溶解氧对单级颗粒污泥自养脱氮系统影响的模拟

李柏林,任晓玲,李 晔,汪 月,王 伟,梁亚楠

溶解氧对单级颗粒污泥自养脱氮系统影响的模拟

李柏林*,任晓玲,李 晔,汪 月,王 伟,梁亚楠

(武汉理工大学资源与环境工程学院,矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070)

为了研究溶解氧对SBR单级颗粒污泥自养脱氮系统的影响,基于活性污泥ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型,将颗粒污泥传质过程与氨氧化菌(AOB)、厌氧氨氧化菌(AAOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)、反硝化菌(DNF)的生长过程、好氧内源呼吸及缺氧内源呼吸过程等耦合,建立了单级自养脱氮颗粒污泥动力学模型,并对颗粒内部基质浓度分布进行预测.结果显示,当DO为0.4mg/L时,好氧区和缺氧区(厌氧区)的比例为0.4:1;当DO为0.6mg/L时,颗粒污泥好氧区与缺氧区(厌氧区)的比例为3:1.同时,根据基质反应速率方程,建立了颗粒污泥的单级自养脱氮系统动力学模型,对SBR系统运行效果进行预测,结果显示,DO为0.6mg/L时,氨氮反应完全,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在5mg/L以下,总氮去除率模拟值为89%左右,略低于实际测量脱氮率95%.

单级自养脱氮；颗粒污泥；DO；动力学模型

溶解氧(DO)被认为是影响微生物过程的化学计量学和动力学参数的重要环境因素之一[1].控制单级颗粒污泥自养脱氮反应器内的DO既能实现系统内亚硝酸盐氧化菌(NOB)的淘汰,又能形成好氧、厌氧共存的环境,这是实现亚硝酸化与厌氧氨氧化耦合的关键[2].

数学模型作为评估工具有很强的实用性,可以帮助系统的设计,操作和优化.国际水协相继开发了一系列活性污泥数学模型(ASMs)来描述系统中有机物及氮磷去除动力学机理[3].经过ASM1、ASM2的发展,最终克服先前模型的不足,引入了3号活性污泥模型(ASM3),同时研究者还对ASM3进行了一定的修正并使模型得到广泛应用[4].如Koch等[5]对ASM3进行修正应用于瑞士市政府的废水模拟;Ni等[6]修正ASM3,充分描述循环运行期间的中试规模SBR动态及活性污泥中的异养贮藏和生长过程.然而上述ASM3只考虑了基于硝酸盐的反硝化作用,并没有将亚硝酸盐考虑进模型,这对单级自养脱氮这种以氨氮和亚硝酸盐为基质进行脱氮系统的研究极为不利.很多学者对其进行改进来解决这个缺陷,这得益于Nowak等[7]提出的短程硝化-硝化-反硝化模型,Iacopozzi等[8]将两模型进行结合研究;Zhou等[9]利用改进的ASM3模型模拟好氧颗粒污泥SBR系统的性能.但这些改进模型并未预测颗粒污泥内部基质情况,而且模型中缺少关于系统中DO的描述,导致DO对系统的影响缺少准确的评估.

本文基于ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型,建立颗粒污泥动力学模型,运用Wolfram Mathematica数学处理软件,来描述单级自养系统内不同DO条件下颗粒污泥内部基质分布及反应器运行效果,为反应器运行提供参考,优化系统的运行条件,提高反应器的脱氮效果.

1 动力学模型建立过程

SBR单级颗粒污泥自养脱氮系统数学模型以活性污泥ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型为基础,考虑到基质在污泥内部的传质及微生物利用情况,建立包含氨氧化菌(AOB)、NOB、厌氧氨氧化菌(AAOB)和异养菌的微生物生长及传质模型.

1.1 模型假设

该模型假设如下:(1)全程自养脱氮颗粒污泥为理想球体,其物理性质、化学性质均一,颗粒污泥内部分为亚硝酸菌层和厌氧氨氧化层,之间有明显的界限,异养菌均匀分布在整个颗粒内,数量恒定,密度均匀;(2)全程自养脱氮絮状污泥为理想的分散介质,其微生物均匀分散在污泥内部,数量恒定,密度均一;(3)液相主体完全混合均匀,忽略液相与污泥表面的传质阻力;固液传质过程与反应过程相比,其速度很快;(4)系统温度和pH值恒定.该模型动力学参数选取特定温度和pH值下的参考值,忽略了温度和pH值对模型的动态影响,若有需要,可改变模型中参数值;(5)该模型只研究污泥内部氮素去除动力学,不考虑内部磷的去除情况;(6)衰减用内源呼吸表示,反应产物不在污泥内部积累,不含有机氮.

1.2 动力学方程及反应过程计量学

单级颗粒污泥自养脱氮动力学模型考虑AOB、AAOB、NOB和异养菌的代谢过程,所涉及到的微生物代谢过程及相应的动力学方程如表1所示.在反应过程中,各组分的变化遵循一定的守恒原理[10],本文基于电子数守恒、氮元素守恒及电荷守恒原则,建立单级自养脱氮反应过程的计量学矩阵,反应过程各组分的变化可通过组分矩阵(表2)来计算,其计算结果见表3.同一组分可能参与多个不同的反应过程,因此在模型计量学矩阵中将同一组分在不同反应中的计量系数与其对应的反应过程动力学方程相乘结果的总和,得到该组分在系统中的变化情况[3].

表1 单级自养脱氮反应动力学方程表

续表1

表2 组分矩阵

注:(1)ThOD为理论需氧量,COD的守恒形式,g(ThOD);(2)N,B为细胞中氮含量,mg/mg;(3)N,I为惰性颗粒性有机物中的氮含量,mg/mg.

表3 反应过程计量学矩阵计算结果

注:(1)同一行表示相同反应过程中所涉及的各组分变化关系,同一列则表示同一种组分在不同的反应过程中的变化情况;(2)AOBNOBAAOB表示AOB、NOB、AAOB产率系数,gCODx/gN,X表示颗粒性组分,下同;(3)I表示惰性生物质中的比例,gCODx/gCOD;(4)H表示异养菌产率系数,gCODx/gCOD.

1.3 模型的建立

模型中,基质须经过扩散作用从液相传递到污泥参与微生物反应,基质扩散过程包括液-固传质和固-固传质.与固-固传质相比,液-固传质阻力可以忽略,此模型只考虑污泥内部的传质.

整理得式(1):

式中:0为基质去除速率,S为基质在颗粒污泥内的传质阻力,为颗粒污泥半径.

边界条件如式(2):

式中:为颗粒污泥半径.

模型中参数的定义和取值见表4.模型中设置初始条件为:颗粒粒径为3mm,污泥内部AOB、NOB、AAOB和DNF的比值为30:1:100:3.

模型中溶解氧、氨氮、硝酸盐氮、氮气去除速率表达方程均可由式(3)求出.

式中:v为第种组分在第反应过程的化学计量系数;μ为第过程的动力学表达方程.

表4 模型动力学和计量学参数定义及参考值[11-19]

2 材料与方法

2.1 反应装置及接种污泥

为了验证不同DO对反应器脱氮性能的影响,采用有机玻璃制成的圆柱形SBR系统进行实验.反应器高40cm,直径15cm,有效体积为4L,每次出水2L,实验进水采用模拟废水,接种的污泥为实验室培养成熟的自养脱氮颗粒污泥,污泥粒径为3mm,接种污泥前期总氮去除率达到85%,氨氮去除率达95%.

2.2 检测指标及方法

进水桶内主要氮源为NH4Cl(100mgN/L);磷源由KH2PO4(0.22g/L)提供,碱度以NaHCO3进行调节.反应过程中控制温度在(30±2)℃,pH值为8±0.2.实验过程中,定期对进出水水质进行检测,检测项目为:氨氮、总氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、DO、pH值,检测方法依据《水和废水监测分析方法》[20]进行.SBR系统运行周期为6h,其中进水0~3min,曝气5~ 330min,搅拌0~330min,沉淀330~345min,出水345~ 355min,闲置355~360min.

3 结果与讨论

3.1 颗粒污泥内部基质分布规律

将基质扩散方程式(1)、边界条件式(2)与各基质去除速率方程(3)相耦合,采用数值计算的方法,运用Mathematica中的NDSolve命令,对非线性微分方程组进行求解.粒径为3mm的颗粒污泥内部基质浓度分布曲线如图1所示(曝气条件下进水中只含氨氮).

图1 颗粒污泥内部基质浓度分布曲线

图1中整个区域以DO=0.2mg/L为界限分为好氧区和缺氧区(厌氧区)[21],其中AOB、NOB主要分布在好氧区内,此区间内主要发生亚硝酸化反应和硝酸化反应,AOB所产生的亚硝酸盐氮逐步向内扩散供给内部AAOB;而AAOB主要分布在缺氧区内,在此处利用经扩散作用进入颗粒内部的氨氮和AOB所产生的亚硝酸盐氮为基质,发生厌氧氨氧化反应[22].由于AOB所产生的亚硝酸盐氮经扩散作用后不断被AAOB所消耗,因此颗粒内部亚硝酸盐氮一直保持在较低的浓度,也避免了亚硝酸盐氮的积累对颗粒内部功能菌的抑制作用.如图1(a),= 0~2.15mm区间内为缺氧区(厌氧区),=2.15~3mm区间内为好氧区.外界DO浓度为0.4mg/L时,缺氧区(厌氧区)和好氧区的比例为1:0.4,缺氧区空间相对较大,即AAOB生存空间增大,且氨氮在内部分布较DO为0.6mg/L时增多,更有利于内部厌氧氨氧化反应,使亚硝酸盐氮保持在更低的浓度.如图1(b),=0~0.75mm区间内为缺氧区(厌氧区),=0.75~ 3mm区间内为好氧区,外界DO为0.6mg/L时,缺氧区(厌氧区)和好氧区的比例为1:3,颗粒内部缺氧区(厌氧区)仅占整个颗粒径向空间的1/4,AAOB的生存空间相对较小,这对于耦合亚硝酸化与厌氧氨氧化反应较为不利.窦元[23]的实验结果表明,DO影响自养脱氮颗粒污泥内部微生物群群落的分布,其中AAOB、AOB、NOB的分布情况与本模拟的实验结果基本一致.因此,在不改变颗粒粒径条件下,适当降低液相DO,可实现亚硝酸化与厌氧氨氧化反应的相互平衡,增强整个自养脱氮过程.

3.2 DO对反应器脱氮性能的影响

模型中设置进水氨氮浓度为100mg/L,SBR系统内氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氮气反应速率方程如式(4)所示.

对于式(4),采用Mathematica的NDSolve命令,对四元一次非线性微分方程进行求解.随后根据颗粒污泥基质模拟结果,适当减小DO浓度,模拟DO为0.2mg/L即厌氧状态下脱氮效果,同时模拟DO为0.6,1mg/L状态下反应器氮素变化情况,并与反应器实测数据进行对比,结果见图2.

图2(a)中,反应周期内氨氮呈下降趋势,周期结束时,模拟氨氮去除率约为57%,与实测值相近;总氮去除率较低,仅为54%左右,略高于实际值.图2(b)中亚硝酸盐氮和硝酸盐氮均呈缓慢增加的趋势,且其浓度在2mg/L以内.李亚峰等[24]认为低质量浓度的DO在有利于AAOB生长的同时抑制AOB的活性;有研究报道称,AOB在低DO浓度(0.3~0.5mg/L)时活性有限[25],所以在DO浓度较低时, AOB活性较低,由于亚硝酸盐氮基质受限,亚硝酸盐氮的生成速率缓慢,进而导致厌氧氨氧化反应速率相对降低,最终反应周期内氨氮存在大量的积累.在此DO浓度下,关于氨氮、亚硝态氮、硝态氮、氮气等的变化趋势与肖洋等[26]的研究结果一致,本实验的反应时间较长,给反应提供了足够时间,最终氨氮剩余量相对较少.

图2 不同DO值模型与实测脱氮性能对比

图2(c)中,随着反应的进行,氨氮呈直线下降趋势,最终氨氮反应完全.系统模拟总氮去除率为89%左右,稍低于实测值(95%).图2(d)反应过程中亚硝态氮和硝态氮均呈现先少量积累,后趋于稳定,保持在5mg/L以下,说明系统内的亚硝酸盐氮在反应中不断被AAOB所反应消耗,后期硝酸盐氮的量无明显升高,推测为系统内的DNF将部分的硝酸盐氮还原为了氮气[27].实测氨氮和硝酸盐氮数据与模拟值下降趋势基本一致,具有很好的相关性,而亚硝酸盐氮的实测值则出现先升高后降低的趋势,最终亚硝酸盐氮的值基本为零,与模拟所得的先升高后趋于稳定的趋势相比,其原因是在该DO浓度下,反应前期由于氨氮充足,反应器内的氨氧化效果显著,导致亚硝酸盐氮的积累[28],后由于厌氧氨氧化所需基质增多,厌氧氨氧化速率增大,亚硝酸盐氮消耗增加,并大于其产生的速率,出现下降趋势.

图2(e)中,氨氮在反应周期的前2h内反应完全,与实测值基本接近,张姚等[29]的研究表明DO在0~1mg/L区间内,随着DO的增加,AOB活性增强.所以在此DO条件下,好氧氨氧化菌活性增强,最终总氮去除率为95%,与DO为0.2,0.6mg/L时的模拟结果相比,其去除率最高.图2(f)中亚硝酸盐氮呈现先上升后下降的趋势,硝酸盐氮浓度持续增加,周期结束时模拟结果显示存在少量的硝酸盐氮的积累,其积累量较实测值小.肖洋等[26]的研究中,亚硝酸盐氮的积累量较本研究多,这可能受颗粒污泥粒径的影响,本研究污泥粒径较大,内部缺氧空间较大更为适合AAOB的生长,导致亚硝酸盐氮积累量较少,最终总氮去除率较高.

根据模拟结果,DO为0.6,1mg/L时,系统均具有较高的总氮去除效率.蔡庆[10]的模拟实验结果显示,全程自养脱氮生物膜系统反应达到较高总氮去除率时,DO为0.5~0.6mg/L,而本研究中DO较高,可能原因是本研究中的污泥粒径较大,受基质传递的影响,DO在传递过程中受阻,因此颗粒内部厌氧氨氧化菌受到的DO抑制作用较小,脱氮过程能够承受较高的DO.但是,在实际过程中,DO为0.6mg/L时,脱氮效果更显著,且可以降低DO对厌氧氨氧化菌的抑制作用.

4 结论

4.1 建立颗粒污泥自养脱氮系统动力学模型,对颗粒内部基质浓度分布进行分析.结果表明,外界DO浓度的变化可对氨氮、AOB、AAOB及NOB分布产生影响,当颗粒污泥粒径一定时,适当降低外界DO浓度可实现亚硝酸化与厌氧氨氧化反应的平衡,最终实现较高的氮去除效率.

4.2 建立SBR动力学模型,并对不同DO下的SBR系统运行效果进行预测分析.结果表明,在颗粒污泥粒径为3mm的情况下,当DO浓度为0.2mg/L时,AOB活性较低,导致系统内氨氮大量积累,脱氮效果较差;DO在0.6~1mg/L时,随着DO的增加,氨氧化反应速率增加,氨氮反应完全,反应器脱氮效果增强.

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Simulation study on the effect of dissolved oxygenon single-stage granular sludge autotrophic nitrogen removal system.

LI Bo-lin*, REN Xiao-ling, LI-Ye, WANG-Yue, WANG-Wei, LIANG Ya-nan

(Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment, School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)., 2019,39(12)：5126~5133

The effect of dissolved oxygen (DO) on single-stage granular sludge autotrophic denitrification in a sequencing batch reactor system was evaluated through coupling of mass transfer process of granule sludge, vegetation processes of ammonia oxidizing bacteria (AOB), aerobic ammonia-oxidizing bacteria (AAOB), nitrite-oxidizing bacteria (NOB) and denitrifying bacteria, and endogenous respiration processes of aerobic and anoxic bacteria. A kinetic model of autotrophic denitrification granular sludge was developed based on activated sludge model 3 (ASM3) and the shortcut nitrification-nitrification-denitrification model, and subsequently the substrate concentration distribution within granular sludge was predicted. The results showed the ratio of aerobic zone to anoxic zone in granular sludge decreased from 3:1 to 0.4:1 when DO concentration decreased from 0.6mg/L to 0.4mg/L. Based on the matrix reaction rate equation, a system kinetic model of granular sludge single-stage autotrophic nitrogen removal was developed to predict system performance. The predicted result of total nitrogen removal rate (89%) was slightly lower than the actual measured removal rate (95%).

single-stage autotrophic nitrogen removal；granule sludge；DO；kinetic model

X703

A

1000-6923(2019)12-5126-08

李柏林(1983-),男,湖北钟祥人,副教授,博士,主要从事水污染控制与治理研究工作.发表论文50余篇.

2019-06-06

国家自然科学基金资助项目(51708431)

* 责任作者, 副教授, bolly1221@whut.edu.cn