碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响

魏海娟,张永祥,蒋 源,张 璨

(1.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;2.上海城投污水处理有限公司,上海 201203)

碳源对生物膜同步硝化反硝化脱氮影响

魏海娟1,2,张永祥1,蒋 源1,张 璨1

(1.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;2.上海城投污水处理有限公司,上海 201203)

利用序批式移动床生物膜反应器研究了有机碳源对低碳氮比 ρC/ρN(指 ρCOD/ρTN,以下同)生活污水同步硝化反硝化脱氮的影响,结果表明,在无外加碳源时,同步硝化反硝化条件下 TN去除率为 59.8%,COD平均去除率为 83.12%,去除率为 94.9%(最高达到 99.8%);分别以淀粉、葡萄糖和甲醇为外加碳源,ρC/ρN=7时,发现投加外碳源有利于有机物、和TN的降解和转化,转化受碳源种类影响不大,投加淀粉时有机物降解不完全导致系统有恶化趋势,投加甲醇碳源时系统脱氮效率最高,TN去除率达 84.5%,投加葡萄糖时,TN去除率为 80.55%,从安全和经济方面考虑,确定投加葡萄糖较为合适.

同步硝化反硝化;实际生活污水;有机碳源;移动床生物膜反应器

碳源(carbon source)是在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质,是影响反硝化细菌活性的重要因素之一.反硝化菌以亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体,将污水中有机物作为碳源充当电子供体,通过同化和异化作用将含氮污染物转化为有机氮化合物和气态氮.以往研究发现,废水生化处理中只有当 ρC/ρN≥7时才能取得较好的总氮去除率[1].从废水生化脱氮的角度来看,能为反硝化细菌所利用的碳源主要分为 3类:废水中的有机碳源、外加碳源和内碳源[2].内碳源的反硝化速率极低,利用内碳源进行反硝化脱氮,要求反应器泥龄长、污泥负荷低,这样导致反应器的容积相应增大,负荷率低.因此,当污水本身所含有机碳源极低时,要想获得较好脱氮效率就需要外加碳源.

同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and deitrification,简称SND)工艺是在一定的操作条件下,在同一个反应器内同时完成硝化和反硝化作用而达到生物脱氮目的.近年来研究表明,国内外对于活性污泥法 SND工艺研究已取得较好效果[3-8],而对于生物膜工艺 SND研究报道较少.移动床生物膜反应器(MBBR)既能解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化的问题,也能解决淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作等问题[9-13],同时移动的生物载体也能为世代时间长、增殖速度慢的硝化菌群提供良好生存环境,使在 MBBR中实现同步硝化反硝化具有一定的优势.作者利用 MBBR实现同步硝化反硝化,主要探讨了有机碳源同步硝化反硝化脱氮的影响.

1 试验材料与方法

1.1 污水水质

实验研究水源为北京某高校家属区排放的生活污水,水质指标见表 1.

表 1 废水水质指标Table 1 W ater-quality index of waste water

从表 1中可以看出,实际生活污水中的 ρNH4+-N比普通生活污水中的 ρNH4+-N高(大多数生活污水中 ρNH4+-N约为 50mg/L),ρC/ρN较低 ,约为 3.0.

1.2 实验装置

反应器由有机玻璃制成,总容积 15L,主体部分由反应区(12L)、沉淀区(3 L)和曝气装置组成,直径20 cm,总高 50 cm.内置大连宇都 BioMTM微生物膜载体(载体各个技术参数见表2),空气压缩机供氧,曝气砂头曝气,采用蠕动泵控制进水流量,实验装置如图 1所示.

表 2 BioMTM载体的主要技术参数Table 2 Technical parameters of BioM TM carrier

1.3 实验运行方式及检测方法

实验采用序批式运行方式,每天运行 2个周期,每周期 12 h,进水 10min,曝气 11h,沉淀 40min,排水10min,反应器内生物载体填充率为 53%,试验温度控制在 25℃.主要检测指标:N及 TN均采用标准方法[14];COD采用 5B-3(B)COD多元快速测定仪;DO采用 H12400P型 DO测定仪;pH值采用 55500-10型 pH计;碱度采用 COM-300型自动电位滴定仪.

图1 移动床生物反应器装置示意图Fig.1 Schematic diagram ofmoving-bed biofilm reactor

2 结果与讨论

实验期间进水 ρCOD为 206.8～285.78mg/L,ρNH4+-N为 70.32 ～ 91.8mg/L,ρTN为 72.98～ 94.15mg/L.由于试验对象为实际生活污水,每个周期的 ρC/ρN都不同,试验期间 ρC/ρN为 2.75～3.6,平均 ρC/ρN=3.01,当运行稳定后,考察了连续 15个周期中 COD、TN和-N去除率随 ρC/ρN的变化曲线,如图 2所示.

从图 2中可以看出,整个考察期间,在低的 ρC/ρN比下,反应器对 COD和-N的去除率均能取得很好效果,出水 ρ(COD)＜50mg/L,而出水L,平均出水 ρNH4+-N为 4mg/L,COD平均去除率为 83.12%,N去除率为 94.9%(最高达到99.8%).同时在好氧条件下 TN也有一定程度的亏损,

2.1 生活污水 SND脱氮实验

但出水中仍含有平均 39mg/L的 TN,没有达到我国最新颁布的污水排放标准(GB 18918—2002).TN平均去除率为 52.8%(最高达到 59.8%),发生了同步硝化反硝化现象.为了进一步探讨同步硝化反硝化的发生,随机考察了单个周期内有机物和氮素的转化规律,见图 3所示.

从图 3中可以看出,从 0时刻周期反应开始,在初始 2 h之内反应器中有机物降解速度很快,呈直线下降趋势,随后的 10h内,有机物降解进入了慢速降解阶段.转化主要发生在反应前 4 h内,随后8 h内逐渐被氧化,转化速率缓慢,曝气结束时(11 h),ρNH+4-N为3.77mg/L,去除率为 95.39%.从转化规律来看,随着反应进行,部分逐渐转化为导致在前 6 h内逐渐增加,形成了一个量的积累,ρNO-2-N达到 11.63mg/L,随后又逐渐减小,转化为或者直接进行反硝化.从转化规律看,在反应前 8 h内,含量逐渐增加,随后又有减小趋势.同时从 TN去除率规律中可以看出,在整个好氧曝气阶段都有 TN的不定量亏损,发生了同步硝化反硝化.当有机物进入难降解阶段后,TN亏损愈加明显,到停止曝气时 TN去除率达到 59.5%,停止曝气沉淀 40min后系统 TN去除率达到 61.16%,之所以能在低 ρC/ρN比条件下发生同时硝化反硝化,是由于反应器生物载体上附着着一层生物膜.污水中的有机碳源首先被生物膜外层细菌吸附,在生物膜外部进行硝化反应,而生物膜内部细菌利用吸附的和胞内储存的碳源在厌氧环境下再进行反硝化.因此,附着或储存在载体上的有机碳源和生物膜内层的厌氧层使同步硝化反硝化的发生成为了可能.同时,移动床生物膜反应器内,悬浮填料在合适的气水比条件下,随水流不断循环的同时,自身不断旋动,老化的生物膜能及时通过水力紊动而自行脱落,既强化了传质作用,又可有效地控制生物膜的厚度,使其保持较高的生物活性.

图2 实际生活污水中有机物和氮素降解曲线Fig.2 Degradation curve of organic matter and nitrogen with actual sanitary waste

图3 单个周期内氮素和 COD随时间变化曲线Fig.3 Track curve of nitrogen and COD vs time

2.2 添加有机碳源对 SND脱氮的影响

为了进一步提高同步硝化反硝化脱氮效率,以达到我国现行的污水排放标准,实验研究了添加有机碳源对 SND脱氮的影响.按照碳源对反硝化效率的影响,外加碳源通常分为 2类:第 1类是易生物降解有机物,第 2类为可慢速生物降解有机物.试验分别以降解速率慢的淀粉和降解速率较快的葡萄糖和甲醇为外加碳源,采取反应初始一次性加料的方式,调整ρC/ρN在 7 左 右,控制添 加碳 源 后 进水 ρCOD为546.65～693.31mg/L,其他条件不变,考察三者对同步硝化反硝化脱氮的影响.为了保证运行的稳定性,每种碳源投加运行 15个周期,调整反应器至运行稳定后取样检测,实验结果如图 4所示.

从图 4可见,3种不同有机碳源的添加对系统效果影响不同,但对同步硝化反硝化脱氮效率都有所提高.3种碳源添加对于去除的影响并不是很大,平均去除率分别为淀粉 92.36%、葡萄糖 95.86%和甲醇 96.73%,在进水平均质量浓度为 84mg/L左右时均能使出水保持在 10mg/L以下.但不同碳源添加对有机物的降解和同步硝化反硝化脱氮效果的影响差别较大.从有机物降解曲线中可以看出,淀粉作为外加碳源时,系统中有机物平均去除率仅有78.48%,出水有机物均在100mg/L左右,而投加葡萄糖和甲醇时,COD平均去除率均在 90%左右,可能是由于葡萄糖和甲醇比淀粉容易降解,而且试验中发现,当以淀粉为外加碳源时,在反应器底部总会有 1 cm厚的白色物质沉淀,味酸臭,是没有降解完全的淀粉,因此在反应周期结束时导致系统降解效果恶化.从 TN去除曲线中可以看出,投加甲醇时同步硝化反硝化脱氮效果最好,平均脱氮效率为 84.5%,其次添加葡萄糖时TN平均去除率为 80.55%,添加淀粉时脱氮效率最低,只有 66.51%,这是由于甲醇是强还原化合物,微生物生长量很低,比较适宜作反硝化过程的电子受体.但是甲醇也有其弊端,价格高,且有毒性,相对而言,葡萄糖碳源是优质价廉的化工原料,而且同步硝化反硝化脱氮效率最高能达到 82.9%,有机物和解效果也很好,且能达标排放(GB 18918—2002),因此,选择葡萄糖为碳源是安全、经济合理的.

图4 添加不同碳源时 COD、和TN去除效果Fig.4 The removal result ofCOD/ and TN when different carbon source

2.3 无添加碳源和添加有机碳源反应过程对比

为了进一步研究添加有机碳源对同步硝化反硝化控制过程的影响,将生活污水 SND脱氮过程和添加有机碳源时 SND脱氮过程进行对比,分别随机抽取单个周期,对各周期内有机物和 TN降解和转化规律进行考察.添加有机碳源试验选择以葡萄糖为外加碳源,试验条件和环境同上,实验结果如图 5所示.

图5 无外加碳源和添加葡萄糖时各指标转化规律Fig.5 Conversion rule of index when no adding carbon sorce and adding glucose

从图 5中可以看到,无外加碳源和添加葡萄糖为碳源时,两者的有机物降解和转化规律基本是一致的,有机物降解主要发生在反应初始 2 h内在反应前 3h内转化速率很快,呈直线下降,两者去除率均在 95%以上.添加有机碳源使实际生活污水降低时(ρC/ρN=3)有机物去除和转化与投加葡萄糖使实际生活污水提高时(ρC/ρN=7),2种水质指标变化不大,说明在一定范围内提高系统 ρC/ρN不会对 COD和去除产生抑制作用.无外加碳源试验中,系统在 4～7 h内出现了积累,随后在硝化作用下转化为;系统在反应后 9h内均有 30mg/L左右的积累.而添加葡萄糖后,有少量积累,到反应结束时全部转化为添加有机碳源,有助于 TN的去除,TN去除率提高了将近 30%,因此,添加有机碳源对于同步硝化反硝化具有促进作用.

2.4 同步硝化反硝化脱氮机理探讨

移动床生物膜反应器采用 BioMTM填料作为生物生存和进行各种反应的介质和载体,整个实验运行过程中均观察到在载体表面附着着一层淡黄褐色生物膜,通过微生物镜检发现存在多种微生物.随机抽取的单个周期试验中表明,在反应初期有机物以较快速率大量降解,在 2 h之后处于难降解状态,降解速率减慢.在初始 2h内,大量有机碳源被附着在生物载体上的微生物吸附并有效存储,为后续反硝化的发生提供了可能.从氧扩散限制角度来说,在生物膜内部存在 DO梯度,生物膜外表面 DO较高,以好氧硝化菌为主,在生物膜内部,在氧传递受阻以及外部氧大量消耗的情况下,产生缺氧微区,为反硝化菌提供了优良的生存环境.而吸附和储存在生物膜表面的有机物质,通过浓度梯度扩散进入生物膜内部,许多低分子溶解态有机物被微生物细胞通过主动运输、辅助运输、单纯扩散机制直接吸收;大分子有机物吸附在细胞表面经胞外酶水解作用转化为可传递到胞内的溶解性有机物,这些有机物的存在为反硝化反应提供了能源和碳源,因此在移动床生物膜反应器内可以发生同步硝化反硝化.

3 结论

1)系统在移动床生物膜反应器中实现了同步硝化反硝化脱氮,在实际生活污水脱氮处理中,取得了平均 52%的 TN去除率,对于有机物和 NH+4-N也取得了很好的去除效果,出水 COD和 NH+4-N均能达到污水排放标准.

2)在投加淀粉、葡萄糖和甲醇分别调整系统 ρC/ρN为 7,虽然试验结果表明投加甲醇时脱氮效果最好,但从安全和经济角度考虑,葡萄糖能保证系统 TN平均去除率在 80.55%,确定系统投加葡萄糖为外加碳源比较合适.

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(责任编辑 郑筱梅)

Influences of Carbon Source on Simu ltaneous Nitrification and Denitrification of Biomembrane Reactor

WEIHai-juan1,2,ZHANG Yong-xiang1,JIANG Yuan1,ZHANG Can1
(1.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of technology,Beijing 100124,China;2.Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Co.Ltd,Shanghai 201203,China)

The p resent paper aims to introduce research of the effect of organic carbon on the denitrogenation using simultaneous nitrification and denitrification inmoving-bed biofilm reactor.COD/TN ratio was about 3 in real domestic wastewater.The resultof the treatment show thatat the end ofaeration the average removing rate of TN,and COD can reach 59.8%,83.12%and 94.9%,respectively.In order to improve the efficiency of removing TN,the experiment added amylum,glucose and methanol.The results show that adding organic carbon can improve the degradation of COD and nitrogen.When adding amylum,COD degradation was incomplete and leaded to the system performance deterioration.When addingmethanol and glucose,the TN removal ratio reached 84.5%and 80.55%,respectively.But considering factors of security and economy,adding glucose ismore appropriate.

simultaneous nitrification and denitrification;real domestic wastewater;organic carbon;moving-bed biofilmreactor

X 703

A

0254-0037(2010)04-0506-05

2008-09-23.

国家自然科学基金资助项目(40372113).

魏海娟(1979-),女,陕西宝鸡人,博士生.