含盐废水SBR工艺短程硝化试验张兰河

2010年第29卷第10期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·1985·化工进展含盐废水SBR工艺短程硝化试验张兰河1，2，张万友1，韩利1，杨涛1，刘强1（1东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012；2城市水资源开发利用（北方）国家工程研究中心，黑龙江哈尔滨150090）摘要：采用SBR工艺对含盐废水进行了长期实验室试验，探讨了NaCl浓度、pH值、碳氮（C/N）比等因素对含盐废水短程硝化的影响。结果表明：逐步提高废水中NaCl浓度，SBR工艺能够实现短程硝化。在温度30℃和NaCl浓度10g/L的条件下，含盐废水实现短程硝化的最适pH值范围为7.0～8.0。当C/N比为7.53时，亚硝态氮累积量最大，达到86.13mg/L，含盐废水的短程硝化反应应选择低C/N比条件下进行。关键词：含盐废水；SBR反应器；短程硝化中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1000–6613（2010）10–1985–05ShortcutnitrificationofsalinitywastewaterusingSBRprocessZHANGLanhe1，2，ZHANGWanyou1，HANLi1，YANGTao1，LIUQiang1（1SchoolofChemicalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，Jilin，China；2NationalEngineeringResearchCenterofUrbanWaterResources，Harbin150090，Heilongjiang，China）Abstract：Abench-scalesequencingbatchreactor（SBR）processwasusedforalongtermtesttotreatsalinitywastewater.Effectsofwastewatersalinity，pHandC/Nratioontheshortcutnitrificationwereinvestigated.ResultsshowedthattheshortcutnitrificationcanbeaccomplishedinsimulatedsalinitywastewaterbyusingSBRwhenNaClconcentrationgraduallyincreased.TheoptimalpHforshortcutnitrificationwas7.0—8.0at30℃with10g/LNaClconcentration.Thehighestnitriteaccumulationconcentrationwas86.13mg/Lwith7.53C/Nratio.Furthermore，theshortcutnitrificationshouldbecarriedoutinsalinitywastewaterwithlowerC/Nratio.Keywords：salinitywastewater；sequencingbatchreactorprocess；shortcutnitrification近年来，由于工业生产规模的扩大，导致含盐废水排放量逐年增加[1－2]。活性污泥在含盐环境中经过驯化后，将具有一定的耐盐性，能够有效去除废水中的有机物[3－4]。短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止亚硝酸盐氮进一步被硝化，从而直接进行反硝化；其本质是控制一定的环境因子抑制硝化菌的活性，但并不抑制亚硝化菌的活性；其标志是在硝化过程中实现稳定且高浓度的亚硝酸盐累积。短程硝化反硝化生物脱氮具有缩短反应时间、增大了硝化和反硝化速率、减少硝化需氧量、节省碳源以及减少剩余污泥排放量等优点[5]。在短程硝化反硝化的两个主要反应步骤中，反硝化过程比较容易控制，而持久地获得NO2－-N累积则是实现短程硝化反硝化的关键[5－6]。Campos等[7]利用活性污泥法处理高氨氮含盐废水，当废水含盐量525mmol/L、氨氮负荷高达1～4gNH4+-N/(L·d)时，氨氮接近100%转化为硝态氮；当超过此盐度时，氨氮开始累积，硝化效率迅速降低，亚硝态氮累积率达到16%～20%。Yoshie等[8]通过试验得出盐度为10%的反硝化菌活性高于盐度为2%的反硝化菌活性，2%盐度下嗜盐反硝化菌和非嗜盐反硝化菌可能共存，并且互相竞研究开发收稿日期：2010-02-08；修改稿日期：2010-04-02。基金项目：吉林省科技发展计划应用基础研究项目（20090599）。第一作者简介：张兰河（1971—），男，博士，副教授，主要研究方向为大气处理工艺。[e-mail]。DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2010.10.022化工进展2010年第29卷·1986·争底物，然而10%盐度下可能会导致嗜盐反硝化菌占优势地位，从而提高了反硝化效率。但是，由于采用的实验方法、运行时间和工艺条件不同，盐度对污泥硝化作用的影响研究所得结论存在较大差异[9]。此外，关于亚硝化菌和硝化菌在受到盐度冲击时如何实现含盐废水的短程硝化研究尚少。本作者采用SBR工艺对含盐废水进行了短程硝化的试验研究，主要考察了NaCl浓度、pH值、碳氮比（C/N）等因素对含盐废水短程硝化的影响，为SBR工艺处理含盐废水短程硝化反硝化的工程应用奠定基础。1材料与方法1.1实验装置与运行方式实验采用2组规格相同的SBR生物反应器（分别为SBR1和SBR2），均由有机玻璃制成。其内径为10cm，高度为25cm，有效容积为2L，设有小型微孔曝气装置及搅拌器，以转子流量计调节曝气量来控制溶解氧浓度，接种活性污泥取自吉林市某生活污水处理厂二沉池回流污泥，装置中MLSS控制在3500～4500mg/L，根据试验要求定期排泥。装置的运行方式：瞬时进水→曝气（7h）→沉淀间歇（1h）→瞬时出水。排水比为7/12。溶解氧（DO）浓度由便携式溶解氧仪测定，曝气时DO浓度为3～4mg/L。污泥驯化培养15天后接种至反应器运行，温度采用自动恒温温控仪控制在30℃±0.5℃，温控仪由电阻丝及温控组件组成，pH值维持在7.0～8.0。第1组SBR1反应器在接种普通活性污泥启动成功后进行含盐废水的驯化实验，以0.1g/L的NaCl浓度梯度逐渐增加盐度进行污泥驯化。第2组SBR2反应器接种污泥来自于第1组采用含盐废水驯化后的活性污泥。实验过程中两组SBR反应器实验条件均相同（DO浓度3～4mg/L，进水COD300～500mg/L，NH4+-N35～50mg/L，pH值7.0～8.0，温度控制在30℃±0.5℃）。1.2废水水质试验用水采用人工合成废水，采用NaOH和HCl调节pH值。废水主要成分：乙酸钠0.6g/L，磷酸二氢钾20mg/L，硫酸镁60mg/L，氯化钙360mg/L，硫酸亚铁3mg/L，氯化铵35～50mg/L，营养元素0.5mL/L。其中，乙酸钠作为模拟废水碳源，氯化铵作为模拟废水氮源，磷酸二氢钾作为模拟废水磷源。营养元素含量：LFeCl3·6H2O为1.5g，图1SBR实验装置示意图1—水箱；2—DO测定仪；3—电动搅拌器；4—pH测定仪；5—温度测定仪；6—进水阀；7—曝气头；8—放空阀；9—进气阀；10—转子流量计；11—空气压缩机；12—取样口H3BO3为1.5g，CuSO4·5H2O为0.03g/L，KI为1.18g/L，MnCl2·4H2O为0.12g/L，ZnSO4·7H2O为0.12g/L，CoCl2为0.15g/L，NaCl浓度范围0～10g/L。1.3分析方法NH4+-N测定采用纳氏试剂光度法；NO3－-N测定采用紫外分光光度法；NO2－-N测定采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；COD测定采用重铬酸钾氧化法[10]；pH值测定采用pHs-2C型pH计；DO采用便携式JYD-1A型溶解氧仪测定。2结果与讨论2.1NaCl盐度对亚硝态氮积累的影响为了考察NaCl盐度对亚硝态氮累积的影响，在SBR1反应器中投加NaCl模拟废水。图2表明SBR1逐渐提高NaCl浓度（从0增加到10g/L）后氨氮、硝态氮和亚硝态氮浓度的变化。SBR1反应器0～23天（NaCl浓度从0增加到0.3g/L）的运行过程中，氨氮的去除率波动较大，而亚硝态氮累积率均低于1%。从第23天起（NaCl浓度从0.3g/L增加到1.4g/L），氨氮的去除效果趋于稳定，氨氮去除率平均达到96%；亚硝态氮浓度较低，保持在4～8mg/L，亚硝态氮的累积率低于5%。第60天后随着盐度的增加（NaCl浓度从1.4g/L逐渐提高到10g/L），出水氨氮浓度开始下降。第70天后出水氨氮去除效果趋于稳定，出水氨氮浓度均低于5mg/L，硝态氮浓度逐渐下降到6mg/L左右，亚硝氮最高可达到37.08mg/L，此时亚硝酸盐积累率最高达85.84%，实现了含盐废水的短程硝化反应过程。由亚硝化菌和硝化菌的生物学特第10期张兰河等：含盐废水SBR工艺短程硝化试验·1987·性对比[11]可以表明，亚硝化菌比硝化菌的世代周期短、生长速率快。亚硝化菌和硝化菌的生物学特性如表1所示。总之，在NaCl浓度≤10g/L盐度条件下，经过超过70天的驯化和稳定运行，NaCl盐度对氨氮去除率的影响较小，能够抑制硝化菌的生长，硝态氮的浓度较低，造成亚硝态氮的积累，从而实现短程硝化。表1亚硝化菌和硝化菌的生物学特性项目亚硝化细菌硝化细菌世代周期/h8～3612～59需氧性好氧好氧产率系数0.04～0.130.02～0.07饱和系数/mg·L－10.6～3.60.3～1.7最大比增长速率/h－10.04～0.080.02～0.06图2NaCl浓度对亚硝酸盐积累的影响为了进一步考察NaCl盐度是否影响短程硝化反应，在SBR1中取1/2已驯化好的活性污泥加入SBR2中，在SBR2加入无NaCl模拟废水进行实验，结果如图3所示。在一个硝化过程内，前180min内存在亚硝态氮积累现象，随后亚硝态氮浓度开始降低，硝态氮浓度保持升高趋势；当硝化反应进行到240min时，亚硝态氮和氨氮浓度逐渐降低，接着硝态氮浓度开始超过亚硝态氮浓度，硝化反应结束时亚硝态氮累积率仅为22.78%。因此，实现短程硝化过程后含盐废水系统一旦无盐度时，短程硝化反应会转变为全程硝化反应。为了考察系统中NaCl盐度是否抑制硝化菌生长，继续向SBR2反应器中直接投加NaCl浓度为图3无盐废水中一个硝化周期亚硝态氮和硝态氮浓度变化10g/L的模拟废水。图4表明随着运行时间的提高，亚硝态氮浓度逐渐上升，第4天时高于硝态氮浓度，表明盐度对硝化菌的生长确实有抑制作用。图4与图2对比表明，首次逐步提高NaCl浓度达到10g/L时，系统稳定后出水亚硝态氮浓度为35.08mg/L，亚硝态氮积累率为87%，出水硝态氮浓度为6mg/L；二次直接投加10g/L的NaCl废水导致亚硝态氮浓度波动较大，出水亚硝态氮平均浓度为20.29mg/L，亚硝态氮累积率仅达到57%，出水硝态氮平均浓度10mg/L。王志盈等[12]在研究游离氨对短程硝化反硝化的影响时也发现，一旦实现了由短程硝化反硝化向全程硝化反硝化的转化，系统将很难再次实现短程硝化过程。2.2pH值对含盐废水亚硝态氮积累的影响在进水NaCl浓度为10g/L，温度为30℃条件下，设定pH值分别为6～7、7～8和8～9，考察pH值对NaCl废水中的亚硝氮积累的影响。图5表明不同pH值时一个硝化周期内氨氮与图4二次添加10g/L含盐废水亚硝态氮和硝态氮浓度的变化化工进展2010年第29卷·1988·图5不同pH值下一个硝化周期氨氮和亚硝态氮浓度变化亚硝态氮浓度的变化。pH值为7～8时氨氮的去除效果最好，硝化结束后亚硝态氮的积累量最大，可达38.24mg/L。pH值为6～7时，系统内亚硝酸盐的累积量最低为30.68mg/L。pH值为7～8时，硝化结