sharon工藝處理高濃度低碳氮廢水的研究

sharon工藝處理高濃度低碳氮廢水的研究

傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為，生物脫氮包括兩個階段：硝化和反硝化。硝化階段分為兩層：氨氧化和亞硝酸鹽氧化，即nh4+no2-u3-；反硝化可分為兩層：亞硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原，即no3-、no2-和b2。不同的反應(yīng)需在不同的細(xì)菌和環(huán)境下完成,這就決定了反應(yīng)的的時空不同步性,直接導(dǎo)致了反應(yīng)器數(shù)量的增加、基建費用上升、處理成本增加,而且處理時間延長,有機(jī)物需求量大,曝氣量增加。這些傳統(tǒng)工藝脫氮的不足促使了人們探討各種更加方便、易控制、費用低的工藝。其中一種短程硝化反硝化工藝——SHARON(singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite)工藝,是由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)于1997年提出并開發(fā)的一種新型廢水生物脫氮工藝,它在理念和技術(shù)上突破了傳統(tǒng)硝化反硝化的框架,把短程硝化反硝化放置在一個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,因而反應(yīng)器數(shù)量減少,處理費用降低,同時可節(jié)省曝氣量、有機(jī)物及中和化學(xué)藥劑,縮短了處理時間,且利于管理操作。1工藝原理1.1硝化反硝化的可能性1.1.1itroperia類耐藥從進(jìn)化譜系上看,亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌之間的親緣關(guān)系并不密切。所有分離的亞硝酸細(xì)菌都被歸入proteobacteria門中的β-Proteobacteria綱或γ-Proteobacteria綱。所有分離的硝酸細(xì)菌除Nitrospira以外都被歸入α-Proteobacteria綱、γ-Proteobacteria綱、δ-Proteobacteria綱,Nitrospira被歸入單獨設(shè)立的Nitrospira門。除了γ-Proteobacteria綱中Nitrosococcus與Nitrococcus的少數(shù)具有相對較近的親緣關(guān)系外,其他絕大多數(shù)菌株的親緣關(guān)系都相距很遠(yuǎn)。在各種生境中,亞硝酸鹽與硝酸鹽細(xì)菌彼此為鄰并無進(jìn)化譜系上的必然性,它們完全可以獨立生活。當(dāng)溫度升高時,亞硝酸細(xì)菌比硝酸細(xì)菌的世代時間短,通過控制污泥停留時間,使其小于硝酸細(xì)菌的世代時間而大于亞硝酸細(xì)菌的世代時間,硝酸細(xì)菌就會隨著出水帶出,反應(yīng)器中留下來的優(yōu)勢菌種就是亞硝酸細(xì)菌,從而實現(xiàn)短程硝化。1.1.2亞硝酸細(xì)菌生長速率式中:μ——細(xì)菌比增長速率,即單位生物量的增長速率,d-1;μmax——比最大增長速率,d-1;S——限制性微生物增長的基質(zhì)質(zhì)量濃度,mg/L;KS——飽和常數(shù),mg/L。當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很高(S!KS)時,細(xì)菌比增長速率等于最大比生長速率,由于NH3是亞硝酸菌的真正基質(zhì),SHARON工藝在高基質(zhì)濃度下運作,因此亞硝酸細(xì)菌以最大速率生長。但NH3同時又可作為抑制劑抑制亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的活性,目前所報道的抑制濃度有較大差別,A.C.Anthonisen等通過分批試驗發(fā)現(xiàn),NH3對硝酸細(xì)菌的抑制質(zhì)量濃度為0.1~1.0mg/L,對亞硝酸細(xì)菌的抑制質(zhì)量濃度為10~150mg/L,而F.Christian等認(rèn)為,當(dāng)NH3質(zhì)量濃度>5mg/L時就會對亞硝酸細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用,盡管不同文獻(xiàn)報道的NH3抑制濃度差異較大,但從總體上反映NH3對硝酸菌的抑制濃度應(yīng)小于亞硝酸菌,因此可以調(diào)控反應(yīng)器中的NH3濃度達(dá)到亞硝酸細(xì)菌的積累。1.1.3細(xì)菌回復(fù)突變與亞硝酸細(xì)菌回復(fù)突變的反應(yīng)SHARON工藝采用的是連續(xù)流全混合反應(yīng)器(CSTR),水力停留時間(HRT)等于污泥停留時間(SRT),因此可以調(diào)控HRT使亞硝酸細(xì)菌和生長快的反硝化微生物種群留在反應(yīng)器,而硝酸細(xì)菌和生長慢的反硝化細(xì)菌流出反應(yīng)器,實現(xiàn)短程硝化和反硝化。SHARON工藝采用間歇供氧方式,使硝化和反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行,可以充分利用反硝化過程產(chǎn)生的堿度來中和硝化作用產(chǎn)生的酸度,并且在反應(yīng)器中強化對混合液CO2的吹脫,使得反應(yīng)器中的pH始終保持在有利于生物脫氮的范圍(7.0~8.5)。1.2sharon工藝控制環(huán)境因素根據(jù)最小因子定律,生物生長受制于相對數(shù)量最少的營養(yǎng)物質(zhì)(限制性營養(yǎng)物質(zhì)),改善營養(yǎng)條件將促進(jìn)細(xì)菌生長,在SHARON工藝中通常將氨控制在較高的水平,裝置內(nèi)富集的顯然是快生型亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。根據(jù)耐受性定律,每種生物對環(huán)境因素都有一個耐受范圍,任何環(huán)境因素超過某種生物的耐受限度(上限或下限),都會影響該種生物的生存,因此SHARON工藝通過控制溫度、pH、溶解氧等環(huán)境因素來維持短程硝化反硝化。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,反應(yīng)器中的微生物數(shù)量越高對反應(yīng)越有利,所以一般通過改善生物沉降性能(例如,污泥顆?；?和優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)(例如,設(shè)置三相分離器或安裝填料)的方法來積累生物體,這些方法對于單一微生物參加的反應(yīng)是有利的,但是對于SHARON工藝,反應(yīng)器中存在著多種細(xì)菌,要富集亞硝酸細(xì)菌,必須通過排掉增長慢的硝酸細(xì)菌才能獲得更大比例的亞硝酸細(xì)菌,因此反應(yīng)器在設(shè)計時不采用持留菌體,而是通過優(yōu)化營養(yǎng)條件和環(huán)境條件來保證反應(yīng)所需的菌體數(shù)量。2sharon技術(shù)的要點2.1ph對sharon工藝的影響溫度對生物反應(yīng)有很大的影響。升高溫度,一方面可加快酶促反應(yīng),另一方面也可加快酶的變性失活。C.Hellinga等認(rèn)為,在常溫(5~20℃)下,由于亞硝酸細(xì)菌的生長速率小于硝酸細(xì)菌,前者產(chǎn)生的亞硝酸鹽很容易被后者氧化成硝酸鹽,但當(dāng)溫度高于20℃時,亞硝酸細(xì)菌的生長速率大于硝酸細(xì)菌,在考慮富集亞硝酸細(xì)菌和減低能耗的條件下,工藝的操作溫度控制在30~35℃。pH對SHARON工藝的影響主要體現(xiàn)在兩個方面,其一是pH超出硝化細(xì)菌的耐受限度,其二是pH影響基質(zhì)的有效性或抑制劑的毒性。亞硝酸菌的適宜pH在7.0~8.5,而硝酸菌的適宜pH在6.0~7.5,兩者在不同的pH下的最小污泥停留時間不同,因此可通過調(diào)控工藝的pH淘汰硝酸細(xì)菌。由反應(yīng)式(Ka為反應(yīng)常數(shù))可得反應(yīng)器中的濃度與pH關(guān)系為:,在正常生物處理系統(tǒng)中,NH4+是氨的主要存在形式,提高pH可以增加NH3的分配比,即亞硝酸菌的基質(zhì),有利于富集亞硝酸菌,而且可以抑制硝酸菌的生長。HNO2對微生物生長有抑制作用,由反應(yīng)式可知反應(yīng)器中的與pH的關(guān)系為:,在正常的生物處理系統(tǒng)中,NO2-是亞硝氮的主要存在形式;升高pH可以減少HNO2的分配百分?jǐn)?shù),減少對微生物的抑制。2.3低do對亞硝酸菌的影響溶解氧(DO)是控制亞硝酸鹽積累的關(guān)鍵參數(shù)之一,DO濃度不能太高,太高會使亞硝酸鹽氧化,不利于亞硝酸鹽的積累,但也不能太低,太低會造成供氧不足,不利于亞硝酸鹽的生成。H.Keisuke研究表明,低DO下亞硝酸菌增殖速率加快,補償了由于低氧所造成的代謝活動下降,使得整個硝化階段中氨氧化未受到很大影響,而低DO對硝酸菌有明顯抑制作用,因而低DO有利亞硝酸積累。H.J.Laanbroek等的研究進(jìn)一步表明,低DO下亞硝酸菌大量積累是由于亞硝酸菌對DO的親和力較硝酸菌強,亞硝酸菌氧飽和常數(shù)一般為0.2~0.4mg/L,硝酸菌氧飽和常數(shù)為1.2~1.5mg/L。在溫度25℃、pH7.5、HRT8d、DO6.7mg/L的條件下,N.europaea(亞硝酸菌)的生長速率明顯小于N.winogradskyi(硝酸菌),兩者的細(xì)胞數(shù)量之比為0.37,維持溫度、pH不變,HRT1.8d,DO濃度降低到接近零時,N.europaea(亞硝酸菌)的生長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過N.winogradskyi(硝酸菌),兩者的細(xì)胞數(shù)量之比為170。在SHARON工藝中,DO宜控制在1.0~1.5mg/L,供氧方式可采用間歇曝氣。2.4預(yù)處理+蒸發(fā)負(fù)荷分為容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷,容積負(fù)荷與廢水流量和廢水中基質(zhì)濃度直接相關(guān)。假設(shè)廢水流量不變,那么容積負(fù)荷取決于廢水中基質(zhì)濃度,進(jìn)入反應(yīng)器的廢水中基質(zhì)濃度越高,容積負(fù)荷也越高。進(jìn)水中基質(zhì)濃度受制于基質(zhì)抑制濃度和出水排放要求。如果基質(zhì)濃度超過抑制濃度,反應(yīng)器的穩(wěn)定性就會受到較大影響;如果出水不能達(dá)到排放要求,反應(yīng)器的作用將會降低。假設(shè)廢水中基質(zhì)濃度不變,那么容積負(fù)荷取決于廢水流量,進(jìn)入反應(yīng)器的廢水流量越大,致使HRT越小,污泥停留時間小于細(xì)菌最大比增長速率,反應(yīng)器內(nèi)的菌體就會流失,反應(yīng)器的功能也將失去。即使反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌濃度保持穩(wěn)定,也需要一定的反應(yīng)時間,以使基質(zhì)濃度降低至出水排放要求。SHARON工藝常見的氨負(fù)荷為0.35~1.50kg/(m3·d)。污泥負(fù)荷可以根據(jù)微生物濃度和容積負(fù)荷得出,SHARON工藝常用的污泥(以VSS計)氨負(fù)荷為0.12~1.67kg/(kg·d)。由于亞硝酸菌的倍增時間短于硝酸菌,通過控制泥齡可逐漸帶出硝酸菌而留下亞硝酸菌,從而實現(xiàn)短程硝化。在確保帶出硝酸菌的前提下,應(yīng)盡可能延長水力停留時間,使生物脫氮達(dá)到較高的程度,并使反應(yīng)器穩(wěn)定運行。R.VanKempen等根據(jù)SHARON工藝生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)驗,推薦將泥齡控制在1.0~2.5d。3膜序批式反應(yīng)器短程硝化反硝化脫氮技術(shù)與傳統(tǒng)生物脫氮相比,工藝操作、反應(yīng)器構(gòu)造、運行費用等都具有很大的優(yōu)越性,國內(nèi)外也有許多研究者在從事這方面的研究工作。雖然SHARON工藝是個成功的例子,但它是通過溫度、pH、溶解氧、水力停留時間、泥齡等參數(shù)來實現(xiàn)短程硝化反硝化,其目的在于提供亞硝酸菌的生存環(huán)境,抑制硝酸菌的生存環(huán)境來富集亞硝酸菌,不同的水質(zhì)可能所要求的各項調(diào)控參數(shù)不盡相同,同時也存在一些問題,如硝酸菌會逐步適應(yīng)高NH3,致使亞硝酸鹽濃度下降,硝酸鹽濃度上升;冬季維持30℃以上的溫度需消耗較高的能源;進(jìn)水水質(zhì)波動較大時,會影響菌種數(shù)量和類型,影響出水水質(zhì)。另外李春杰等采