环境温度下SBR实现稳定部分亚硝化研究

中国环境科学2018,38(12)：4509~4515ChinaEnvironmentalScience环境温度下SBR实现稳定部分亚硝化研究张敏1,姜滢1,温婧玉1,汪瑶琪1,陈重军1,2,3,4*,沈耀良1,2,3(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏苏州215009；2.江苏省水处理技术与材料协同创新中心,江苏苏州215009；3.江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏苏州215009；4.江苏省厌氧生物技术重点实验室,江苏无锡214122)摘要：采用SBR反应器建立了一套通过特定pH终值调控曝气停止点,以实现稳定部分亚硝化的策略,整个运行过程分为3个阶段,阶段Ⅰ启动亚硝化,阶段Ⅱ在稳定亚硝化的同时探索pH终值的设定规律,阶段Ⅲ采用pH终值设定规律实现稳定部分亚硝化,通过跨越夏、冬季(7~35℃)共148d的运行,考察SBR系统内有机物、氮素的转化规律,并分析不同温度(23、18、13℃)对部分亚硝化反应过程的影响.结果表明,在低DO(0.2~0.4mg/L)和MLSS为4000mg/L的条件下,控制pH终值为(7.73±0.02),使出水FA在0.5~1.2mg/L,可稳定部分亚硝化期间的出水NO2－-N/NH4＋-N值在1~1.4之间,出水亚硝积累率(NAR)维持在85%以上,有机物去除率在60%以上.比氨氧化速率、比亚硝态氮氧化速率、比COD去除速率均随温度下降而降低,但降低趋势较缓,且反应均能稳定完成.关键词：环境温度；部分亚硝化；控制策略；pH终值中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)12-4509-07AchievingstablepartialnitrificationinSBRatambienttemperature.ZHANGMin1,JIANGYing1,WENJing-yu1,WANGYao-qi1,CHENChong-jun1,2,3,4*,SHENYao-liang1,2,3(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China；2.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofTechnologyandMaterialofWaterTreatment,Suzhou215009,China；3.JiangsuKeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandEngineering,Suzhou215009,China；4.JiangsuKeyLaboratoryofAnaerobicBiotechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(12)：4509~4515Abstract：TheSBRreactorwasusedtoestablishastrategyofstabilizingpartialnitrificationbycontrollingthestoppingpointofaerationthroughaspecificpHfinalvalue.Thewholeoperationprocesswasdividedinto3phases,whichwerephaseIstartingnitrosation,phaseIIexploringthesettingruleofthepHfinalvaluewhilestabilizingthenitrosationandphaseIIIadoptingthesettingruleofpHfinalvaluetoachievestablepartialnitrification.Acrossthesummerandthewinter(7~35℃)operationofatotalof148days,thetransformationoforganicmatterandnitrogenintheSBRsystemwasinvestigatedandtheeffectsofdifferenttemperatures(23,18,13℃)onpartialnitrosationwereanalyzed.TheresultsshowedthatunderlowDOconcentratin(0.2~0.4mg/L)andMLSSof4000mg/L,theNO2--N/NH4+-Nvalueoftheeffluentwasbetween1and1.4duringstabilizingpartialnitrification,andbycontrollingthepHfinalvaluewhichwas(7.73±0.02),theeffluentFAreached0.5~1.2mg/L,theaccumulationrateofnitrosation(NAR)wasmaintainedat85%andtheremovalrateoforganicmatterwasabove60%.Specificammoniaoxidationrate,specificnitriteoxidationrateandspecificorganicmatterremovalratedeclinedwiththedropoftemperature,butthedecreasingtrendwasslowandthereactioncouldbecompletedstably.Keywords：ambienttemperature；partialnitrification；controlstrategy；pHendpoint实现部分亚硝化是厌氧氨氧化(Anammox)过程必须的前提反应,是指在短程硝化的基础上,控制进水NH4+-N的转化率使出水NO2--N/NH4+-N比值满足1~1.32,以适应Anammox的过程[1].然而,在实际应用中因为温度等环境因素的影响难以维持稳定的部分亚硝化,成为Anammox实际应用的瓶颈之一.SBR反应器常作为实现部分亚硝化的首选反应器,其独特的间歇运行方式有利于功能菌氨氧化菌(AOB)的富集和竞争菌亚硝酸盐氧化菌(NOB)的淘洗,同时自动化实时控制SBR反应器为部分亚硝化的实现提供了保障[2],调控参数包括溶解氧(DO)[3-5]、pH值[6]、游离氨(FA)[7]、碱度[8]、水力停留时间(HRT)[9],具有较强的灵活性、适应性及准确性.然而单因素实时控制很难长久维持稳定的部分亚硝化.另外,温度是影响部分亚硝化维持稳定的重要因素之一,AOB适宜生长温度是20~35℃[10],但在工程应收稿日期：2018-05-07基金项目：国家自然科学基金资助项目(51508366,51578353);江苏省厌氧生物技术重点实验开放基金资助项目(JKLAB201701)*责任作者,副教授,[e-mail]4510中国环境科学38卷用中温度波动较大,环境温度的不稳定对AOB活性和出水基质比有破坏性影响.因此,在单因素控制条件及环境温度中实现稳定部分亚硝化,对Anammox的推广应用具有重要意义.对于部分亚硝化,大多数研究都基于亚硝化来实现.在过程控制参数中,pH值的控制具有简单方便的特点而被广泛应用.SBR系统开始曝气时先进行除碳反应,异养微生物对有机底物的分解代谢和合成代谢形成的CO2被吹脱出,pH值不断上升,至顶点后由于硝化过程产出H+而不断下降,当氨氧化结束后pH值出现最低点——“氨谷点”,故pH值曲线最高点和最低点可用于判断硝化反硝化终点,而pH值一阶[11]或二阶[12]微分信号(dpH/dt、d2pH/dt2)常用于维持短程硝化、短程硝化反硝化的稳定[3].然而目前对在环境温度波动下运用简易的控制方法实现稳定部分亚硝化的研究尚少,因此,本研究选用pH终值(反应过程中pH值指示特征点而设置的“停曝点”,既控制反应结束点以达到目标出水,还可防止过度曝气为NOB氧化NO2--N成NO3--N提供条件)作为单因子间接控制参数,通过pH值的变化判断反应进程,从而确定环境温度下实现部分亚硝化长期稳定的控制策略和脱氮除碳性能,以期为Anammox在常、低温环境下的实际应用提供理论基础和技术支撑.1材料与方法1.1接种污泥及进水水质接种污泥取自苏州某城市生活污水处理厂曝气池硝化污泥,其污泥浓度(MLSS)为4000mg/L,MLVSS/MLSS为65%,接种量为2.5L.污水采用人工配水,进水水质指标如表1所示.表1进水水质Table1Characteristicsofwastewaterusedinthisexperiment进水指标浓度(mg/L)人工配药pH7.5~8.0NaHCO3NH4+-N250NH4ClNO2--N0~0.3—NO3--N0~2—COD250~300CH3COONaHCO3-:NH4+-N2:1NaHCO31.2试验装置及运行方式图1反应器装置示意图Fig.1Schematicdiagramofthereactor系统开始进水时间t1到曝气屏蔽时间t2到反应pH值达设定值沉定时间t3到排水时间t4到排泥时间t5到系统结束NOYesNOYes曝气NONOYesNOYesNOYes时间继电器设定时间继电器设定设定时间继电器设定在线pH仪表设定时间继电器屏蔽触点的非需要吸合导致断电设定时间继电器Yes循环图2SBR系统实时控制策略流程Fig.2Flowchartofreal-timecontrolstrategyintheSBRsystem12期张敏等：环境温度下SBR实现稳定部分亚硝化研究4511采用的SBR反应器由有机玻璃制成,如图1所示.反应器为圆柱形,直径15cm,高45cm,有效容积为6.2L,H/D=3,排水比为50%,侧壁设间隔为7.5cm的3个取样口,用以取水或取泥;以曝气砂头作为微孔曝气,采用鼓风曝气,转子流量计调节DO浓度为0.2~0.4mg/L;反应器放置室温条件下进行,监测反应过程中的pH值和DO.SBR反应周期分为进水、曝气、沉淀、排水、排泥5个阶段,其中,进水5min,曝气实时控制,沉淀40min,排水3min,排泥2min,反应期间系统每隔1min读取一次pH信号值,运行模式如图2所示.该过程中,设置5个时间变量t1~t5,单位为min,系统启动后,进水泵开启,经过时间t1后,进水停止,开始曝气反应阶段;曝气开始后先经过屏蔽时间t2,屏蔽在线pH仪中继器连接口的触点吸合,阻止自动停止曝气;到达屏蔽时间t2后,根据在线pH仪监测的pH值判断是否停止曝气,当检测到的pH值低于或等于设定的pH值,连接在线pH仪的中继器触点会吸合导致断电,以控制停曝点,并进入下一工序;沉淀、排水、排泥阶段分别通过时间t3、t4和t5来控制,排泥时间t5后自动重复整套反应.研究过程由2017年8月9日~2018年1月23日,共计148d,跨越夏季和冬季,反应器水温由35℃逐步下降为7℃,SBR工艺运行工况见表2.部分亚硝化的实现过程分3个阶段:阶段Ⅰ采用提高反应结束剩余FA浓度的方法将pH终值设定在“氨谷点”前实现亚硝化的快速启动;阶段Ⅱ期间确定温度变化下pH终值的设定规律及FA对AOB、NOB的抑制阈值;阶段Ⅲ,直接设定能实现目标出水NO2--N/NH4+-N的pH终值,利用上一阶段确定的pH值设定规律及FA浓度阈值完成对系统在环境温度下的调控.表2SBR各阶段运行参数Table2OperationalparametersateachstageoftheSBR阶段工况运行时间(d)温度(℃)排泥情况Ⅰ亚硝化启动期0~833~35未排泥8~5029~33未排泥Ⅱ亚硝化稳定期50~6822~29排泥(固定MLSS=4000mg/L)Ⅲ部分