處理高濃度氨氮廢水硝化時亞硝酸鹽積累的研究

1、處理高濃度氨氮廢水硝化時亞硝酸鹽積累的研究                        摘要：本論文研究的目的是確定模擬高濃度工業(yè)廢水短程硝化過程中亞硝酸鹽積累的最優(yōu)條件，降低了硝化過程中氧的需求總量，這樣可以大大地節(jié)約了曝氣量。選擇適宜的溶解氧濃度DO和PH值研究亞硝酸鹽積累而不影響總氨氮的去除的可能性。硝化反應(yīng)在一個2.5L活性污泥反應(yīng)器中運行，添加人

2、工廢水模擬高濃度氨氮工業(yè)廢水。開始時PH為7.85和溶解氧濃度5.5mg/L。反應(yīng)器操作直到穩(wěn)定運行取得了進水氨氮濃度為610mg N-NH4+/L的氨氮負(fù)荷率（NLR）3.3kgN-NH4+/(m3.d)。 關(guān)鍵詞：硝化 亞硝酸鹽積累 活性污泥 溶解氧 PH  1、介紹生物硝化反硝化在廢水氨氮去除中使用最普遍的工藝，龍其城市污水。該工藝在高濃度氨氮工業(yè)廢水處理的運用已經(jīng)做了大量的研究。由于氨氧化需要大量氧氣，曝氣在該系統(tǒng)中是主要的成本。硝化反應(yīng)分兩步。第一步氨氮在氨氮氧化菌作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。第二步亞硝酸在氧化菌作用下轉(zhuǎn)化硝酸鹽（如圖1）。氧化1mol氨氮，氨氮氧化菌需要1.5m

3、ol的氧氣，亞硝酸鹽氧化菌需要0.5莫爾氧氣。完全硝化每mol氨氮中需要2莫爾的氧氣。這意味著短程硝化生成亞硝酸鹽氮，每mol氨氮僅需要1.5mol氧氣,暗示著短程硝化比完全硝化可以節(jié)約25的氧氣。在反硝化過程中硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后轉(zhuǎn)化為N2O3、N2O，最終生成氮氣。每一步都要消耗COD。如果考慮快速反硝化，短程硝化生成亞硝酸鹽等，縮短了硝化意味著反硝化需要總的COD量減少了，因為硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽不需要COD。由于上述原因短程硝化生成亞硝酸鹽有吸引力，因為它導(dǎo)致在硝化過程中需氧量減少，節(jié)約了曝氣量；后面反硝化減少了COD的需求。為了取得了短程硝化生成亞硝酸鹽已經(jīng)做了一些研究，但是那

4、些成果適應(yīng)于低濃度氨氮廢水。目前還沒有研究高濃度氨氮，主要的問題是高濃度亞硝酸鹽濃度，它會抑制硝化菌。為了取得短程硝化有必要降低亞硝酸氧化菌的活性而不影響氨氮氧化菌的活性。必須采取一些措施確保氨氮氧化菌的培養(yǎng)有利條件。表1中動力學(xué)公式適合硝化菌，由于各個常數(shù)值不同，培養(yǎng)基濃度、溫度、PH值和DO在不同時期對它們的活性的影響不同。另外，pH值在每步影響培養(yǎng)基濃度，由于酸堿平衡的發(fā)生了變化。在那些變量中，基質(zhì)濃度不是一個運行參數(shù)，因為在廢水處理中它是一個客觀變量。溫度對兩種類型細(xì)菌的生長率的影響不同：在高溫時氨氮氧化菌比亞硝酸氧化菌有更高的生長率。在SHARON工藝后這是真正思想。然而在大多數(shù)情況

5、下溫度在整個反應(yīng)器中是一個不容易修改和控制的參數(shù)，主要是經(jīng)濟角度考慮。因此PH值和DO濃度是主要運行變量去控制系統(tǒng)。這篇論文的目的是研究PH值和DO濃度在硝化過程中對亞硝酸鹽積累的影響，這樣的話，可以減少大量的曝氣量。而且本工藝在反硝化過程中額外地節(jié)約COD量。         NH4+3/2O2           N02-+1/2O2  Fig.1. 硝化中氨氮的轉(zhuǎn)換動力學(xué)系數(shù)隨著溫度變化，這

6、種關(guān)系在這里沒有考慮。際生長率；max：最大實際生長率；KSH:未電離基質(zhì)飽和系數(shù)；KIH：未電離基質(zhì)抑制系數(shù)；O2：溶解氧濃度；e(AE/T):：離解基質(zhì)平衡常數(shù)，AE是激活能量，T是絕對溫度。2、材料和方法2.1 試驗搭建活性污泥單元由一個有效容積2.5L反應(yīng)器和外部沉淀器組成（圖2）。通過調(diào)整空氣流量來控制曝氣達到所需要得溶解氧濃度。通過加入濃度為80g/L的NaHCO3溶液自動控制PH值，NaHCO3溶液用作PH緩沖劑和硝化菌碳源。溫度保持在30，加入到反應(yīng)器的污泥來自于一個運行了一年多的硝化活性污泥反應(yīng)器。圖2：活性污泥單元實驗啟動示意圖：（1）進水池，（2）進水水泵，（3）重碳酸鹽

7、容器，（4）重碳酸鹽水泵，（5）pH值控制器，（6）pH儀表，（7）氣流管，（8）反應(yīng)器，（9）反應(yīng)器進水口，（10）反應(yīng)器進水口，（11）反應(yīng)器出水口。啟動的反應(yīng)器到穩(wěn)定運行共運行了175天。水力停留時間為5.7小時，如果該系統(tǒng)維持兩天（4.2個水力停留周期），可以認(rèn)為取得了穩(wěn)定運行。人工廢水的氨氮濃度為610mgN-NH4+/L，氨負(fù)荷率(NLR)為3.3kg N-NH4+/m3.d。用自來水稀釋濃縮的人工廢水到所需要的濃度。濃縮氨氮廢水（10gN-NH4+/L）的成分如表2所示。在試驗開始時，pH和DO濃度分別保持在7.85和5.5mg/L。70天后穩(wěn)定運行取得，去除率沒有太大的變化。啟

8、動后，pH值和DO濃度在逐步變化如表3所示。圖3硝化單元啟動第一步研究，在7.856.35范圍內(nèi)逐步改變pH值，在各個PH值條件下有足夠的時間取得穩(wěn)定運行。這個研究結(jié)束后，反應(yīng)器在pH值7.85下運行10天，為了恢復(fù)微生物的活性。最后，pH值在7.859.05（基本范圍）內(nèi)逐步變化。PH的影響研究結(jié)束后，恢復(fù)反應(yīng)器微生物的活性。第二步研究，DO濃度在5.50.5mg/L內(nèi)逐步變化。在每一條件下取得穩(wěn)定運行。22.2 分析方法氨氮分析使用離子選擇電子儀（檢測范圍9512），硝酸鹽用220和275納米的紫外線吸收測定，亞硝酸鹽用硫磺酸反應(yīng)測定。DO濃度用氧電子儀（YSI-95,YSI公司），氨氮、

9、硝酸鹽、亞硝酸鹽每天測定，溶解氧每天測兩次和生物量（VSS）每三天測一次。                             3、結(jié)果與討論3.1 啟動如圖3所示，氮負(fù)荷率（NLR）從0.3kgN-NH4+/m3.d增加到3.3kgN-NH4+/m3.d，進水氨氮濃度從260 mgN-NH4+/L增加到610mg

10、N-NH4+/L，進水量從3.8L/d增加到10.6L/d。pH自動控制在7.8至7.9之間。在整個試驗中保持生物濃度6.3gVSS/L，連續(xù)混合液流入（每天開始50）。如圖3所示，70天的氨氮負(fù)荷率和氨氮濃度保持不變，可以認(rèn)為穩(wěn)定運行取得了。完全硝化取得了，即馴化階段結(jié)束（圖.4） 圖4氨氮濃度變化3.2  pH影響如圖5所示pH值影響試驗的結(jié)果。在酸性范圍pH值7.85-6.45內(nèi)(低于7.85)對硝化沒有影響，但低于6.35硝化完全抑制。酸性范圍研究結(jié)束后，反應(yīng)器在pH值7.85運行，為了恢復(fù)微生物的活性。恢復(fù)活性階段結(jié)束后，在正常pH值范圍里研究pH值對亞硝酸鹽積累影響，可以

11、觀察到在pH值7.85-8.95內(nèi)pH值沒有影響（見圖5），盡管在pH值在8.65和8.95發(fā)生了亞硝酸鹽短暫積累。在pH值9.05，完全抑制硝化反應(yīng)的發(fā)生，沒有亞硝酸鹽積累。 圖5 pH值對亞硝酸鹽積累的影響的示意圖那些結(jié)果顯示在大的pH值范圍（pH6.458.95）內(nèi)研究完全硝化會發(fā)生。在pH低于6.45和高于8.95時，完全抑制硝化反應(yīng)，沒有亞硝酸鹽的積累。圖6總結(jié)了研究pH對亞硝酸鹽積累的結(jié)果。圖6 pH值對氨氮氧化百分率和亞硝酸鹽積累的影響。（X）氨氮消耗百分率，（）亞硝酸鹽積累百分率。在正常PH值內(nèi)PH值的影響被預(yù)料到了，由于自由氨氮對氨氮和亞硝化氧化菌的抑制，正如以前報道。同行工

12、作者解釋說在酸性PH值僅有亞硝酸鹽氧化菌被自由氮酸抑制。但是在本研究中兩菌種均受到抑制。這意味著自由氮酸能產(chǎn)生抑制氨氮氧化菌的物質(zhì)，但是以前還沒報道。Suthersan 和 Ganczarcczyk發(fā)現(xiàn)在高的pH值亞硝酸鹽積累可以取得，建議通過控制pH可以引起亞硝酸鹽積累。在我們的研究中，短程亞硝酸鹽積累發(fā)生，龍其改變了pH設(shè)定值后，但是由于微生物的適應(yīng)，在幾天后完全硝化發(fā)生了（如圖5）。連續(xù)培養(yǎng)和足夠的時間適應(yīng)可以解釋在每個pH值試驗結(jié)束時不能取得亞硝酸鹽積累的原因。這意味著長期用pH值作為一個關(guān)鍵的參數(shù)不可能取得亞硝酸鹽的積累。3.3 DO影響如圖7所示本系統(tǒng)在DO值連續(xù)變化中系統(tǒng)的特征，

13、可以發(fā)現(xiàn)DO濃度在5.72.7mg/L對亞硝酸鹽積累沒有影響。在DO值為1.7mg/L亞硝酸鹽短暫積累發(fā)生了。在DO值為1.4mg/L和0.7mg/L時，氨氮消耗相同，亞硝酸鹽積累增加。在DO值為0.5mg/L時，亞硝酸鹽積累和氨氮消耗量都減少了。圖7 DO濃度對亞硝酸鹽積累影響的示意圖圖8概要了那些結(jié)果。每一點在各個條件下穩(wěn)定運行取得的值。可以知道亞硝酸鹽在DO值為1.7mg/L時亞硝酸鹽積累開始，在DO值為0.7mg/L時最大，氨氮完全消耗了。圖8 DO濃度對氨氮氧化和亞硝酸鹽積累百分?jǐn)?shù)的影響（）氨氮消耗百分比，（）亞硝酸鹽積累百分比，每個值在各個條件下穩(wěn)定運行取得的。那些結(jié)果顯示在本研究

14、條件下，長期運行系統(tǒng)12天（超過50個水力停留時間周期）在DO值為0.7mg/L,至少65的NLR以亞硝酸鹽形成積累和98的氨氮消耗。根據(jù)化學(xué)計量法這個積累意味著著在硝化階段氧需求量減少17（對照完全硝化需要2莫爾每莫爾氨氮消耗1.67莫爾氧），它將減少曝氣量。正如前面所述，亞硝酸鹽積累意味著反硝化進一步節(jié)約了COD量。4 結(jié)論在pH值大范圍（在pH 6.45和8.95之間）內(nèi)，完全硝化有可能發(fā)生。在pH值低于6.45和高于8.95硝化突然下降，氨氮氧化和亞硝酸氧化菌完全受到抑制。DO值在5.71.7mg/L硝化不受影響，但DO為1.4mg/L亞硝酸鹽積累發(fā)生，并且隨DO濃度減少逐漸增加，但不會影響全部氨氮