固定化包埋颗粒对二级出水深度脱氮特性研究

第33卷第2期2013年2月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.2Feb.,2013基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.51078008);北京市自然科学基金(No.8122005);北京市教委重点基金(No.KZ201110005008)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51078008),theNaturalScienceFoundationofBeijing(No.8122005)andtheBeijingMunicipalEducationCommissionKeyFund(No.KZ201110005008)作者简介:王静萱(1986—),女,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:WANGJingxuan(1986—),female,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]王静萱,李军,张振家,等.2013.固定化包埋颗粒对二级出水深度脱氮特性研究[J].环境科学学报,33(2):389-394WangJX,LiJ,ZhangZJ,etal.2013.Nitrogenremovalofthesecondaryeffluentbyembeddedimmobilizedbacteriainmoving-bed[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(2):389-394固定化包埋颗粒对二级出水深度脱氮特性研究王静萱1,李军1,∗,张振家2,赵白航1,刘伟岩1,31.北京工业大学建筑工程学院,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京1001242.上海交通大学环境科学与工程学院,上海2002403.北京城市排水集团有限责任公司,北京100022收稿日期:2012-04-23　　　修回日期:2012-07-23　　　录用日期:2012-08-01摘要:采用包埋固定化颗粒对北京市某污水处理厂的二沉池出水进行深度脱氮处理,研究了驯化启动及稳定运行的条件和脱氮特性,对比了不同水力停留时间(HRT)、不同进水TN负荷的脱氮效能.结果表明,在水温为25℃、pH=7.2、水力停留时间为70min、包埋颗粒填充率为30%时,投加碳源驯化一周后包埋固定化颗粒即能保持稳定高效的脱氮率,并具有良好的耐冲击负荷能力;进水TN负荷从0.5kg·m-3·d-1逐渐提高至2.0kg·m-3·d-1时,TN平均去除率达到86.6%.进水TN负荷为2.5kg·m-3·d-1时,TN平均去除率仍能达到70%;在HRT为20min时,出水硝氮1mg·L-1,TN5mg·L-1;填充率由30%逐渐降低到20%时,TN去除率均能达到80%以上;填充率低于20%时,TN去除率随着填充率的减少而下降.试验确定包埋固定化菌的最佳填充率为20%.关键词:包埋固定化颗粒;驯化;水力停留时间;填充率文章编号:0253-2468(2013)02-389-06　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:ANitrogenremovalofthesecondaryeffluentbyembeddedimmobilizedbacteriainmoving-bedWANGJingxuan1,LIJun1,∗,ZHANGZhenjia2,ZHAOBaihang1,LIUWeiyan1,31.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering,theCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing1001242.SchoolofEnvironmentalScience&Engineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai2002403.BeijingDrainageGroupCo.,Ltd.,Beijing100022Received23April2012;　　　receivedinrevisedform23July2012;　　　accepted1August2012Abstract:EmbeddedimmobilizedbacteriaparticlesareusedtotreatthesecondaryeffluentfromthewastewatertreatmentplantofBeijing.Theeffectsofhydraulicretentiontime,TNloadingrateandtheparticlefillingratioonthecultureprocessofembeddedimmobilizedbacteriaandnitrogenremovalefficiencywereinvestigatedhere.Theresultsshowedthatastableandhighnitrogenremovalefficiencywasachievedintheconditionoftemperature25℃,pH7.2,hydraulicretentiontime70minandfillingratio30%afteraddingthecarbonsourcesforoneweek.Anexcellentresiliencetotheloadshockwasobservedinouroperatingsystem.TheaverageTNremovalefficiencyreached86.6%,whentheTNloadingratevariedfrom0.5kg·m-3·d-1to2.0kg·m-3·d-1.TheTNcanberemovedby70%withtheTNloadingrate2.5kg·m-3·d-1.Theeffluentconcentrationofnitratenitrogenandtotalnitrogenwerelessthan1mg·L-1and5mg·L-1respectivelyatHRT20min.ATNremovalefficiencyhigherthan80%wasachievedwhenthefillingratiochangedfrom30%to20%.However,theTNremovalefficiencydecreasedwiththefillingratiowhenthefillingratiowaslessthan20%.Theoptimizedfillingratioofembeddedimmobilizedbacteriawas20%intheexperiment.Keywords:embeddedimmobilizedbacteria;domestication;HRT;fillingrate1　引言(Introduction)目前,污水处理厂普遍采用生物处理技术处理污水,而强化生物处理工艺的效果是当前污水处理研究的主要方向之一(韩力平等,1999;Linetal.,2006;Jinetal.,2012).固定化微生物技术是现代环　　境　　科　　学　　学　　报33卷生物工程领域中的一项新兴技术,它能将游离细胞或者酶定位于限定的区域,使其保持活性并可反复利用.自20世纪70年代起,固定化技术就已开始应用于水处理行业(Lietal.,2002;Rostronetal.,2011).研究表明,固定化技术除了具有效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种的优点外,还具有反应启动快、固液分离简单、耐毒害能力强、污水设备小型化等优点(王建龙等,2006;Qiaoetal.,2010;于霞等,2001).包埋固定化是目前固定化技术中研究最多,也是最有前途的技术之一,国外利用固定化技术对二级出水进行脱氮处理,已能将TN降低到3~5mg·L-1.但目前国内对包埋固定化技术的研究较少,还没有将包埋固定化颗粒用于污水二级处理的研究报道.因此,本研究利用包埋固定化颗粒对北京市某污水处理厂的二级出水进行深度处理,为降低出水总氮,利用包埋固定化颗粒进行后置反硝化,进一步去除水中的硝氮,并检测其对硝氮、总氮的去除效果,以通过试验确定包埋固定化颗粒的驯化周期和包埋颗粒反应器能够接受的进水负荷,为实际工程应用提供依据.2　试验方法和试验装置(Methodsanddevice)2.1　试验水质和分析方法试验原水为北京市某污水处理厂的二沉池出水,试验水温在25℃左右,具体水质见表1.各水质指标的检测方法为:COD采用重铬酸钾法,NO-3-N采用麝香草酚分光光度法,NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法,氨氮采用纳氏试剂比色法,pH和水温采用DELT320pH计测定.表1　二级出水水质指标Table1　Qualityofthesecondaryeffluent数据类型COD/(mg·L-1)NH+4-N/(mg·L-1)NO-3-N/(mg·L-1)NO-2-N/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)pH范围22.61~55.920.10~2.6021.68~28.450.06~1.1023.2~31.47.10~7.45均值38.000.7825.100.2526.97.202.2　试验装置包埋固定化颗粒为黑色立方体小块(3mm×3mm×3mm,长×宽×高),表面光滑有弹性、机械强度好,密度略大于水,约为1.04g·cm-3,包埋颗粒载体为聚乙二醇.包埋颗粒以30%的填充率填充入如图1所示反应器.主体反应器为高65cm、直径20cm的圆柱体,顶部装有搅拌设备和格网,以使包埋颗粒在反应器内处于流化状态并防止包埋颗粒流失.图1　试验装置图Fig.1　Theexperimentaldevice3　结果与讨论(Resultsanddiscussion)试验以北京市某污水处理厂的二沉池出水为研究对象,二级出水具有COD值低,并含有一定浓度的硝氮、总氮的特点,因此,本试验目的是去除硝氮和总氮.试验第一阶段进行包埋固定化颗粒的驯化,驯化期选用乙酸钠为外加碳源,并投加充足碳源供反硝化细菌进行新陈代谢,驯化期HRT为70min,填充率为30%.第二阶段进行反应器工况的研究,以确定最适HRT.3.1　驯化期硝氮、亚硝氮和总氮的变化驯化期进、出水中硝氮、亚硝氮和总氮的浓度变化如图2所示.由图可知,在包埋固定化颗粒驯化期间,进水的硝氮和亚硝氮浓度波动较小,硝氮平均浓度为25mg·L-1,亚硝氮平均浓度为0．249mg·L-1.在反应开始的第1d,包埋颗粒对硝氮的去除率达到60%,第2d达到90%,随后又出现去除率降低的现象,出水硝氮浓度波动较大.7d后,包埋颗粒对硝氮的去除效果较为稳定,继续维持驯化期的试验条件运行1个月,硝氮去除率稳定在90%左右.驯化期间出水亚硝氮浓度略有升高,波动明显0932期王静萱等:固定化包埋颗粒对二级出水深度脱氮特性研究(图2b).TN受硝氮、亚硝氮浓度影响,驯化期间TN负荷在0.4~0.6kg·m-3·d-1之间波动,平均值为0．48kg·m-3·d-1;在硝氮得到稳定去除、亚硝氮有部分积累的情况下,TN仍具有80%以上的去除率,出水TN维持在5mg·L-1以下(图2c).同时,通过对进水pH的监测发现,在稳定运行期间,出水pH比进水pH高0.8左右.笔者认为这是由于反硝化过程产生的碱度造成pH升高.通过对包埋固定化颗粒的驯化,填料内聚集的优势菌为反硝化菌,在缺氧条件下利用外加碳源进