集成式反应器SND对低碳氮比生活污水的深度脱氮效能及其动力学

邓时海,李德生,杨 雪,卢阳阳,朱善斌

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)



集成式反应器SND对低碳氮比生活污水的深度脱氮效能及其动力学

邓时海,李德生,杨 雪,卢阳阳,朱善斌

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)

摘 要:以由实际生活污水配制的低C/N比生活污水为研究对象,在集成式反应器主反应区实现了同步硝化反硝化(SND)脱氮.考察了集成式反应器对低C/N比污水的脱氮效能.结果表明:DO= 1.4～1.7 mg/L,总HRT=18 h(主反应区HRT=7.2 h),C/N=5时,NH4+-N可从15±2 mg/L平均降至2.5 mg/L,总氮可以从20±2 mg/L平均降至3.4 mg/L,TN处理负荷可达0.13 kg TN/(m3·d),较同类低C/N比污水脱氮系统高;相同条件下连续运行时,出水NH4+-N和TN浓度稳定在0.8～3.0 mg/L和1.4～4.7 mg/L,去除率在80.2%～94.9%和76.5%～93.2%.以 Monod方程为基础通过物料衡算求解出SND动力学方程并求得硝化过程氨氮饱和常数=1.34 mg/L,氨氮降解反应级数n=0.622 4,反硝化过程硝酸盐氮饱和常数L.分析表明:该SND系统内生物量充足、活性高,生物降解效率受底物浓度限制小,集成式反应器结构合理,可实现小水量低C/N比生活污水深度脱氮,为我国中小城镇生活污水深度处理提供技术支持和理论依据.

关键词:市政工程;集成式反应器;同步硝化反硝化;低碳氮比污水;深度脱氮

我国中小城镇污水具有点多、面广、量小、碳氮比(C/N)低等特征[1],直接采用城市污水处理系统在经济和技术上均不可行,同时城镇排水系统不完善、居民环保意识不强,导致大多中小城镇生活污水及部分工业废水直接排入水体,引发环境问题[2-3].

针对中小城镇污水水量小的特征,研究人员在传统污水生物处理工艺基础上开发出小型化污水处理技术[4-7],其中以曝气生物滤池、膜生物反应器、升流式污泥厌氧床为主,通过改变运行参数,优化碳源在系统中的分配和利用[6-9],达到一定程度的脱氮效果,同时减少用地面积、设备数量和人员数量,降低处理成本,在小水量污水处理上已取得一定效果[9-10].但由于该类污水C/N比低,已有小型化污水处理设备仍存在污泥浓度低、碳源不足、抗冲击负荷能力差等问题,难以实现低C/N比污水的高效深度脱氮[10-12].

本文作者针对中小城镇小水量低C/N比污水,开发出“集成式污水处理技术及装置”[13],将好氧、缺氧(厌氧)在反应器内进行技术集成,使污水始终处在好氧、缺氧(厌氧)交替的环境中,进入系统的原水合理分配,并在机械搅拌作用下在整个反应器内不断循环,使碳源在反应器内合理分配,避免了系统脱氮中的碳源不足,同时在反应器主反应区实现同步硝化反硝化,进一步提高了碳源的利用效率,实现了在无外加碳源条件下低C/N比污水的一体化深度脱氮.通过对反应器脱氮的试验研究、机理分析、动力学求解及参数分析,为小水量低C/N比污水的深度脱氮提供技术支持和理论依据.

1 试验方法与原理

1.1 试验材料与方法

本试验原水由实际生活污水通过稀释并投加NH4+-N(NH4Cl)和NO3--N(KNO3)配制,生活污水来自北京交通大学家属区污水井,污水水质:CODCr=275.8～355.1 mg/L,BOD5=115.9～144.2 mg/L,NH4+-N = 42.2～51.9 mg/L,NO3--N=0.1～0.5 mg/L,p H =7.2～7.7,CODCr/TN=6.4～8.3,根据目标CODCr浓度将污水稀释一定倍数后,向其中投加一定量的氯化铵和硝酸钾,获得低C/N比试验原水:CODCr=100±5 mg/L,NH4+-N=15±2 mg/L,NO3--N=5±1 mg/L,TN=20±2 mg/L,p H=7.5±0.2,相应BOD5= 34.7～55.7 mg/L,CODCr/TN = 5,BOD5/TN=1.7～2.79(BOD5/TN≤3～5即为低C/N比水质[14]).试验装置采用集成式污水处理设备[13],装置总容积为120 L,有效容积为100 L,主反应区有效容积40 L,如图1所示,其中:Ⅰ为主反应区(1.生物活性载体,2.搅拌桨,3.曝气沙盘,4.布水管);Ⅱ为导流区;Ⅲ为泥水分离区(a.生物活性载体,b.沉淀区);IV为回流缝;V为电机.反应器内装填集较强吸附性与生物亲和性特征于一体的碳纤维复合聚氨酯生物活性载体,填料尺寸2 cm×2 cm× 2 cm,堆积密度28 kg/m3,比表面积2 100 m2/m3,孔隙率98%.污水从主反应区配水管进入主反应区,在机械搅拌提升和曝气的共同作用下,进入主反应室迅速均匀混合,充分接触传质,进行高效的生物降解.经过主反应区后的污水通过狭缩的导流区脱气后进入泥水分离区,在生物填料阻挡及沉淀作用下完成泥水分离,出水溢流入集水槽排出.另一部分混合液通过回流缝回到主反应区,大部分污泥在主反应区底部被机械搅拌循环提升,剩余污泥经过沉降后由反应器底部的排泥管定期排出.

主要污水水质指标及测定分析方法参照《水和废水监测分析方法》第四版[15],氨氮(NH4+-N)采用纳氏试剂光度法,NO3--N采用酚二磺酸光度法,TN采用HJ/T 199—2005过硫酸钾分光光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,p H、ORP分别采用WTW和HANA电极进行检测,DO和温度采用YSI便携式溶解氧仪进行检测.主要分析仪器为TN快速测定仪(5B-3BN(V8),Lian-hua Tech.Co.Ltd.,China)、紫外-可见分光光度计(UV 2102C,UNICO company,USA)、CODCr快速分析仪(5B-3C(V7),Lian-hua Tech.Co.Ltd.,China)、生化需氧量分析仪(HACH-BODTrak,HACH company,USA).

1.2 试验原理

试验采用连续运行方式,通过接种培训驯化法培养微生物,通过控制溶解氧浓度、碳源的供给和机械循环周期,进行微生物选择,同时在主反应区内形成好氧区和适当比例的缺氧区,在反应器主反应区内实现同步硝化反硝化.在主反应区内,自养型硝化细菌将氨氮氧化为硝酸盐氮,硝酸盐氮进入缺氧区,被反硝化细菌还原为氮气完成脱氮过程.主反应区内的泥水混合液经载体的过滤和截留作用后,大部分污泥停留在主反应区,保证了主反应区污泥浓度.在主反应区经过同步硝化反硝化的污水进入导流区,部分经过导流区进入泥水分离区,经过进一步沉淀、过滤后通过溢流槽排出,另一部分污水与泥水分离区沉淀下的污泥混合后从反应器底部回流至主反应区.

集成污水处理装置曝气沉淀一体的形式避免了另建污泥回流系统和二沉池,同时保证了系统的污泥浓度.设备底部倾斜底板与下部曝气区构成一个与水流循环对流形状相吻合的空间,保证了污泥的下滑和浓缩,同时避免了死角的产生,可有效防止污泥膨胀.设备池深较大,底部圆台型设计,通过纵向曝气和机械搅拌提升使水流在池体内构成水流循环,保证了污泥、水、气的三相传质效率.设备采用中部进水,碳源合理分配,可提高系统碳源利用效率,可改善低碳氮比污水中碳源不足的问题.

1.3 动力学理论基础

自养型硝化细菌的底物去除动力学模型与异养型细菌动力学模型相似[16-17],亚硝化菌与NH4+-N及硝化菌与NO2--N的关系均可用Monod方程为

式中:μ为细菌的比增长速率;KS为底物的饱和常数;S为底物浓度.污水生物脱氮过程微生物反应速率常数见表1[17].

表1 反应速率常数值范围Tab.1 Range of reaction rate constants

研究表明,稳定状态下NO2--N转化为NO3--N的速率很快,NO2--N很少积累,故氨氧化为硝化反应速控步骤,因此硝化反应总过程为[17-18]

式中:μNB为亚硝化菌比增长速率,h-1;C为底物浓度,mg/L.

在附着生物膜污水处理系统内同步硝化反硝化生物脱氮模型可表示为[19-20]

其中

式中:μDB为反硝化菌的比增长速率,h-1;Y为产率系数,g VSS/g NH4+-N;X为菌群浓度,mg/L; d C/d t为降解速率,mg/(L·h).

2 试验结果与讨论

2.1 集成式反应器对低C/N比污水的脱氮负荷

集成式反应器在常温条件下以连续进水的方式运行,利用接种培训驯化法培养微生物群落,通过控制DO、碳源的供给和机械循环周期在反应器主反应区内实现同步硝化反硝化.计算设计总停留时间HRT分别为30,24,18,12和6 h,对应主反应区HRT为12,9.6,7.2,4.8和2.4 h,此时流量分别为3.3,4.2,5.6,8.3,16.7 L/h,计算得主反应区TN去除负荷分别为0.08,0.10,0.13,0.18和0.37 kg TN/(m3·d).控制DO=1.4～1.7 mg/L,变换HRT并每天对CODCr、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、p H值、DO进行监测,待反应器在每一HRT下运行稳定后再连续监测5 d,以减小试验数据误差,考察集成式反应器SND对低C/N比生活污水的脱氮处理负荷,结果见图2.

图2显示,CODCr去除率随HRT的增加而升高,HRT由6 h升至30 h时,CODCr去除率由52.0%升至88.2%,HRT继续由18 h增至30 h 时,COD去除率稳定在88.2%～96.4%,分析原因是适当延长HRT利于微生物与营养物质的充分接触、扩散和降解,HRT=18 h时,CODCr内可降解部分基本耗尽,因此继续延长HRT去除率不再增加;相同条件下,当进水NH4+-N浓度一定时,NH4+-N浓度随HRT的增加而降低,当HRT为18 h时,出水NH4+-N平均浓度为2.5 mg/L,已满足排污标准;当HRT小于18 h时,TN去浓度随着HRT增加而降低,当HRT继续升高时,出水TN升高.

分析原因是,适当增加HRT宜于NH4+-N与生物膜充分接触并被彻底氧化,生成的NO3--N扩散入生物膜内部缺氧层或反应器内缺氧区进行反硝化而脱氮,而HRT过高将导致有机物被消耗而造成碳源不足,导致部分生物膜死亡并脱落[21],反硝化效率大幅下降.因此集成式反应器SND系统内最佳HRT为18 h,此时,出水CODCr、NH4+-N和 TN平均浓度为12.6 mg/L、2.5 mg/L、3.4 mg/L,平均去除率分别为88.2%、83.4%和83.1%,TN处理负荷为0.13 kg TN/(m3·d),该值较其他同类低C/N比污水脱氮装置高[22-23].

2.2 集成式SND系统长期连续运行脱氮效能

集成式反应器在常温条件下连续运行,每天对反应器进出水CODCr、NH4+-N及NO3--N进行监测,观察集成式反应器SND连续运行90 d内对低C/N比污水的脱氮效能,见图3.

由图3可知,集成式反应器SND脱氮系统运行稳定,进水CODCr、NH4+-N、TN分别在95.1～104.4 mg/L、14.20～15.82 mg/L、18.1～21.8 mg/L时,去除率稳定在在81.9%～96.4%、80.2%～94.9%和76.5%～93.2%,出水浓度稳定在3.6～18.2 mg/L、0.8～3.0 mg/L和1.4～4.7 mg/L,远低于《北京市水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)中的村庄生活污水处理站出水水质标准限值,表明集成式污水处理装置结构设计合理,集成式污水处理技术及装置可实现低C/N比污水的深度脱氮,可为城镇生活污水深度脱氮提供技术支持.

2.3 集成式SND动力学模型及反硝化反应常数

设集成式反应器反应区有效体积为V,进、出水流量为q,氨氮反应速率r(NH4+-N),对系统内氨氮建立物料衡算方程

但仅有β=1的条件下，才能使公式(44)结果为零.若β=1，二阶导数的判别式也等于零.故无法确定是否存在β的最优解.

将V=q T,r(NH4+-N)=d C(NH4+-N)/d t代入式(6)并积分整理得

将式(4)代入式(7),积分并整理得

式中:T为水力停留时间;t为曝气时间,本研究为连续曝气,则T=t.

同理,对NO3--N建立物料衡算方程

ΔC为单位时间内NH4+-N的降解量,即

将V=q T、r(NH4+-N)=d C(NH4+-N)/d t、式(5)和式(10)代入式(9),积分并整理得

简化为

利用反应器DO=1.4～1.7 mg/L、HRT=18 h(T=7.2 h)条件下运行数据,据式(13)求得x、y,以x对y作图并进行线性回归,见图4.

2.4 集成式SND硝化反应常数

以集成式低C/N比污水深度脱氮系统在DO =1.4～1.7 mg/L、不同水力停留时间(HRT)氨氮降解数据为基础,通过曲线方程的拟合求解硝化细菌的最大比增长速率、氨氮饱和常数及氨氮降解反应级数,探讨集成式反应器内SND硝化效率.

式(1)在集成式反应器内积分得

利用集成系统在DO=1.4～1.7 mg/L、不同HRT下氨氮降解数据,计算(Cin-Cout)/T和(ln Cin-ln Cout)/T,并以(Cin-Cout)/T对(ln Cin-ln Cout)/T作图,可得一条直线,见图5,由图可确定动力学参数K及μmax.

由图2可知,试验进水NH4+-N浓度稳定时,NH4+-N去除率随着水力停留时间的延长而升高,出水NH4+-N浓度不断降低;当HRT继续增加时,由于NH4+-N底物浓度的降低,降解速率逐渐降低,出水NH4+-N浓度的下降缓慢,最终出水NH4+-N浓度趋于稳定,故不同停留时间下集成式SND氨氮降解过程可表示为

式中:k为常数;C为NH4+-N在t时刻的浓度.对式(16)两边取对数得

将出水氨氮数据取对数得(ln Cout)1,(ln Cout)2,…,并求得不同浓度上曲线的斜率r1,r2,…,将ln Cout对ln r作图,见图6.线性拟合方程为y=-0.6224x+3.2217,R2=0.9792,其中:y=ln r;x= ln Cout.则反应级数n=0.622 4.

得出的反应级数小于普通活性污泥法NH4+-N降解反应级数(1.0～2.0)[21].

集成式反应器SND污水处理系统内硝化过程KNH 4+-N、反硝化过程KNO 3--N均较高,表明系统内生物量充足,且微生物代谢旺盛[16-17],同时,在机械搅拌强化作用下污染物能更加充分地与微生物接触,细菌分解功能得到加强,系统内硝化反应和反硝化反应效率较高;反应器反应级数n值较低,表明系统脱氮受底物浓度限制小[24],保证了集成式SND系统对低C/N比污水的脱氮效率.且本研究中动力学试验数据在系统进水C/N=5∶1条件下获得,因此集成式SND污水处理系统可实现低碳氮(C/N)比污水的高效脱氮.

3 结论

1)集成式SND污水处理系统内部主反应区、导流区、泥水分离区等结构设计合理.

2)集成式反应器SND系统在主反应区DO= 1.4～1.7 mg/L、总HRT=18 h(主反应区HRT= 7.2 h)、原水C/N=5时,NH4+-N、TN分别可由15±2 mg/L、20±2 mg/L平均降至2.5 mg/L和3.4 mg/L,TN处理负荷可达0.13 kg TN/(m3· d),高于同类低C/N比污水处理装置,相同条件下系统长期连续运行时,CODCr、NH4+-N、TN出水浓度稳定在0.8～3.0 mg/L和1.4～4.7 mg/L,低于《北京市水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)中的村庄生活污水处理站出水水质标准限值.

3)给出了集成式反应器SND脱氮动力学模型,氨氮饱和常数KNH 4+-N=1.34 mg/L,硝酸盐氮饱和常数KNO 3--N=0.71 mg/L,较普通活性污泥法高,氨氮降解反应级数n=0.622 4,较普通活性污泥法低.

4)集成式SND污水处理技术可实现小水量低C/N比污水的高效深度脱氮.

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Advanced nitroge removal and kinetics for low carbon to nitrogen ratio sewage by SND in an integrated reactor

DENG Shihai,LI Desheng,YANG Xue,LU Yangyang,ZHU Shanbin
(School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:Nitrogen removal and transformation for low carbon to nitrogen(C/N)ratio by SND in an integrated reactor were studied and analyzed.Results showed that total nitrogen(TN)and ammonia were decreased to 3.4 mg/L and 2.5 mg/L from 20±2 mg/L and 15±2 mg/L,respectively,at the conditions of DO=1.4-1.7 mg/L,HRT=18 h(7.2 h in the first reaction zone),C/ N=5.Long-running experiment showed that TN and ammonia in effluent were stabilized in 1.4-4.7 mg/L and 0.8-3.0 mg/L and the removal rate were in 80.2%-94.9%and 76.5%-93.2%,respectively=1.34 mg/L,=0.71 mg/L and n=0.622 4 were obtained by simultaneous nitrification and denitrification(SND)dynamic model solving.The results indicated that nitrogen in low C/N ratio wastewater could be efficiently removed by SND system in the integrated reactor and the SND system was of operation stability and the ability to resist shock loading.The proposed technology was applicable for advanced nitrogen removal of low C/N ratio small discharge from small town.

Key words:municipal engineering;integrated reactor;simultaneous nitrification and denitrification;low carbon to nitrogen ratio sewage;deep denitrogen

作者简介:邓时海(1989—),男,四川资阳人,博士生.研究方向为水处理理论与技术.email:shdeng@bjtu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278034);中央高校基本科研业务费专项资金资助(KCJB15016536)

收稿日期:2015-05-19

DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2016.01.008

文章编号:1673-0291(2016)01-0049-07

中图分类号:X703

文献标志码:A