曝停时间比对间歇曝气SBR短程硝化的影响

苏东霞,李 冬*,张肖静,张功良,周元正,张 杰, (.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 004；.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 50090)

曝停时间比对间歇曝气SBR短程硝化的影响

苏东霞1,李 冬1*,张肖静2,张功良1,周元正1,张 杰1,2(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

常温条件下(20～25℃),以生活污水为研究对象,采用间歇曝气序批式反应器 1#、2#、3#,研究了不同曝停时间比(3:1、3:2、3:3)对亚硝酸盐氮积累、亚硝化稳定性、污染物去除效果及污泥沉降性能的影响.结果表明,在一定范围内,单元停曝时间所占比例越大,即曝停时间比越小越有利于亚硝酸盐氮的积累,启动速度越快,三者分别经 35,30,29d实现了亚硝化的启动;稳定运行阶段,三者的氨氮容积去除负荷分别为0.57,0.48,0.40d-1,曝停时间比越小,则氨氮去除负荷越小,COD去除效果没有明显区别;1#运行至第82d时,亚硝化率呈现逐渐下降的趋势,2#、3#仍能稳定运行,因此曝停时间比越小,越有利于抑制NOB的增殖,维持亚硝化的稳定,且污泥沉降性能越好,越有利于抑制丝状菌污泥膨胀.

曝停时间比；间歇曝气；短程硝化；SBR

近年来,亚硝化-厌氧氨氧化这一新型的自养脱氮工艺以其耗氧量低、无需外加碳源及运行费用低等优点[1-2]受到了广泛关注,而亚硝化的稳定性是制约此工艺发展的瓶颈问题[3-5],使其难以应用于常温生活污水的处理.研究表明,间歇曝气相比于连续曝气更加有利于常温生活污水亚硝化的稳定运行[6].曝停时间比是影响间歇曝气亚硝化的一个重要因素[7],延长停曝的时间有利于亚硝酸盐的积累[8],但是使常温生活污水亚硝化稳定性及其处理效果均达到最优的曝停时间比鲜有研究.本试验以常温生活污水为研究对象,采用序批式反应器(SBR),研究了不同曝停时间比对亚硝酸盐氮积累、亚硝化稳定性、污染物去除效果及污泥沉降性能的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用3个完全相同的SBR1#、2#、3#,试验装置示意如图 1所示.反应器由有机玻璃制成,高 50cm,直径为 15cm,有效容积为 6L,换水比为 73%.在反应器壁的垂直方向设置一排间距为5cm的取样口,用以取样和排水.反应器底部安装内径为 10cm 的曝气环进行微孔曝气,由气泵及气体流量计控制曝气强度.反应器内置搅拌机,以保证泥、水、气混合均匀,此外还安置有在线测pH值、DO值的探头,保证各参数的实时在线监测.进水、曝气和排水均采用自动控制.

3个反应器均采用间歇曝气方式运行,曝停时间分别为 30min/10min、30min/20min、30min/30min,以pH值拐点作为氨氮氧化完全的标志.

1.2 接种污泥与试验用水

接种污泥采用北京市某污水处理厂的回流污泥,接种后反应器内污泥浓度均为 4000mg/L.试验用水取自某大学教工家属区化粪池中,不再另外投加任何其他物质,水质情况见表1.

图1 反应器装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

表1 试验水质情况Table 1 Wastewater characteristics

1.3 分析项目与方法

DO、温度、pH值均采用WTW在线测定仪测定;MLSS采用MODEL711手提式测定仪测定;COD采用COD快速测定仪测定.水样分析中-N测定采用纳氏试剂光度法,-N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,-N采用紫外分光光度法,其余水质指标的分析方法均采用国标方法[9].

本试验中亚硝化率、氨氧化率及硝酸盐氮生成速率按下式计算:

1.4 烧杯试验方法

为比较3种曝停时间比下活性污泥中NOB的被抑制程度,在氧充足的条件下比较 3个反应器污泥中 NOB的相对数量的大小.具体操作方法为:于反应结束后的 1#,2#,3#反应器中分别取1L泥水混合液置于3个相同的烧杯内,进行连续曝气,控制DO为7.0～8.0mg/L,并且配制相同浓度的亚硝酸盐溶液在相同条件下曝气进行空白对照.每隔一段时间取样测定氮素浓度,计算硝酸盐氮生成速率,即单位时间单位污泥浓度的硝酸盐氮生成量,通过对比硝酸盐氮生成速率定性比较3种条件下活性污泥中NOB的相对数量,从而反映3种曝气方式下亚硝化的稳定性.

2 结果与讨论

2.1 曝停时间比对亚硝酸盐氮积累的影响

在缺氧环境下 AOB的活性受到抑制,氨氧化过程受阻,而一旦恢复曝气,亚硝酸盐氧化速率滞后于氨氧化速率,经历长期“饥饿”的AOB可以更多地利用氨产能,使其自身大量增殖[10],此即AOB的“饱食饥饿”特性,而NOB不具有此种特性.研究表明[11],间歇曝气相比于连续曝气更加有利于实现亚硝酸盐氮的积累,而在间歇曝气中曝停时间比是影响亚硝酸盐氮积累的重要因素之一.本试验在启动阶段,控制初始溶解氧(DO)浓度均为2mg/L,保持曝气频率相同,通过对比 3个反应器亚硝化启动的快慢来考察不同曝停时间比对亚硝酸盐氮积累的影响.以亚硝化率连续7d超过90%作为亚硝化启动成功标志.

启动初期,控制氨氧化率均在50%左右,启动过程中不改变反应时间,由图2知,氨氧化率均呈现逐渐上升的趋势,至第20d时,3个反应器的氨氧化率均达到 90%以上,说明污泥活性逐渐增加使得氨氮氧化效果不断增强.3个反应器的初始亚硝化率分别为18.13%、19.10%和17.26%,说明接种污泥中含有一定量的AOB.3个反应器亚硝化率达到90%以上的时间分别为第29,23,22d,且之后连续7d均保持在90%以上,标志着亚硝化启动成功.

2#和 3#启动速度相当且优于 1#,分析原因,间歇曝气可以利用AOB的“饱食饥饿”特性及停曝时出现的低DO环境使得AOB的比增长速率增加,NOB的比增长速率降低,从而更加有利于富集AOB,抑制NOB;1#的停曝时间小于2#和3#,使得 1#反应器中 AOB的“饱食饥饿”特性及抑制NOB的作用发挥不如2#和3#.因此,在一定范围内,单元停曝时间所占比例越大,即曝停时间比越小越有利于亚硝酸盐氮的积累.由于2#和3#启动速度相当,因此本试验中使得启动速度最优的曝停时间比在3:2与3:3之间,还有待进一步研究.

图2 启动阶段的氨氧化率及亚硝化率的变化趋势Fig.2 Variationsofammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate during the startup phase

2.2 曝停比对亚硝化稳定性的影响

3个反应器启动成功后,即在第 36d,30d,29d时分别将 3个反应器的初始 DO浓度提高至4.0～4.5mg/L,保持曝气频率均相同,对比三者能否抵抗高DO的不利条件维持亚硝化的稳定性.

图3 启动成功后的亚硝化率变化趋势Fig.3 Variationsofnitrite accumulation rate after the startup phase

2.2.1 亚硝化率 由图 3可见,1#反应器在高DO下稳定运行54d,第82d时,亚硝化率出现下降趋势,至第90d时下降至70%,NOB不被有效抑制,亚硝化遭到破坏,而2#和3#反应器在高DO下均可维持稳定运行.由此可见,就高DO下亚硝化的稳定性而言,曝停比3:2及3:3优于3:1,即在一定范围内,曝停比越大越不利于高 DO下亚硝化的稳定.由于初始DO较大,曝停比为3:1的1#单元停曝时间较短,如图4所示,反应后期停曝阶段仍然残留一定浓度的 DO,使得反应后期缺氧时间较少甚至不再存在缺氧环境,间歇曝气的优势不能被充分体现,相比较2#与3#,NOB不能被有效抑制,亚硝化更容易遭到破坏.

图4 典型周期内DO变化趋势Fig.4 Profiles of DO in a typicaloperational cycle

2.2.2 反硝化作用 由于 3个反应器的停曝时间不同,其反应器内的反硝化作用程度有所差别,由图 5可见,启动阶段的总氮损失平均值分别为9.12,14.84,18.98mg/L,启动成功后提高 DO使得总氮损失降低,分别为7.76,13.19,17.80mg/L.

由此可见,停曝时间越长,反硝化作用越明显,而反硝化会使得亚硝酸盐氮或硝酸盐氮转化为氮气,一方面降低了 NOB的生长基质亚硝酸盐氮的浓度,从而对 NOB产生一定的抑制作用,另一方面反硝化硝酸盐氮也有利于亚硝化的维持.综上,2#和 3#相比较 1#的反硝化作用更加明显,更加有利于维持亚硝化的稳定性.

图5 3个反应器总氮损失对比Fig.5 Comparison of total nitrogen loss in three equipment

短程反硝化的反应式为:

由式(1)可知,反硝化过程会产生碱度.由于 3个反应器的反硝化程度不同,因此产生的碱度应该不同,这就使得反应器内最终的碱度消耗值不同.由图 6可见,1#,2#,3#进出水碱度差的平均值分别为 418.38,398.65,382.52mg/L(以 CaCO3计),1#与 2#相差 19.74mg/L,1#与 3#相差35.86mg/L,2#与 3#相差 16.12mg/L.由于三者氧化氨氮消耗的碱度相同,因此推测进出水碱度的差值主要是由反硝化程度不同所导致的.理论上,反硝化 1mg/L亚硝酸盐氮或硝酸盐氮均生成3.57mg/L(以 CaCO3计)的碱度.1#与 2#、1#与 3#、2#与3#高DO阶段总氮损失平均值的差值分别为 5.43,10.04,4.61mg/L,理论上反硝化对应生成碱度应分别为 19.39,35.84,16.45mg/L与实际消耗碱度差值 19.74,35.86,16.12mg/L非常接近,由此可以得出三者进出水碱度差值的不同确是由反硝化作用引起.

短程硝化反应式为:

当[H+]降低时,可促进反应正向进行,而增加碱度可中和 H+,有利于亚硝化反应的进行.陈建伟等[12]研究表明,在供氧充足的条件下,反应器的氨氮容积去除率与碱度呈正相关.可见,2#、3#反应器中由于反硝化作用比 1#明显,使其反应器中碱度一直大于1#反应器,对氨氮转化更加有利.

图6 高DO阶段3个反应器消耗碱度对比Fig.6 Comparison of alkalinity difference in the phase of high DO concentration

2.2.3 烧杯实验 通过比较延时曝气烧杯实验中的硝酸盐氮生成速率的大小间接对比NOB的相对数量[13],进而间接反映曝停比对 NOB的抑制程度的影响.

第65d时,于反应结束后的1#、2#、3#反应器中分别取1L泥水混合液进行延时曝气的烧杯试验,并配置相同浓度的亚硝酸钠溶液在相同的条件下曝气进行空白对照.空白对照试验中曝气结束后,只有2mg/L的亚硝酸盐氮转化成了硝酸盐氮,说明所产生的硝酸盐氮大部分由 NOB氧化亚硝酸盐氮所得.

由图 7可以看出,3个反应器的硝酸盐氮生成速率均呈现先上升后下降的趋势.原因如下:起初 NOB的活性尚未被充分激活,因此硝酸盐氮生成速率较低,随后逐渐增加至最大值;随着反应进行,亚硝酸盐氮逐渐转化为硝酸盐氮,NOB的底物亚硝酸盐氮成为限制因素,NOB活性受到抑制,硝酸盐氮生成速率下降.

1#在前 30h内,硝酸盐氮生成速率一直小于0.2mgN/(gMLSS·h),至第 48h 时,达到最大值0.96mgN/(gMLSS·h);2#和 3#在前 30h 内,硝酸盐氮生成速率一直小于0.1mgN/(gMLSS·h),二者的最大硝酸盐氮生成速率分别为 0.68,0.55mgN/(gMLSS·h).由于烧杯试验过程中一直控制DO为7.0～8.0mg/L,NOB的活性可被充分激活,因此硝酸盐氮生成速率的大小与活性污泥中NOB的相对数量成正相关.由图7可知,1#的硝酸盐氮生成速率一直高于2#,2#稍高于3#,说明1#反应器内的NOB相对数量较高,其活性污泥中NOB的被抑制程度小于2#,2#和3#相差不大.而由图3可知,第65d时,三者的亚硝化率均在90%以上,此时三者均能够保持较高的亚硝化率稳定运行,经分析认为,虽然此时3个反应器内的NOB相对数量有差别,但其活性尚未充分显现,亚硝化率可得以维持,一旦运行条件有利于激发 NOB的活性时(如更高的 DO浓度或随着运行时间的延长对环境的适应),便会逐渐有硝酸盐氮生成,亚硝化系统便不能维持稳定运行.

图7 硝酸盐氮生成速率变化Fig.7 Profile of the production rate of -N in batch test

综上,烧杯实验的结果表明曝停比越大,活性污泥中 NOB的相对数量越大,越不利于亚硝化系统的稳定运行.这也证实了第82d时,1#反应器中由于 NOB的增殖使得亚硝化系统遭到破坏,2#和3#仍能稳定运行这一结论.

2.3 曝停比对污染物去除效果的影响

2.3.1 COD去除效果 由于接种污泥取自污水处理厂的回流污泥,存在大量异养菌,因此3个反应器的出水COD均在50mg/L以下,去除效果较好,达到一级 A标准(图 8).1#,2#,3#的出水 COD平均值分别为47.02,43.65,40.32mg/L,COD去除率平均值分别为76.71%,78.44%,79.94%.可见,随着停曝时间的增加,曝停比的减小,COD去除效果稍有提高,原因主要是由于反硝化作用强的反应器消耗COD更多一些.但是,三者COD去除效果整体上差异不大.

图8 3个反应器COD去除效果对比Fig.8 Comparison of removal efficiency of chemical oxygen demand

图9 氨氮容积去除负荷及污泥去除负荷Fig.9 Variations of ammonia nitrogen removal volume load and sludge load

2.3.2 氨氮去除效果 启动阶段,由于污泥活性逐渐增强使得三者的氨氮去除负荷均呈现递增趋势.后期高DO运行阶段,负荷趋于稳定,如图9所示,氨氮容积去除负荷(ALRv)均值分别为0.57,0.48, 0.40d-1,氨氮污泥去除负荷(ALRs)均值分别为 0.14,0.12, 0.10kgN/(gMLSS·d).可见,停曝时间越长,曝停比越小,氨氮去除负荷越低.

2.4 曝停比对污泥沉降性能的影响

污水处理厂中发生的污泥膨胀大部分为丝状菌污泥膨胀,膨胀不仅易导致污泥流失,出水悬浮物增高还会使水质恶化,大大降低处理能力,是污水处理厂运行中常出现的最难解决的问题.一般认为SVI(污泥容积指数)值大于150mL/g即发生了污泥膨胀.绝大多数丝状菌都是专性好氧菌,而活性污泥中的细菌有半数以上是兼性菌[14-15].间歇曝气中好氧与缺氧状态的交替可以抑制专性好氧的丝状菌的过量繁殖[16].因此,间歇曝气中的好氧/缺氧状态交替有利于控制污泥膨胀,抑制丝状菌的生长.

由图 10可知,接种污泥的 SVI值大于200mL/g,存在污泥膨胀现象.但是,3个反应器分别经过 30d,28d,20d的运行后 SVI值开始下降,至第 44d时分别降至 78,65,60mL/g,污泥沉降性能得到恢复.由此可见,3#反应器单位厌氧时间最长,污泥沉降性能也最好.厌氧时间越长,转为好氧状态时,丝状菌越不能很快恢复活性,最终更易被抑制.

图10 3个反应器污泥沉降性能对比Fig.10 Comparison of sludge settling property

3 结论

3.1 在一定范围内,单元停曝时间所占比例越大,即曝停时间比越小越有利于亚硝酸盐氮的积累.本试验中启动速度最优的曝停时间比位于3:2与3:3之间,还有待进一步研究.

3.2 曝停时间比越小,氨氮去除负荷越小,COD去除效果未有明显区别.

3.3 曝停时间比越小,越有利于抑制 NOB的增殖,有利于维持亚硝化的稳定.

3.4 曝停时间比越小,污泥沉降性能越好,越有利于抑制丝状菌污泥膨胀.

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Effects of different ratios of aeration time and anaerobic time on shortcut nitrification in the intermittent aeration SBR.

SU Dong-xia1, LI Dong1*, ZHANG Xiao-jing2, ZHANG Gong-liang1, ZHOU Yuan-zheng1, ZHANG Jie1,2(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology,Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1152～1158

Under room temperature (20～25℃), in intermittent aeration sequencing batch reactors 1 #, 2 #, 3 #, it was studied that effects of different ratios of aeration time and anaerobic time (3:1, 3:2, 3:3)on the nitrite accumulation, the stability of nitrosation, the pollutants removal efficiency and sludge settling performance with domestic wastewater. The smaller the ratio of aeration time and anaerobic time within a certain rangeis,the more beneficial to the accumulation of nitriteis.It realized the start-up of nitrosation by 35d, 30d, 29d respectively.In stable operation stage, the removal of ammonia nitrogen volume of load were 0.57, 0.48, 0.40kgN/m3drespectively.The smaller the ratio of aeration time and anaerobic timeis,the smaller ammonia nitrogen removal load was. The differences of COD removal effect were not obvious.At 82d the nitrosation rate of 1# showed a trend of gradual decline, but it had a stable operation in 2 #, 3 #.So the smaller the ratio of aeration time and anaerobic timeis , the more conducive to maintain the stability of nitrosation, and the better sludge settling performance was.

ratio of aeration time and anaerobic time；intermittent aeration；shortcut nitrification；SBR

X703.1

A

1000-6923(2014)05-1152-07

2013-08-20

新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0008);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

苏东霞(1988-),女,河北衡水人,北京工业大学硕士研究生,主要研究方向为水质科学与水环境恢复技术.发表论文3篇.