搜索
第２９卷第４期２００９年１１月桂林工学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ２９Ｎｏ４Ｎｏｖ ２００９文章编号：１００６－５４４Ｘ（２００９）０４－０５４３－０５高浓度氨氮废水自养半短程硝化试验李小霞，解庆林，游少鸿，申泰明，张露文（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 ５４１００４）摘 要：在ＳＢＲ反应器中采用消化污泥驯化启动自养半短程硝化系统。在温度３５±１℃，溶解氧浓度（ＤＯ）１０～１５ｍｇ／Ｌ的条件下，可实现反应器的短程硝化。试验结果表明：反应器进水ＮＨ３Ｎ浓度为５１０ｍｇ／Ｌ、ＨＲＴ＝１２ｈ、ＤＯ＝０８～１２ｍｇ／Ｌ、ｐＨ＝７５～８３时，ＳＢＲ反应器出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ的平均浓度分别为２５３７和２４６９ｍｇ／Ｌ，ρ（ＮＯ－２Ｎ）／ρ（ＮＨ３Ｎ）为１０２，满足ＡＮＡＭＭＯＸ反应器的进水要求。关键词：自养半短程硝化；序批式反应器；ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ中图分类号：Ｘ７０３１ 文献标志码：Ａ脱除废水中氮的传统方法是采用硝化—反硝化工艺，即首先将废水中的氨氮转变成亚硝酸盐，再把亚硝酸盐转变成硝酸盐，最后把硝酸盐还原成氮气从而把氨氮去除，该工艺被广泛应用，取得了较好的效果［１－４］，但对处理高氨氮低碳氮比废水时，去除率不高。近年来出现的新型脱氮工艺大体可以分为短程硝化反硝化和同步硝化反硝化，如短程硝化工艺（ｓｉｎｇｌｅｒｅａｃｔｏｒｆｏｒｈｉｇｈａｍｍｏｎｉｕｍｒｅｍｏｖａｌｏｖｅｒｎｉｔｒｉｔｅ，ＳＨＡＲＯＮ）、厌氧氨氧化工艺（ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ＡＮＡＭＭＯＸ）、氧限制自养硝化反硝化工艺（ｏｘｙｇｅｎｌｉｍｉｔｅｄａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＯＬＡＮＤ）和全程自养脱氮工艺（ａｅｒｏｂｉｃｄｅａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＣＡＮＯＮ）等，它们都力求缩短生物脱氮中氮元素的转化途径，其共同点是在脱氮过程中仅先将氨氮氧化成亚硝酸氮，然后进行短程反硝化或同步反硝化，与传统工艺相比，短程硝化反硝化需氧量减少２５％，碳源需求减少４０％，污泥产量减少３００％，这一过程大大节约了碳源、能耗以及基建和运行费用［５］。国内外学者对短程硝化过程有多方面的研究，但对半短程硝化的研究比较少，所谓半短程硝化就是在微氧环境下将进水氨氮的一半氧化为亚硝酸氮，使出水ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ（质量浓度之比，全文同）为１∶１。因此，本文对自养半短程硝化的影响因素和运行条件进行了深入研究，使自养半短程硝化反应器出水满足ＡＮＡＭＭＯＸ工艺进水要求，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ为１０～１３。１ 试验材料和方法１１ 试验装置试验装置为序批式反应器（ｓｅｑｕｅｎｃｅｂａｔｃｈｅｒｒｅｃｔｏｒ，ＳＢＲ），其内径为１４ｃｍ，高５０ｃｍ，总容积为８３Ｌ，有效容积为７Ｌ，有机玻璃制成。在反应器壁上垂直方向设置一排间距为４０ｍｍ的小孔，用以取样和排水，底部设有排泥管。１２ 试验材料试验用模拟废水为自来水中加入一定量的ＮＨ４ＨＣＯ３，并配有适量的ＫＨ２ＰＯ４、ＭｇＣ１２·７Ｈ２Ｏ、ＣａＣｌ２等无机盐以提供微生物生长所需营养元素，作为高氨氮模拟废水进行试验研究。在整个试验过程中，共分５个阶段提高反应器进水氨氮浓度，每次提高约为６０ｍｇ／Ｌ，试验用水起始氨氮浓度为 收稿日期：２００８－０１－１０ 基金项目：广西环境工程与保护重点试验室基金项目（桂科能０７０４Ｋ０２８）；广西区教育厅科研项目（２００７０８ＬＸ２０８） 作者简介：李小霞（１９８０—），女，硕士，环境工程专业，Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｘｉａｏｐｉｎｇ＠ｇｌｉｔｅｅｄｕｃｎ。 通讯作者：解庆林，博士，教授，Ｅｍａｉｌ：ｘｉｅｑｉｎｇｌｉｎ＠ｇｌｉｔｅｅｄｕｃｎ。１８０ｍｇ／Ｌ。配水水质见表１。表１ 试验水质Ｔａｂｌｅ１ Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ指标浓度指标浓度ＮＨ３Ｎ１８０～５５０ｍｇ／ＬＭｇＣ１２·７Ｈ２Ｏ１００ｍｇ／ＬＮＯ－２Ｎ０ｍｇ／ＬＣａＣｌ２３５ｍｇ／ＬＮＯ－３Ｎ０ｍｇ／ＬＦｅ－ＥＤＴＡ１５ｍＬＫＨ２ＰＯ４６０ｍｇ／Ｌ微量元素１ｍＬ接种污泥为桂林市第四污水处理厂的消化污泥，其ＶＳＳ／ＳＳ为０５３，ＳＶＩ为１２６ｍＬ／ｇ。１３ 分析方法ＮＨ３Ｎ采用纳氏试剂分光光度法测定；ＮＯ－２Ｎ采用Ｎ（１萘基）乙二胺分光光度法测定；ｐＨ采用便携式ｐＨ计测定；ＤＯ采用便携式溶氧仪测定；ＭＬＳＳ采用标准重量法；ＮＯ－３Ｎ采用紫外分光光度法；水温Ｔ由温度计和温控装置联合控制。１４ 运行方式和条件ＳＢＲ反应器运行周期为每天２个周期，每个反应周期间歇进水１０ｍｉｎ、连续曝气１１ｈ、静置沉淀４０ｍｉｎ、间歇出水１０ｍｉｎ。反应器每周期进、出水量仅为其反应容积的一半，水力停留时间ＨＲＴ为２４ｈ。根据相关研究，初定自养半短程硝化反应条件为：温度Ｔ控制在３５±１℃，ＤＯ＝１０～１５ｍｇ／Ｌ，ｐＨ＝７５～８３。其中，反应器曝气量由人工调节曝气机流量控制，温度由温控仪和加热器控制，温度误差不超过１℃。试验过程中反应器不排泥，污泥浓度自然维持在０８～１０ｇ／Ｌ。定期分析进出水ＮＨ３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的浓度。试验稳定运行后将ＨＲＴ范围设为８～２４ｈ、ｐＨ＝６５～８５、Ｔ＝２６～３８℃、溶解氧浓度为０５～１８ｍｇ／Ｌ，研究这几个参数对自养半短程硝化系统的影响。２ 结果与讨论２１ 自养半短程硝化反应器的启动与负荷提高试验总共进行了１６０ｄ，经历启动培养、负荷提高和运行参数确定３个阶段。系统启动阶段和负荷提高阶段的进、出水各态氮素变化见图１和图２。启动初期系统为硝酸型硝化系统，出水ＮＯ－ｘＮ以ＮＯ－３Ｎ为主，达到了９８５ｍｇ／Ｌ；第８ｄ时，出水ＮＯ－２Ｎ出现积累为１３９ｍｇ／Ｌ，而硝态氮浓度远高于亚硝态氮的浓度；第２１ｄ时，当反应器进图１ 启动期（ａ）和负荷提高期（ｂ）反应器内各氮素的变化Ｆｉｇ１ Ｃｈａｎｇｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｓｅｔｕｐ（ａ）ａｎｄｌｏａｄｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｅ（ｂ）ｐｅｒｉｏｄｉｎｒｅａｃｔｏｒ图２ ＨＲＴ对半短程硝化系统的影响Ｆｉｇ２ ＥｆｆｅｃｔｏｆＨＲＴｏｎｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ水ＮＨ３Ｎ浓度为２６７５ｍｇ／Ｌ时，出水ＮＯ－３Ｎ浓度达到了最大１６７１ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ为６３８ｍｇ／Ｌ，ＮＨ３Ｎ浓度为３０１ｍｇ／Ｌ；驯化到第２９ｄ时，随４４５桂 林 工 学 院 学 报 ２００９年着进水ＮＨ３Ｎ浓度升高到２８１４ｍｇ／Ｌ，出水ＮＯ－３Ｎ浓度开始降低到１０３７ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ浓度升高到１４１３ｍｇ／Ｌ，ＮＨ３Ｎ浓度降到１９２ｍｇ／Ｌ，此时驯化阶段结束。负荷提高阶段的主要目是通过提高进水ＮＨ３Ｎ浓度抑制亚硝酸盐氧化细菌的生长，使出水ＮＯ－２Ｎ浓度升高，短程硝化反应器内实现半短程硝化系统，出水ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ的数值范围为１０～１３，满足ＡＮＡＭＭＯＸ反应器的进水。从图２可以看出，在负荷提高的第１阶段，进水氨氮浓度从驯化结束时的２８０ｍｇ／Ｌ提高到３２０ｍｇ／Ｌ左右时，出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度都有增加，分别为１７６４和６７２ｍｇ／Ｌ，而ＮＯ－３Ｎ浓度明显下降到５７１ｍｇ／Ｌ，说明进水氨氮对硝酸菌的抑制很明显。在第２阶段和第３阶段，进水ＮＨ３Ｎ浓度分别提高至３８０和４６０ｍｇ／Ｌ时，活性污泥仍具有良好的氨氮去除效果，出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度为２２３５和１５６９ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－３Ｎ浓度为２７１ｍｇ／Ｌ，此时，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ为１４２，仍然大于１３。第４阶段时，进一步提高进水ＮＨ３Ｎ浓度至５１０ｍｇ／Ｌ时，出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ平均浓度为２４９１和２３１７ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－３Ｎ浓度为４３ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ值为１１，满足ＡＮＡＭＭＯＸ反应器的进水，说明氨氧化菌降解氨氮性能很稳定，反应器抗负荷冲击的能力很好。当进水ＮＨ３Ｎ浓度增加到５６０ｍｇ／Ｌ时，反应出水ＮＨ３Ｎ浓度明显升高到２９７４ｍｇ／Ｌ，在此后数天内调节反应器的条件，也无法使反应器出水的ＮＨ３Ｎ浓度降低，说明氨氧化菌对ＮＨ３Ｎ的氧化能力达到一个极限程度，反应负荷提高阶段结束。因此，对于该反应器启动的自养半短程硝化适宜的进水ＮＨ３Ｎ浓度约为５１０ｍｇ／Ｌ。２２ 自养半短程硝化系统的影响因素及控制２２１ 水力停留时间（ＨＲＴ）对自养半短程硝化的影响 反应器启动期间和负荷提高期的ＨＲＴ为２４ｈ，从第７５ｄ开始改变反应器ＨＲＴ分别为８、１２、１８和２４ｈ，控制反应器出水ｐＨ为７５～８３，ＤＯ为１０～１５ｍｇ／Ｌ，进水ＮＨ３Ｎ浓度为５００ｍｇ／Ｌ，考察ＨＲＴ变化对半短程硝化系统的影响。缩短ＨＲＴ是提高反应器负荷的另外一种方式。由图３可知，当ＨＲＴ为８ｈ时，反应器出水ＮＨ３Ｎ为２７５３ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ只有２０３７ｍｇ／Ｌ；图３ ｐＨ变化对半短程硝化系统的影响Ｆｉｇ３ ＥｆｆｅｃｔｏｆｐＨｏｎｓｈｏｒｔｃｕｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＨＲＴ为１２ｈ时，反应器出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度分别为２４７３和２３３７ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ值为１０５。ＨＲＴ为１８ｈ时，出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度分别为２５９６和２２１９ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ的值为１１７。当ＨＲＴ延长到２４ｈ时，出水ＮＯ－３Ｎ浓度明显升高到２７６ｍｇ／Ｌ，而ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度都开始明显下降。由此试验可知，反应器ＨＲＴ为１２和１８ｈ时都能够使出水ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ的值维持在１０～１３，考虑到实际工程中的基建成本，确定ＨＲＴ为１２ｈ。资料表明［６］：对于短程硝化反应器来说，ＨＲＴ与ＳＲＴ（污泥停留时间）几乎是相等，而亚硝酸菌的世代时间较硝酸菌短，当ＨＲＴ为１２ｈ时，ＳＲＴ介于硝酸菌和亚硝酸菌的最小停留时间之间，系统中的硝酸细菌会被逐渐“淘洗”掉，试验也证实了当ＨＲＴ约为１２ｈ时更适合于亚硝酸菌的生长。这一研究结果与前人研究结果一致［７－８］。２２２ ｐＨ值变化对半短程硝化反应的影响 ｐＨ值是影响硝化过程的重要影响因素，在自养半短程硝化反应过程中，ｐＨ值的变化常在１个单位左右，因此其对脱氮过程的影响不容忽视。ｐＨ值对短程硝化反应的影响一方面是短程硝化细菌生长５４５第４期 李小霞等：高浓度氨氮废水自养半短程硝化试验要求有合适的ｐＨ环境，另一方面是ｐＨ对游离氨浓度有重大影响，从而影响短程硝化细菌的活性［９－１０］。为了观察ｐＨ对半短程硝化系统的影响，控制ｐＨ在６５～８８，观察对自养半短程硝化工艺的运行情况。试验结果见图３。当ｐＨ为６５～７５时，反应器出水ＮＯ－２Ｎ和ＮＨ３Ｎ浓度分别为２８１４和２０３９ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－３Ｎ浓度升高到１７９ｍｇ／Ｌ，说明低ｐＨ时，有利于硝酸菌生长繁殖，相应的硝酸盐浓度升高。当ｐＨ为７５～８５时，出水ＮＯ－３Ｎ浓度降低到５１ｍｇ／Ｌ以下，而ＮＯ－２Ｎ／ＮＨ３Ｎ的值也在１０～１３。当ｐＨ超过８５时，反应器出水ＮＨ３Ｎ浓度升高到２７５４ｍｇ／Ｌ，ＮＯ－２Ｎ浓度持续下降，说明适合自养半短程硝化系统的ｐＨ范围为７５～８５。２２３ 温度的影响 水温是影响微生物生长和代谢的主要因素，大多数微生物的新陈代谢作用随温度的升高而增强，随温度下降而减弱。一般短程硝化细菌能承受的最高温度上限为４０℃。自养半短程硝化细菌处理氨氮废水应该保持温度的稳定性，避免极端温度和瞬变温度给半短程硝化作用带来的不利影响［１１］。本试验研究了温度在２６～３８℃对半短程硝化系统的影响，结果见图４。图４ 温度对半短程硝