實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化廢水的低成本

1、實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化廢水的低成本邁克奧尼爾*和奈杰爾霍蘭*進(jìn)程管理器 ,北西水,奧克蘭,曼徹斯特,英國*高級(jí)講師 公共衛(wèi)生工程、土木工程系、利茲大學(xué) LS2 9 jt,英國文摘奧貝爾工藝廢水的處理，在溶解氧濃度為 1.5 毫克/ L 時(shí)同時(shí)存在硝化和反硝 化。潛在的這個(gè)過程同時(shí)提供降低成本和簡(jiǎn)化在地中海環(huán)境脫氮的操作。 這項(xiàng) 工作的目的是為了探討這些要求 ,并試圖描述一種機(jī)制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在恒化器中 使用混合培養(yǎng)生長(zhǎng)，在好氧 /缺氧循環(huán)條件下觀察同步硝化反硝化。降低途徑 , 或“亞硝酸鹽分流 ”不能被證明，但它可能解釋反硝化菌在好氧條件下的滯后現(xiàn) 象。反硝化作用持續(xù)一段時(shí)間之前，氧取代硝酸鹽作為

2、終端電子受體的響應(yīng)， 滯后的長(zhǎng)度是在缺氧條件下的持續(xù)時(shí)間。關(guān)鍵字奧貝爾氧化溝工藝、硝化、反硝化、活性污泥、污水引言自 1960 年代后期，地中海的狀況不斷惡化 ,部分原因是在沿海地區(qū)的海洋自然 生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的污水污染(薩利巴， 1978 )。對(duì)于地中海污染的第一次審 查表明，近岸海域污染的臨界水平主要是由于大量的生活污水排放處理不當(dāng) , 加上一個(gè)有機(jī)質(zhì)含量較高和有毒分?jǐn)?shù)較大且不受控制的工業(yè)成分(GFCM,1972) 。高達(dá) 85%的整體地中海污染來自陸地， 這包括一個(gè)年度 1042 x 103 噸的磷負(fù)荷。所以說這種大量養(yǎng)分的投入是不足為奇的，赤潮定期記錄在 地中海包括一些有毒的物種，如鰭

3、藻，膝溝藻和具。1975 年地區(qū)政府的地中海行動(dòng)計(jì)劃的采用已導(dǎo)致了一系列的環(huán)境管理方案， 包 括使用和安全處置的國內(nèi)和工業(yè)廢水（德費(fèi)克和薩利巴， 1986 ）。一個(gè)廣泛的 處理系統(tǒng)是實(shí)用的，具有去除營養(yǎng)物質(zhì)的能力，從低成本的選項(xiàng)，如蘆葦床系 統(tǒng)通過高技術(shù)，生物植物（霍蘭， 1990 ）。利用好氧硝化細(xì)菌和缺氧反硝化細(xì) 菌從廢水中完全脫氮是相對(duì)簡(jiǎn)單的。 然而 ,當(dāng)利用這些微生物在污水處理過程中 有必要提供單獨(dú)的需氧和缺氧的區(qū)域。這增加了所需處理反應(yīng)器的總體積（即 該計(jì)劃的資金成本），也使得操作過程更加復(fù)雜。本文報(bào)告了一個(gè)稱為“奧貝 爾系統(tǒng)的同步硝化反硝化”的處理過程，僅僅一個(gè)曝氣反應(yīng)器，從而大大

4、降低 資本和運(yùn)營成本。奧貝爾系統(tǒng) 奧貝爾系統(tǒng)的過程是由一個(gè)多通道氧化溝組成的一個(gè)單一系統(tǒng)，活性污泥工藝 采用串聯(lián)操作的兩個(gè)或兩個(gè)以上的循環(huán)反應(yīng)器。該系列反應(yīng)堆（渠道或車道 ）是最常見的框架 -中心構(gòu)造，水深 4.3 米,每一個(gè)渠道有一個(gè)無盡的流路和一個(gè)完全 混合反應(yīng)器，使其快速流入并迅速分散在混合液中?；旌弦阂话阍谒綀A盤表 面曝氣和混合。水流在重力作用下從一個(gè)通道通過水下堰口流到下一個(gè)通道。 這個(gè)過程是一個(gè)專有的系統(tǒng)，其銷售在美國的瓦克夏環(huán)保工作展覽公司。奧貝爾氧化溝的最常見的應(yīng)用是在延時(shí)曝氣方式，同心三通道都具有相同的橫 截面，從而導(dǎo)致外（或第一）通道大約有一半的總池容積，中間（或第二）通

5、 道有三分之一的盆地體積和內(nèi)部（第三）通道有約盆地的六分之一體積。在一 個(gè)“正常”的奧貝爾應(yīng)用程序中所有的浪費(fèi)飼料和 RAS 進(jìn)入第一通道，只有 一半的體積和曝氣容量存在。第一通道并具有高的氧攝取率和低（零至 0.5 毫 克 /升）的溶解氧。第二通道 ,三分之一的體積和曝氣盤 ,溶解氧量為 0.5 到 1.5毫克/升。第三通道，用剩下六分之一的體積和磁盤，溶解氧量為2 到 5 毫克 /升。對(duì)于單一的渠道系統(tǒng)這種固有的分層使溶解氧量減少了 20% ?？赡?，更重 要的是，這個(gè)特殊的性質(zhì)和溶解氧分層通過奧貝爾系統(tǒng)強(qiáng)化營養(yǎng)物質(zhì)的自身除 磷。曝氣是通過不銹的塑料曝氣盤 ,直徑 1.38 米，厚 13 毫

6、米。有一些小孔的面 孔，通過盤的軸向中心線方向膜封閉。圓盤的兩面都覆蓋著數(shù)百個(gè)半金字塔形 的凸起用來彌補(bǔ)因小孔關(guān)閉而減少的氧量。磁盤操作距離在 0.23 到 0.53 米之 間，最佳轉(zhuǎn)速為 40 到 60 轉(zhuǎn)/分。它可以在錐形突起的兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)并混合進(jìn) 入頂端，約30%以上的氧傳遞到此。這個(gè)整體的浸沒范圍為 0.30 m ,40到60 轉(zhuǎn)的速度方差和反轉(zhuǎn)功能在氧輸送方面提供了一個(gè)打開/關(guān)閉的比例為 5:1。一種獨(dú)特的運(yùn)行方式對(duì)奧貝爾系統(tǒng)有著旁路功能。此功能是把分流聯(lián)合污水稀釋 并送到第三通道而暴雨徑流污水被送到外部渠道（斯默爾伍德 ,1989） 。這種操 作方式允許生物固體的庫存增加存儲(chǔ)和充氣

7、前兩個(gè)通道 ,而澄清器固體庫存大 幅降低。這就排除了固體存儲(chǔ)在澄清器內(nèi)的失衡 ,以及防止固體顆粒沖刷過堰。 在一個(gè)類接觸穩(wěn)定的模式下,在第三通道流程花費(fèi)一到兩個(gè)小時(shí)。停留時(shí)間就 足以提供所需的處理效果 ,更好于不處理的。只要稀釋雨水污水的條件存在, 旁路裝置就可以利用。 奧貝爾工藝中的生物持續(xù)峰流是平均流量的 7至10倍, 且保持在四到五天內(nèi)即不違反排放許可。奧貝爾工藝可以設(shè)計(jì)為將硝化和反硝化同時(shí)發(fā)生在第一渠道（納韋爾 ,1988） 。雖然阿普爾蓋特 （1980）展示了在南亨茨維爾 （德州 ）污水處理廠的奧貝爾工藝中 TN 高達(dá) 91%的去除率并不能保證,但 80%的去除率卻是一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的成就

8、。 在地中海環(huán)境下具有同步硝化 /反硝化作用的奧貝爾工藝是最具吸引力的特性。 這種說法是與現(xiàn)有的理論相反的, 因?yàn)橄趸聪趸^程需要單獨(dú)的缺氧 /好氧區(qū)（霍蘭，1990）。它已經(jīng)表明，在奧貝爾系統(tǒng)外圈通道中的溶解氧濃度保持在 幾乎為零，不僅可以硝化和反硝化同時(shí)發(fā)生，而且可以縮短反應(yīng)途徑。代替常 規(guī)的方法在方程（1）硝酸鹽不會(huì)作為中間物質(zhì)產(chǎn)生，在方程（2）中反硝化作用將生 成亞硝酸鹽。NH/ - NO5 a NO； - NO - N “aNH4 NO； NO N;O N2這個(gè)縮短的途徑被稱為“亞硝酸鹽分流”。這項(xiàng)研究的目的在于：1）復(fù)制奧貝爾氧化溝系統(tǒng)存在的條件。2）確認(rèn)同步硝化反硝化條件下可能

9、發(fā)生零溶解。3）調(diào)查“亞硝酸鹽的存在分流”建議用替代的機(jī)制來解釋同步硝化和反硝化作用的這一現(xiàn)象。材料和方法實(shí)驗(yàn)研究采用2L的玻璃恒化器進(jìn)行無菌發(fā)酵（LH發(fā)酵），從硝化活性污泥獲 取混合液培養(yǎng)基。在初始階段研究使用的培養(yǎng)基中（毫克/升）:實(shí)驗(yàn)室肉汁粉，200 ;尿素,47 ； NaCI,11 ； CaC12.2H20, 6.2; MgS04.7H20,3; K2HP04, 44;NaHC03, 400b準(zhǔn)備的這2L的培養(yǎng)液要在120攝氏度的條件下蒸70分鐘。反 應(yīng)器是連續(xù)流動(dòng)條件下運(yùn)作，通過的釋速率為0.05 /h，恒定條件為溫度為200 攝氏度，PH值為7 . 2。培養(yǎng)液在反應(yīng)器中通過蠕動(dòng)泵和

10、電線以防止污染。培 養(yǎng)液容器的數(shù)據(jù)每天進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析方法所有的分析方法中，概述的程序遵循標(biāo)準(zhǔn)方法 （脈沖幅度分析 ,1992） 。分析：懸 浮固體濃度（稱量）；溶解氧濃度（整形極譜探頭）； pH 值（ pH 探針）；氧 化還原電位（氧化還原電極）；氨氮；亞硝態(tài)氮（離子色譜法）和硝態(tài)氮（離 子色譜法）。結(jié)果建立硝化反應(yīng)這種恒化器是通過結(jié)合活性污泥 （1 升 ）和新制備的介質(zhì) （4L） 在 5 升的容器中 曝氣一個(gè)星期以適應(yīng)活性污泥的新媒介。在接種后 , 在恒化器中建立硝化作用 是不容易，且相當(dāng)大的時(shí)間都花在優(yōu)化條件的稀釋率和進(jìn)水氨氮濃度上。然而 當(dāng)使用稀釋速率為 0.01 /小時(shí)時(shí)，完全硝化作用

11、得以實(shí)現(xiàn)了。同步硝化反硝化的建立為了增加反硝化作用產(chǎn)的溶解氧濃度， 將反應(yīng)器減少到兩個(gè)階段。 最初 ,濃度下 降約 4 mg / L 到 1.5 mg / L, 然后進(jìn)一步減少到 0.5 mg / L 。此外，必須添加碳 源以對(duì)進(jìn)水中反硝化作用提供電子。 這是通過使用酵母提取物（100 mg / L）以補(bǔ) 充 250 mg / L 的乙酸酯。 這對(duì)保持亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮和全硝化態(tài)氮的濃度無明 顯影響。硝酸鹽氮濃度仍始終高于 19 毫克 /升, 但大多數(shù)時(shí)候亞硝酸鹽氮是無 法覺察的。氮的質(zhì)量平衡在這段時(shí)期的脫氮率為 24毫克NO 3 - N / L do抑制硝化作用的第二階段在反應(yīng)器中建立的硝化和

12、反硝化，試圖抑制發(fā)生在硝化反應(yīng)第二階段亞硝酸鹽 轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的時(shí)期。理論上應(yīng)該是比較簡(jiǎn)單的，許多作者建議，環(huán)境參數(shù)在 第二階段都比較敏感： pH 值增加；亞硝態(tài)氮濃度升高；游離氨氮濃度升高， 溫度升高（蘭達(dá)爾和布斯1984）。第二階段的硝化抑制的最終目標(biāo)，是在硝化 第二階段抑制結(jié)果的條件下建立一個(gè)亞硝酸鹽分流和亞硝酸鹽的積累。亞硝酸 鹽分流是通過硝化反應(yīng)比反硝化反應(yīng)產(chǎn)生更多的亞硝酸鹽而形成的。相比之下 建立的亞硝酸鹽表明，亞硝酸鹽分流不發(fā)生Ammonia-NNitrate-N氨氮硝酸鹽氮83周期丁呦心仏網(wǎng)開始時(shí)間圖1增加反應(yīng)器的進(jìn)水氨氮和pH值對(duì)硝化程度的影響為了提高聯(lián)合電離反應(yīng)器中的氨的濃度

13、，且通過增加2M的氫氧化鈉使反應(yīng)器中 的pH值從7.2增加到8.5 （圖1,階段1）。然而這對(duì)硝化速率和硝酸鹽的濃 度影響不大，仍高于30mgTL。因此下一個(gè)步驟是保持PH為8.5，增加一定的氨 在支流中通過50 mg/ L銨態(tài)氮（圖1,階段2）。此外，硝化桿菌沒有抑制作用， 事實(shí)上，硝態(tài)氮量增加了一倍以上，5天后從32毫克/升變?yōu)?6毫克/升。兩 者均增加了，總共196.7 mg/L氨氮溫度從20攝氏度變?yōu)?50攝氏度（圖1, 階段3和4）。硝酸氮濃度又繼續(xù)上升達(dá)到最高，為83.2 mg/ L,第二階段仍然 不降。缺氧/好氧同時(shí)硝化脫氮循環(huán)針對(duì)難以抑制硝化菌屬，另一種方法是采取缺氧期間硝化作

14、用抑制，其次是含氧 條件下為了抑制反硝化作用。如此循環(huán)開始的 24小時(shí)周期包括曝氣4小時(shí)和 20小時(shí)無曝氣。這產(chǎn)生了一個(gè)4小時(shí)的有氧階段，溶解氧濃度達(dá)到約5毫克/ L, 隨后由缺氧段的溶解氧濃度下降到零和氧化還原電位為負(fù)價(jià)值。分析了日常的 周期，同時(shí)由于這種循環(huán)作用使硝態(tài)氮的最大濃度從 40mg/L 下降到 11mg/L。 亞硝酸鹽氮的濃度仍同于先前的 9mg/L。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的循環(huán)后，三次氮物種的濃 度保持恒定在 15 天（圖 2）。圖表，圖 2，一個(gè)氮物種的出現(xiàn)后有氧 /缺氧的周期變化 為了獲得更好的曝氣周期和更詳細(xì)的分析硝酸鹽和亞硝酸鹽的產(chǎn)生， 每 30分鐘 將進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)分析。 每日內(nèi)氨氮

15、濃度保持波動(dòng)在 100和 170毫克/升，在曝氣 階段溶解氧濃度峰值約在 7 毫克/ L 左右。曝氣停止后溶解氧迅速減少。曝氣 停止八小時(shí)后，反應(yīng)器沒有溶解氧且在整個(gè)缺氧期內(nèi)檢測(cè)到的濃度為零。反應(yīng)器內(nèi)容物在好氧階段的氧化氧化還原電位測(cè)量值約70到80 mV當(dāng)下降到低于300 mV時(shí)曝氣停止。在24小時(shí)周期內(nèi)pH值保持在8.5左右，輕微下降的pH 將在缺氧階段觀察到（表 1）。表 1，在超過 24小時(shí)的晝夜周期內(nèi)，一個(gè)典型反應(yīng)器內(nèi)的變化。圖表：時(shí)間 溶解氧 氧化還原電位 PH 氨氮 硝酸鹽氮 亞硝酸鹽氮有氧時(shí)期開始 有氧期結(jié)束在硝態(tài)氮的硝化階段，氮濃度低至 0.45 mg /L和亞硝態(tài)氮濃度低至

16、1 . 6 5mg/L。充氣后有2小時(shí)的滯后期前濃度開始下降，檢測(cè)這些項(xiàng)目將在 3-4 小時(shí)之內(nèi)。在周期內(nèi)沒有證據(jù)表明亞硝酸鹽或硝酸鹽的存在。第二日的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，影響進(jìn)水速率的因素是曝氣階段開始之前的時(shí)間。這將終止反硝化作用，且反硝化作用中的碳源會(huì)很快耗盡。因此它應(yīng)該允許建立硝化作用的產(chǎn)物，且存在的亞硝酸鹽分流更容易識(shí)別。通過以前做的實(shí)驗(yàn)，氨的 濃度波動(dòng)在 100 和 170毫克/ 升之間。在曝氣周期內(nèi)水中的溶解氧濃度升至約 8 mg / L ，其余的周期內(nèi)其慢慢地降至 4 到 5 mg / L 。碳源缺乏時(shí)，溶解氧的濃 度不下降為零時(shí)是不會(huì)發(fā)生異養(yǎng)作用的。這種情況反映在氧化還原電位上，一 旦

17、它們達(dá)到高峰， 整個(gè)周期將維持在 100 毫伏的。在 24 小時(shí)內(nèi)由于硝化作用的 發(fā)生，pH值將緩慢下降到最6.9,并伴隨著二氧化碳產(chǎn)生。在整個(gè)周期內(nèi)亞硝態(tài) 氮和硝態(tài)氮的濃度均增加， 雖然他們的濃度仍然很低 （亞硝態(tài)氮 1.42 毫克/ 升， 硝態(tài)氮 1.92 毫克/ 升）。本實(shí)驗(yàn)還沒有產(chǎn)生顯著的亞硝酸鹽或硝酸鹽，因此亞 硝酸鹽分流的存在與否它不可能得出任何結(jié)論（表 2）。 最后一日進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，目的是延長(zhǎng)曝氣時(shí)間直到硝化作用達(dá)到高峰，當(dāng)脫氮達(dá) 到頂峰時(shí)關(guān)掉曝氣，重復(fù)這個(gè)周期過程。氨氮濃度的波動(dòng)范圍在 120 至 170毫 克/升之間，似乎這是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)。溶解氧迅速的達(dá)到最高的9 mg /

18、L 并在整個(gè)曝氣周期內(nèi)濃度保持 7 - 8 mg / L 。此反應(yīng)共計(jì) 14 小時(shí)的曝氣時(shí)間使 硝化作用已經(jīng)達(dá)到頂峰。 最初曝氣停止后溶解氧的濃度迅速下降 , 但仍以 1mg/L 的濃度保持八小時(shí)。反應(yīng)器進(jìn)行了四個(gè)小時(shí)之后，溶解氧下降到零。氮的濃度 在這日明顯高于以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度分別為為 15.4 mg/L， 50 mg/L （圖 3）。這是第一次出現(xiàn)如此大量的硝態(tài)氮。一旦曝氣停止， 氮?dú)鈱⒉粫?huì)像通常一樣快速下降 , 大量的氮存在于反應(yīng)堆中。表 2，在超過 24 小時(shí)晝夜循環(huán)期間改變反應(yīng)器的內(nèi)容，碳源是不存在的 圖表：時(shí)間 溶解氧 氧化還原電位 PH 氨氮 亞硝酸鹽氮

19、硝酸鹽氮 好氧階段開始 好氧階段結(jié)束在 33 小時(shí)之后，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度分別下降至 25.3mg / L 和 9.6 （圖 3） 。據(jù)推測(cè)，這是由于長(zhǎng)時(shí)間曝氣影響了反硝化作用，使反硝化能力減弱。圖表： Air on 開啟空氣 air off 關(guān)閉空氣 圖 3 ，較長(zhǎng)的曝氣時(shí)間對(duì)一晝夜好氧 / 缺氧以周期內(nèi)的反硝化能力有一定的影響 觀測(cè)硝化停止點(diǎn)和反硝化開始點(diǎn) 這是硝化反硝化發(fā)生明顯異常操作的條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是探 討硝化和反硝化的開關(guān)之間的邊界時(shí)期，并試圖定義導(dǎo)致這樣的開關(guān)條件。這 樣做的最好辦法是逐步調(diào)整溶氧濃度和監(jiān)控亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度?，F(xiàn) 有的溶解氧控制設(shè)施是

20、不存在的，所以唯一的選擇是充氣數(shù)小時(shí)，然后關(guān)閉反 應(yīng)器中的曝氣和監(jiān)控內(nèi)容。充氣停止六個(gè)小時(shí)后，反應(yīng)器中的溶解氧濃度下降 到零。在實(shí)驗(yàn)中反映了氧化還原電位讀數(shù)從 +56 下降到-400 。在反硝化過程中， pH值從7.66緩慢上升到曝氣時(shí)間結(jié)束時(shí)的8.72 （見表3）。表 3，停止曝氣后的反應(yīng)混合液的物理特性 圖表：停止曝氣時(shí)間（小時(shí)） 溶解氧（毫克 / 1 ） 氧化還原電位（ MV） pH 值 最重要的是反應(yīng)器中的氮濃度。 在結(jié)束 90分鐘后的曝氣周期內(nèi)亞硝酸鹽氮濃度 不斷增加達(dá)到最大值 13.5 mg / L 。七個(gè)小時(shí)后其濃度穩(wěn)步下降至零。曝氣停 止三小時(shí)半后硝態(tài)氮的濃度立即從開始的5.77mg/升下降到零。這些結(jié)果表明在一個(gè)期間內(nèi)，有同步硝化反硝化反應(yīng)?？紤]到亞硝態(tài)氮的隔離點(diǎn)是在開關(guān) 2 小時(shí)后，當(dāng)溶解氧濃度在為 2mg