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中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集高效藻类塘去除氨氮机理的研究左春全,周琪’张建’(1.山东大学环境科学与工程学院,济南250100;2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要:高效藻类塘主要是利用塘内藻类、细菌的共同作用形成菌藻体,菌藻体在塘内的协同作用共同促进了塘内污染物的去除。高效藻类塘处理氨氮废水的试验在不同进水浓度、不同水力停留时间、不同季节下运行,运行结果表明高效藻类塘内氨氮浓度较低时,硝化作用、菌藻体同化吸收作用是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径;而氨氮浓度较高时,硝化作用、菌藻体同化吸收作用、氨氮的吹脱作用是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径。关键词:高效藻类塘,氨氮,菌藻体,硝化作用,同化吸收作用0.引言高效藻类塘似ihgaRetlAgalPond,简称HRAp)是在传统稳定塘基础上发展的一种稳定塘的改进形式,强调利用菌藻共生体的协同作用达到对污染物去除的目的。高效藻类塘不同于传统稳定塘的主要特征在于以下几个方面11112]:较浅的塘深,一般为.03一.06米;具有连续搅拌的装置;较短的停留时间,比一般稳定塘的水力停留时间短7~10倍。以上的特征使高效藻类塘内形成有利于藻类和细菌生长繁殖的环境,强化了藻类和细菌之间在生理功能上产生的协同作用,即废水中的有机物质由好氧细菌进行氧化分解,产生c0之等物质,而藻类则以阳光为能源,CO:为碳源,氨氮为氮源,磷酸盐为磷源,通过藻类细胞中叶绿素的光合作用,制造有机物,产生藻类自身的细胞物质,并释放氧气,供细菌氧化有机物用,从而达到处理废水的目的。目前高效藻类塘在国外研究较多,在美国、法国、德国、南非、以色列、菲律宾、泰国、印度、新加坡各国都有应用11]t31,但在我国尚无应用的报道。本试验是在前一阶段高效藻类塘处理生活污水的研究基础上,研究高效藻类塘处理含氨氮废水的可行性。考察高效藻类塘在不同季节、不同浓度、不同水力停留时间时,高效藻类塘处理含氨氮废水的效果及去除机理。1.试验装i、材料1.1试验装置、流程与材料高效藻类塘内水循环的动力来自于电机,电机经减速器减速后带动搅拌桨转动而使塘内水保持循环流动状态,塘内水的流速一般在0.15ms/~O,20耐s左右而使塘内菌藻体保持悬浮状态。废水由进水箱中重力流下,经高效藻类塘处理后进入水花生塘进一步处理后排出。一一少中令令,,’③“’lll③③③①进水箱②高效藻类塘③水花生塘进水减速器电机图2试验装置流程示意图中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集表1试验装置构筑物的尺寸、材料构构筑物物尺寸(LxBxH)(米)))材料料水水箱箱1.07XO.68X0.444聚乙烯板板高高速率藻类塘塘4XI.IXI.000钢筋混凝土土水水花生塘塘2,0XI.IXI.000钢筋混凝土土1.2实验废水试验废水采用实验室人工配水。配水水质根据不同的CN/比,不同的氨氮进水浓度,p源和各种微量元素配置而成。配水中以NH4cl为氮源,葡萄糖为碳源,KH护0.为磷源,适量投加朋95.0·7H刃、CaC,2·7H刃、MnSO.、Feso二6彻等作为配水中的微量元素。各阶段实验废水水质如表2所示.整个实验运行期间,塘内流速在0.15~o.2m0s/之间;运行期间塘内水深0.3m;塘的表面积不变,仅通过改变进水浓度及水力停留时间来改变进水污染物负荷;采用连续进水连续出水的运行方式。运行工况及进水水质如表2所示:表2各工况运行参数时时间间工况况HRT(d)))NH一N(mq/L)))CODer(ma/L)))PO户’一P(mq/L)))222001.3.19~2001.4.3000lll6665000100002.555222001.5.1`2001.6.2000222l22210000400003.555222001.6.21~2001.9.1555333l22220000400003.555222001.10.18~2001.12.1555444l88820000400003.555注:进水中各水质指标浓度以实测为准2.试验方法试验中,主要测定水温、coD、pH、DO、碱度、NH一N、TKN、No3一N、N02一N、55、叶绿素一a、磷酸盐等指标。主要测定的参数及方法.lt见表3.表3主要水质参数及测定方法测测定项目目方法法测定项目目方法法水水温温温度计计NO:一NNNa一蔡胺分光光度法法PPPHHHPH测定仪仪N氏一NNN紫外分光光度法法DDDOOO便携式溶氧仪仪碱度度滴定法法CCCODDDCOD快速法测定定SSSS标准重量法法PPP.O卜一ppp钥蓝分光光度法法叶绿素一aaa分光光度法法TTTKNNN凯氏(KJeldahl)法法NH一+一NNN标准蒸馏滴定法法叶绿素一a的测定方法为slt:试验中以hc!一a的浓度表征藻类的浓度.每IO0mL的样品中加入3~4滴碳酸镁悬浮液,然后取定量水样(10~20m)L,用0.45,m的滤膜过滤(本试验中采用针滤器过滤),然后将滤纸连同其上的过滤物用9胜丙酮提取,定容到1m0L后于暗处静置1小时,以3000r细in的速度离心分离5~10分钟。取其上清液,以95%的丙酮作参比,分别于665lnn、645nm、630nm、750mn的波长下测其吸光度。叶绿素的计算公式为:Ch卜a(匆/!)二(11.6D一1.31兔。一0.41D。).faD二Na~伟.N(a为波长a下的吸光度);=f1O00’vl八6;Vl:定容体积,献;V:取样体积,mL;6:比色皿的光程长度,枷3.结果与讨论3.1菌藻体同化作用对NH’一N的去除中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集图2高效藻类塘进出水NH.一N、有机氮之间的关系图2表示高效藻类塘进出水NH’一N、有机氮之间的关系,菌藻体的生长利用NH一N作为自身生长的氮源,藻类利用氨氮合成细胞的过程实际上是NH;一N转化为有机氮的过程。从图2可以看出,进水中基本上不含有机氮,出水中有机氮的含量显著增加,说明菌藻体同化作用是NH;一N去除的一重要原因。有机氮的含量表征菌藻体的同化吸收作用对氨氮的去除数量。高效藻类塘中一般沿用oswald分析得出的藻类分子式lC胡la10oNleP,Oswald得出高效藻类塘内藻类光合作用的方程式如下`6]:lo6oCZ+236万20+16解一++脚。;’一分e:.H川O4。N.6p+118仇+17lH20+14H`菌藻体的同化吸收作用对于.尤其重要,因为N元素的含量占藻类干重的7%,而p仅占1%111.菌藻体同化吸收作用在第一工况、第二工况、第三工况、第四工况对氨氮去除作用分别占进水氨氮总量的5%、17%、6%、5%。高效藻类塘内菌藻体的同化吸收作用对NH一N去除作用随季节变化而不同。表现在藻类生长最快的春季生物同化吸收量最大:气温较冷的冬季,由于塘内藻类浓度降低,而对氨氮的同化吸收作用有所减弱。这是因为春季是藻类生长繁殖最旺盛的季节,塘内藻类的生物量大,同化吸收氨氮的量多,转化为有机氮的量也大,到了七~九月份,相比于春季,藻类的生物量有所下降,从18.枷gL/降至10.骊gL/。冬季虽然藻类的浓度有所下降,但出水中的有机氮的浓度仍然保持在较高的水平(9.mZg/)L,说明冬季藻类的同化吸收作用仍然保持较高的水平。3.2硝化作用对NH4一N的去除中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集图3为高效藻类塘进出水亚硝酸盐、硝酸盐之间的关系。由图3可以看出,进水中N02-N、N03一N浓度很低,出水中NO3一N浓度有较大的升高,说明存在氨氮一亚硝酸盐一硝酸盐的过程。硝化作用在第一工况、第二工况、第三工况、第四工况对氨氮去除作用分别占进水氨氮总量的4昨、56%、43%、25%,可以看出硝化作用对于塘内氨氮的去除起着重要的作用。Nudrogan等认为,在高效藻类塘中,由于高的PH值和0D的日夜变化而使硝化细菌难以生存,故硝化现象很少发生t11I’1。本试验中,PH值的变化不大,塘内的PH值一般都在7左右变化,适于硝化菌的生长。硝化反应必须在好氧条件下进行,一般说来,硝化反应中溶解氧的浓度易大于2四几。本研究中,除夜间一小段时间内塘内溶解氧的浓度比较低以外,大部分时间塘内溶解氧的浓度较高,一般在8啊L/以上,午后2:00测得的塘内溶解氧的浓度最高达11.2啊几,适于硝化菌的生长繁殖。硝化细菌的比增长速率低,世代周期长,而高效藻类塘内水力停留时间远大于硝化细菌的世代周期,所以高效藻类塘内适于硝化细菌的生长。这为塘内硝化反应的发生提供了必要的条件。3氨氮的吹脱作用对于高效藻类塘内氨氮的去除起着重要的作用。对进出水氮的组成成分进行了分析,结果如图4所示。在进水氨氮浓度低时,氨氮首先用来满足菌藻体生长的需要和硝化作用,随着进水氨氮浓度的升高,氨氮的吹脱作用更加明显,在夏季尤其突出。由图4可以看出,第一工况中氨氮吹脱作用仅占氨氮去除率的1.27%,第二工况时占氨氮去除率的9.2%,到夏季第三工况时吹脱作用占氨氮去除率的45.07%。湘3在水中的浓度随温度的升高而升高,温度每升高10℃,水中NH:的数量会增加一倍,所以在夏季N比更容易从水中吹脱出去。高效藻类塘的连续搅拌装置提供了较大的水和空气交换的表面,促进了氨氮的吹脱作用。5.Muttamaar研究表明,在塘系统中,甚至在PH接近中性时,只要有较长的水力停留时间氨氮的吹脱作用就不可忽视8I]。高效藻类塘中,一般认为,损失的N(Loss一N)大多是通过氨氮的吹脱作用去除的。3.4各影响因素对NH’一N去除影响硝化作用对于塘内氨氮的去除起着重要的作用。在气温较高的季节里,塘内硝化作用对氨氮的去除量和进水氨氮浓度成一定的比例,一般硝化作用转化为硝酸盐的量占进水氨氮总量的45%左右。冬季气温降低,硝化菌受低温的抑制作用比亚硝酸菌更为强烈,塘内出现了大量的亚硝酸盐积累,一般温度低于15℃即发现硝化速率急剧降低。在高效藻类塘中,氨氮的吹脱作用对塘内氨氮的去除随进水氨氮浓度的不同而不同。由以上分析可以看出,高效藻类塘内氨氮浓度较低时,硝化反应及生物同化吸收作用转化为自身的有机氮是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径;氨氮浓度较高时,氨氮的吹脱作中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集用,硝化作用及生物同化吸收作用是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径。氨氮浓度越高,氨氮吹脱作用所占比例越大。4.结论高效藻类塘对氨氮有较好的去除效果,氨氮浓度较低时,硝化反应及生物同化吸收转化作用为自身的有机氮是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径;氨氮浓度较高时,氨氮的吹脱作用,硝化反应及生物同化吸收作用是高效藻类塘内氨氮去除的主要途径。氨氮浓度越高,氨氮吹脱作用所占比例越大。生物同化吸收对于塘内氨氮的去除是有一定限度的。高效藻类塘内硝化反应的结果是出水中硝酸盐含量很高,但是在冬季低温对硝酸菌的抑制作用比亚硝酸菌更为强烈,所以在低温条件下(12~14℃)高效藻类塘内会出现亚硝酸盐的积累。参考文献1.B.Pieotetal.NuitrentRemovalbyHihgaRtePondSysetminaMeditearrneanClimate(Farnce).Wat·Sci·eTeh·,1991,23:PP.1535一15412.E.G6mezetal.声刀旧noniaEli而nationProeessesinSatbiliaztionandHigh一aRetAlgalPondSystems.Wat.Sei.介`h.,1995,31(7):PP.303一3123·H·O·Bhur&S·B.Mille.rADynamieModelofhTeHigh一aRteAlgal·BacteiralWastewaterrTeatmentPond.Wat·Res·,1983,VOI.17:PP29一373H.O.Buhr&S.B.MilleLAyDnamieModelofhTeHigh一aRteAlgal一BaeteiralM白stewaterrTeatmentpond.WaLeRs.,1983,Vol一7:pp29一374.