缺氧/好氧比对连续流半亚硝化稳定性的影响

张艳辉,李 冬*,梁瑜海,关宏伟,赵世勋,张 杰,2



缺氧/好氧比对连续流半亚硝化稳定性的影响

张艳辉,李 冬1*,梁瑜海1,关宏伟1,赵世勋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)

为研究不同缺氧好氧比对半亚硝化稳定性的影响,采用连续流反应器,在常温(22~25 ℃),DO(0.3~0.5mg/L)和FA协同作用下实现了全亚硝化后,转变进水为AO除磷二级出水,并逐步向半亚硝化过渡.在此过程中考察了不同缺氧好氧比(0:1、1:1、2:1和3:1)对半亚硝化稳定性的影响.结果表明,缺氧好氧比为0:1时,很难维持低NH4+-N(40~70mg/L)亚硝化的稳定,缺氧好氧比为1:1、2:1、3:1时均能维持稳定的半亚硝化效果,相比之下缺氧好氧比为3:1时更加节能;在缺氧好氧比0:1,1:1,2:1,和3:1的过程中,氨利用速率分别提高了29.57%、44.27%、45.23%、49.63%.在整个过程中污泥沉降性能良好,SVI在65~130mL/g.

生活污水；半亚硝化；缺氧好氧比；氨利用速率

与传统脱氮工艺相比,厌氧氨氧化工艺因为节省曝气、无需外加碳源、污泥产量低等优点,成为目前最为经济的脱氮工艺[1-3].然而作为厌氧氨氧化前段工艺的亚硝化的稳定运行一直是研究的难点.近年来,对于亚硝化稳定运行的研究多在SBR中,采用高温, 高游离氨(FA),高游离亚硝酸(FNA),实时控制,低溶解氧(DO)等方式的一种或几种实现[4-10],然而高温,高FA,高FNA的条件对于低NH4+-N生活污水很难达到;实时控制措施对试验装置及设备的要求相对较高,投资较大,运行成本高;此外,Wei等[11]提出在低NH4+-N下仅对DO的控制很难实现NO2--N的积累;Ruiz等[12]指出与SBR相比,在连续流反应器中更难实现亚硝化,但连续流反应器工程应用范围更广,因此探究出一种能在低NH4+-N连续流下维持半亚硝化稳定运行的方法非常必要. Kornaros等[13]和Katsogiannis等[14]在SBR中低NH4+-N下采用缺氧/好氧的运行方式实现了亚硝化,证明缺氧/好氧方式可以成为维持亚硝化稳定的有效手段.

基于此,笔者采用连续流反应器,在亚硝化启动成功后,考察了不同缺氧/好氧比对半亚硝化的影响,以期为亚硝化的工程应用提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验装置及运行条件

试验在北京某污水厂进行.试验装置由连续流反应器和竖流式二沉池组成,见图1.其中连续流反应器总体积120L,分为4个隔室,每个隔室设有曝气圆盘,相邻隔室之间由挡板隔开,挡板上部和底部开孔防止短流,挡板可以自由移动调节体积比;二沉池为竖流式,由有机玻璃制成,总容积为60L;进水和回流污泥采用蠕动泵控制,用转子流量计标记流量,可以根据需要灵活控制各个隔室的曝气量;反应器设有4个搅拌机.

1.2 试验用水和接种污泥

如表1所示试验分为S1~S5共5个阶段,在缺氧段只搅拌不曝气,不控制DO,经测定DO在0~0.1mg/L,在好氧段曝气并搅拌,控制DO为0.3~0.5mg/L,S1阶段采用模拟生活污水,具体水质:向自来水中投加(NH4)2SO4,至NH4+-N 浓度为85~95mg/L,投加 NaHCO3提供碱度,碱度与NH4+-N浓度质量比为10:1,pH值为7.5~8.1,每1L 模拟废水中含有0.136gKH2PO4,同时还含有微生物生长必需的微量元素.

表1 各阶段反应器参数变化Table 1 The parameter variations of each stage

S2~S5阶段用水采用城市污水厂原污水经AO除磷后的出水,具体出水水质:NH4+-N为40~70mg/L, COD<50mg/L(几乎全部是微生物难降解的物质),(NO-N)<1mg/L,磷的浓度为4~ 6mg/L.接种污泥来自中试A2O曝气池,接种污泥MLSS为3500mg/L,MLVSS为2730mg/L,污泥沉降性能良好,SVI为105mL/g.

1.3 分析方法

定期检测反应器内混合液的MLSS, SV30及进出水NH4+-N, NO2－-N, NO3－-N的浓度等参数,通过WTW 便携式测定仪监定DO, pH值和水温等.水样分析中NH4+-N测定采用纳氏试剂光度法,NO2－-N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3－-N采用紫外分光光度法,COD采用快速测定仪,其余水质指标的分析方法均采用国标方法.

本试验中氨氧化率,亚硝化率,游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)按下式计算:

式中:(NH4+-Nin)为进水NH4+-N浓度;(NH4+- N)为进出水NH4+-N的浓度差;(NO2--N)为进出水NO2--N的浓度差;(NO3--N)为进出水NO3--N的浓度差;(NH4+-Ninner)为反应器内NH4+-N浓度;(NO2--Ninner)为反应器内NO2--N浓度;为水温.

1.4 氨利用速率的测定

氨利用速率(AUR)通过测定混合液中起始的NH4+-N浓度,并间隔一定时间的变化曲线,利用曲线的斜率和测定的混合液 MLVSS 值,由公式AUR=/MLVSS求得氨利用速率(mgNH4+- N/(gVSS·h)).其中,采用人工配制混合液,以硫酸铵为氮源,碳酸氢钠为碱度,并且保证氮源及碱度过量(设定NH4+-N浓度为60mg/L, 0.5g/ LNaHCO3,0.28g/L(NH4)2SO4)[15]将污泥清洗后与混合液混合,连续曝气2h,温度为(25±0.5)℃,其间,每隔20min 取样测定NH4+-N浓度.为减小误差,进行3组平行试验.

2 结果与讨论

2.1 缺氧好氧比为0:1下亚硝化的快速启动

在S1阶段(0~25d),接种污泥来自A2O曝气池,厌氧杂菌较多,为了将其淘汰采用全程好氧即缺氧好氧比为0:1运行.郭海娟等[16]指出AOB的氧饱和常数为0.2~0.4mg/L,NOB的氧饱和常数为1.2~1.5mg/L,因此控制全程DO为0.3~0.5mg/L,污泥回流比为50%,HRT为8h,如图2所示,仅经过14d的运行就实现了亚硝化,分析主要原因除了控制DO在0.3~0.5mg/L以外,还有以下两方面的原因.一方面,NOB在原A2O曝气池中活性较低.因为污泥接种前所在的好氧池DO一直在1.0~1.5mg/L, 而与AOB(0.2~0.4mg/L)相比,NOB氧饱和常数(1.2~1.5mg/L)较大,异养菌的生长速率大约是自养菌的10倍[17],在同好氧异养菌竞争DO的过程中NOB必然处于劣势,因此,接种前污泥中NOB活性较低.另一方面,接种后的反应器中NH4+-N在15~47mg/L, AOB的基质较充足,能同NOB进行有力的竞争,这样使本来活性不高的NOB进一步受到抑制,最终能快速启动亚硝化.

启动的结果表明,在温度22~25℃,通过接种低DO曝气池的活性污泥,在缺氧好氧比为0:1下,控制溶解氧为0.3~0.5mg/L,HRT为8h,可以快速启动亚硝化.

2.2 缺氧/好氧比对半亚硝化稳定性的影响

2.2.1 各阶段亚硝化率及氨氧化率 经过S1阶段亚硝化的成功启动,试验用水转变为AO除磷出水,进入到S2阶段(26~35d),根据进水NH4+-N浓度的下降,HRT降低为4h,继续保持体积比为0:1的方式运行,此过程目的是考察在低NH4+-N, 缺氧好氧比为0:1下能否维持稳定的亚硝化效果.如图2所示,整个S2过程中氨氧化率一直在上升,由原来的81.04%上升到90.28%,而亚硝化率却由最初的93.83%降低到59.01%,分析主要原因在于AO除磷出水NH4+-N浓度较低,加之连续流反应器由于回流的稀释等作用,反应器中NH4+-N浓度更低,FA值更小,不能很好地抑制NOB,另外,系统出水NO2--N浓度明显高于出水NH4+-N浓度(图3),使得NOB的基质增加,促进了NOB的增殖,导致了亚硝化失稳.

结果表明在缺氧好氧比为0:1且低NH4+-N的条件下,很难维持亚硝化的稳定.

为了使亚硝化有效的恢复, 张功良等[18]指出在SBR中设置前置厌氧段,有助于亚硝化的恢复.因此,在S3阶段(36~58d)将缺氧好氧比变为1:1,同时保持HRT和DO不变.如图2所示,S3阶段初期,NH4+-N氧化率从90.28%下降到49.15%,而亚硝化率下降并不是很大,同时出水的NO3--N下降了2mg/L,说明在缺氧/好氧运行方式下,AOB和NOB均受到了不同程度的抑制,但是,之后AOB适应了反应器的水力条件,开始恢复活性,在第49d亚硝化率再一次达到了81.20%,并且从50~58d亚硝化率一直维持在85%以上,出水NO2--N和NH4+-N比值在1~1.1之间,亚硝化得到了很好的恢复,并成功过渡到半亚硝化,这虽然不足以说明缺氧/好氧的运行方式能够使崩溃的亚硝化得到有效恢复,因为在S2的最后阶段亚硝化率仍为59.01%没有完全崩溃,但与S2阶段相比,缺氧好氧比为1:1的运行方式确实很好地控制NH4+-N氧化率并抑制了NOB,.对于从缺氧到好氧过程中,NOB的生长速率变慢从而受到抑制的的假设,众多研究者进行了研究和证实,其中Bournazou等[22]和Kornaros等[13]利用数学建模的方法论证了这一假设的合理性,并依据Sadana等[23]的研究结果指出,从缺氧到好氧过程中,与NOB生长密切相关的一种酶的失活导致了NOB活性的下降,但是对于这种酶的名称并没有说明,同时指出从缺氧到好氧过程中,对NOB的抑制作用随着缺氧段长度的增加而加强,高春娣等[10]和苏东霞等[24]也指出,在SBR中,缺氧时间延长,亚硝化效果依然较好,这些都是本实验重要的理论基础.

在S3阶段半亚硝化稳定过程中氨氧化率在50%~60%,亚硝化率在90%以上.通过对比S2和S3阶段得到,缺氧好氧比由0:1到1:1更加有利于半亚硝化趋于稳定.

为了进一步研究缺氧好氧比对半亚硝化稳定性的影响,笔者进行了S4阶段(59~78d)和S5阶段(79~100d)的研究.如图2所示,在S4和S5阶段只将缺氧好氧比提高为2:1和3:1,在这2个阶段,氨氧化率和亚硝化率均经历了开始的骤降,上升到稳定的过程.这2个阶段稳定运行期间氨氧化率平均值分别为56.15%和57.01%,亚硝化率平均值分别为91.95%和92.01%,出水NO2--N与NH4+-N比值的平均值分别为1.01和1.15,这说明半亚硝化效果稳定.

2.2.2 各阶段沿程氮素变化 为了更深入地分析各阶段亚硝化效果的原因,对沿程氮素进行了测定.对比图4A和4B发现,在S1,S2阶段, NH4+-N均是沿程逐渐下降,NO2--N沿程逐渐上升,在S1阶段,好氧池3和好氧池4中NO3--N浓度增加的很少,但在S2阶段却发生了亚硝化向全程硝化的转变,分析主要原因是在S2阶段改变进水为AO除磷出水,此时NH4+-N浓度的骤降,使得FA的值很低,同时NO2--N的积累为NOB提供了基质,虽然DO仍控制在0.3~0.5mg/L,但还是为NOB提供了增殖的可能,使得亚硝化率下降,这也说明了在缺氧好氧体积比为0:1的条件下很难维持低NH4+-N亚硝化的稳定.

对比图4B、4C、4D和4E得到,缺氧/好氧下亚硝化能够稳定运行的根本原因在于前置的缺氧段抑制了NOB的活性,即使在后续的好氧段DO在0.3~0.5mg/L其活性也很难被激活.对于从缺氧到好氧过程NOB活性下降,大量的试验结论已经证实了这一点.

在实际工程中,可以相对增加缺氧段的长度提高亚硝化稳定性.同时发现,缺氧段越长,出水NO3--N越低,但不可能无限制的增加缺氧段的长度,因为这很有可能造成污泥的膨胀和处理效率的下降,对于是否存在一个缺氧/好氧比的极限值,在此值时既有良好的亚硝化效果又不会引起污泥的膨胀,还需要进一步的研究.

亚硝化的影响因素 目前已知的亚硝化的影响因素主要有温度、pH值、FA、FNA等.为了凸显缺氧好氧比对亚硝化的影响,本试验全程控温(22~25 ℃),温度的波动是因为一天中的昼夜温差,早晚温差所致,同时Paredes等[25]指出,温度高于25 ℃AOB和NOB的生长速率有较大的差异,才能将二者分离开,而本试验的温度控制在22~25 ℃,这样排除了温度的变化使亚硝化维持稳定的可能.

FA变化对本试验的影响,经过计算在缺氧好氧比为0:1, 1:1, 2:1和3:1时的FA分别在0.76~ 0.95,0.97~1.12,1.18~1.80,1.0~1.20mgN/L,有部分FA的值达到了对NOB的抑制浓度,但在缺氧好氧比由2:1变为3:1的过程中FA却从1.18~1.80mg/L下降到1.0~1.20mg/L,而此时亚硝化效果依然较好,这说明并不是FA略微升高,使得亚硝化维持稳定.另外,孙洪伟等[26]进行了FA对NOB活性抑制的试验中指出,在FA为5.3mg/L时NO2--N的积累仍然很少,相比之下,本试验中的FA值很低,且波动很小,不足以对亚硝化效果造成较大的影响.对于FNA对NOB的影响,经计算,FNA的最大值为0.0077mg/L,远远小于对NOB的抑制浓度(0.011~0.077mg/L).

由此可见,本试验中缺氧好氧比不断提高下,亚硝化效果仍较好且稳定的原因,并不是温度, FA和FNA的作用.

2.3 不同缺氧好氧比下的节能分析

从节能角度讲,缺氧池只搅拌不曝气,不对DO进行控制,在整个试验过程中测定其DO在0~0.1mg/L之间,在缺氧好氧比从0:1到3:1的整个过程中,搅拌机的转速不变,因此,可以排除因为搅拌变快的原因,使得在缺氧好氧比不断提高时,为缺氧段提供多余溶解氧的可能.

比较S2、S3、S4、S5稳定运行阶段得到,即使曝气量逐渐减少,但半亚硝化的效果基本都较好且稳定,即在能够为厌氧氨氧化提供需求的进水水质的前提下,缺氧好氧比为3:1时更能节省曝气能耗.

本试验分别测定了接种初期的全程硝化污泥以及S2, S3, S4, S5稳定阶段亚硝化污泥的氨氧化速率,如图5所示分别为:5.822, 7.546, 8.402, 8.458, 8.713mgNH4+–N/(VSS·h),较全程硝化相比,在缺氧好氧比为0:1, 1:1, 2:1, 3:1条件下的氨氧化速率分别提高了29.57%, 44.27%, 45.23%, 49.63%.

结果表明,缺氧好氧运行下更容易筛选出氨氧化速率较高的AOB,并随着缺氧好氧比的增加有上升的趋势.

2.4 不同缺氧好氧比下的SVI

研究表明,污泥膨胀和丝状菌过度增殖有关,从S1~S5过程中,污泥沉降性能良好,SVI在65~130mL/g,在S1阶段SVI值很低,在65~ 85mL/g,主要原因是人工模拟污水中不含有COD,且全程曝气运行,丝状菌同AOB和NOB竞争过程中处于劣势.从S2到S5阶段,污泥SVI从85mL/g一直增长到130mL/g,笔者认为有以下原因,从S2到S5一直采用的是AO除磷二级出水其中残存的少量COD是SVI增长的首要原因,其次从S2到S5阶段,缺氧池的体积一直在增加,丝状菌的氧饱和常数很低[27],在缺氧且有残存COD的条件下,其同硝化细菌竞争的优势增大,因此使得SVI持续上升.但在整个运行过程中,并没有发生污泥膨胀,原因有三.第一,AO除磷出水中COD很低且大量是难降解的物质,因此不会持续的为丝状菌的生长提供碳源;第二,虽然在缺氧池中低DO等条件有利于丝状菌的生长,但是在缺氧池中AOB基质充足能和丝状菌进行有利的竞争,同时低DO下的污泥膨胀SVI增长缓慢,并不会影响污水处理效果[28];第三,污泥的膨胀和NO2--N的积累有关[29],而从S2到S5阶段一直维持的是半亚硝化, NO2--N浓度很低,不足以造成污泥的膨胀.以上的综合作用使得整个过程污泥沉降性能良好.

3 结论

3.1 接种低DO曝气池的活性污泥,协同控制DO为0.3~0.5mg/L、FA等可以在连续流反应器中快速启动亚硝化,但是以上控制条件过渡到低NH4+-N(40~70mg/L),很难维持亚硝化的稳定.

3.2 在缺氧好氧比为1:1, 2:1和3:1时,均能维持低氨氮半亚硝化的稳定,与接种的全程硝化污泥相比,三者的氨氧化速率分别提高了44.27%, 45.23%,49.63%,缺氧好氧比为3:1更加节能.

3.3 由于进水中COD很少,出水NO2--N浓度较低和缺氧好氧的运行方式有效地抑制了丝状菌,在整个过程中污泥沉淀性能良好,SVI在65~ 130mL/g,

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* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

Influence of anoxic/aerobic ratio on stability of partial nitritation in a continuous flow process

ZHANG Yan-hui1, LI Dong1*, LIANG Yu-hai1, GUAN Hong-wei1, ZHAO Shi-xun1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing 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)., 2016,36(6)：1724~1731

In order to investigate different anoxic/aerobic ratio on stability of partial nitritation (PN), continuous flow reactor was used at room temperature (22~25℃). After complete nitritation (CN) was achieved through controlling FA and DO (0.3~0.5mg/L), the effluent of Anaerobic/Oxic(A/O) process removing phosphorous wastewater was used as influent to CN. Then, CN turned to PN gradually. The influence of different anoxic/aerobic volume ratios (0:1,1:1,2:1,3:1) on stability of PN was investigated. It demonstrated that PN was difficult to mantain when treating domestic sewage containing low ammonia nitrogen (40~70mg/L) at the ratio of 0:1.However, stable PN could be maintained when the ratios were 1:1, 2:1 and 3:1. The ratio of 3:1 was more efficient than the others. In the process of 0:1, 1:1, 2:1 and 3:1, ammonia utilization rate increased by 29.57%、44.27%、45.23%、49.63%, respectively. During the whole operating period, the settleability of sludge was good with volume Index (SVI) being 65~130mL/g.

domestic sewage；partial nitritation；anoxic/aerobic ratio；ammonia utilization rate

X703.5

A

1000-6923(2016)06-1724-08

张艳辉(1989-),男,河北承德人,硕士研究生,研究方向为水质科学与水环境恢复技术.

2015-11-06

北京市青年拔尖团队项目