d),远高于普通硝化反应的负荷。同时经过驯化期后,进出水可以保持很高的氨氮去除率,最高时能稳定在99%以上。这说明在不同条件培养的污泥菌种有一定差异,本实验驯化培养的污泥菌种有很强的氨氮降解能力。同时我们观察到进水总氮含量与出水总氮含量有一定差异,这可能与途中损失或其他氮素转化途径有关,如吹脱、同时硝化反硝化、好氧反硝化等,这些还有待研究.2.2氨氮降解动力学分析本实验研究了不同条件下的氨氮降解动力学,以探究这些条件对氨氮降解的影响。实验在分批式反应器中进行。在反应器内直接加入氨氮浓度为l0(x)mglL的配水,配水补加一定量营养元素然后在不同条件下,反应若干小时。每隔定量时间取样进行分析。2.2.1不同温度下氨氮降解情况不同温度条件下氨氮降解速率常数变化如图4所示。从图4中我们可以看到,在不同温度下,活性污泥降解氨氮的速率有明显的区别,温度越低,反应速率越慢。在22℃到35℃之间时,随着温度的增高,反应速率是不断加快的。但是温度过高也会对污泥内氨氧化菌产生抑制作用,41℃时反应速率常数低于35℃时的反应速率常数,甚至低于29℃时的反应速率常数。这也告诉我们,氨氧化菌的最适宜生存温度条件在29℃~35℃之间。而我们选择反应器的条件时选定为35℃是一个合适的温度。既不会因为高温使微生物受到抑制,又可以使其反应速率常数保持较高的水平。同时我们在22~35℃范围内,将反应速率常数与温度进行拟合,发现氨氮降解反应速率与温度的关系符合阿仑尼乌斯方程。2.2.2不同溶解氧浓度氨氮降解情况不同溶解氧浓度条件下氨氮降解速率常数变化如图5所示。///尸、气气///\\\///\\\///、、/////,,尸—一一一、、、门门二,...图4不同温度条件下反应速率常数变化.....///’’/////厂厂厂//////////图5不同溶解氛浓度下反应速率常数变化嘟厂从图5中我们可以看出,随着反应器内溶解氧浓度增高,反应速率常数变大。从这一点来说,曝气量越大,反应器内的溶解氧浓度越高越有利于亚硝化反应的进程。但是在实际过程中,因为过高的曝气量会增加动力消耗费用,同时,过大的曝气量还会使反应器内污泥絮体解体,不利于活性污泥的生长.而且在连续流中反应器内溶解氧浓度为1.om叭时已经能够满足氨氮降解需要。所以我们在实验研究中仍然采用溶解氧浓度为1.om到L时进行研究。2.2.3不同有机物浓度氨氮降解情况不同C八比条件下反应速率常数变化见图在很多实际废水中都含有一定量的有机物,在目前条件下,C舰为零的实际废水情况不多.因此我们需要观察在不同CNI比对氨氮降解反应常数的影响。反应时有机物采用葡萄糖配制。从图6中我们可以看出,在废水中投加一定量的有机物对氨氮降解有明显的影响。往配水中加入少量的有机物,不但不会抑制氨氧化菌的降解作用,反而使其反应速率有所加强。但是随着投入有机物量增多,氨氮降解的速率逐渐降低。我们初步分析认为这主要是由于反应体系内的异养菌与氨氧化菌共存所至。在投加少量的有机物时,异养菌八八o,05fff贡贡“一”451一声灭丁一一-一—-一——岁岁O·04门产一一入又一一———,,曰一~`.11、叹叹声声“·“乙b犷一一一一、叮一一一一一一一一二二”·“”片一一一一一~又尸一一月一一---厂厂0·“25卜一一一—一一一又一一——篡篡”·”21一一一一~-一一一一、一一一一~一一鱼鱼“·”`5卜一一一一一一一一——誉誉“一”`卜——...乞0.005卜一一一一一一一一一一一一一一一一``均lll000一一000123444CCC/N比比图6不同COD浓度下反应速率常数变化对有机物进行降解,其部分产物增强了氨氧化菌的活性,但此时反应器内仍然以氨氧化菌的氨氮降解作用为主。但是随着COD浓度的增加,异养菌的降解作用加强。在反应器内,异养菌的生长与氨氧化菌的生长形成了竞争,抑制了氨氧化菌的氨氮降解。3结论①以配制的高氨氮废水,在温度为35℃、CS跟反应器、溶解氧为1.om叭的条件下可以很好的实现短程硝化。②经驯化培养的污泥有很强的氨氮降解能力,在进水氨氮容积负荷为3.2以(L*d)时仍有很好的氨氮去除率。③不同的温度对于亚硝化反应速率有一定影响,温度过高不利于反应。反应速率与温度的关系符合阿仑尼乌斯方程。④溶解氧浓度对亚硝化反应速率有明显影响。浓度越高,反应速率越快。⑤废水中有少量的有机物有利于氨氮降解,但是大量的有机物浓度会抑制亚硝化反应。参考文献11]郑平等.新型生物脱氮理论与技术.科学出版社.2X(抖【2]C.Hellingaeral.hTeSHARONP(r兄ess:aninnovaitvemehtodforniotrgenemrovalform田n.旧nium一hCwasetwate.rw台tSei口eTeh.1998,37(9):135一142[31GCiuddeetal.Partialniitrifeiatonofihgh出刊moniaeoncenit习itonwasetwaterasaPaltofashortcutbiolgoieiainotrgenermovalProcess.Pr以沁55bicohe而s昨2X()5,40:1715一1719[41GRuizetal.Niitrife丽onwihthighniitrteaeeumuliatonforhte。℃atmentofwasetwaetriwhta们nrnoniaeoncenu习iton·场伯terReseacrh.2X()3,37:1371一13775[1蒙爱红等.高浓度氨氮废水的短程硝化研究.中国给水排水.2002,1