碳源濃度和投加方式對sbr反應(yīng)器短程硝化的影響

碳源濃度和投加方式對sbr反應(yīng)器短程硝化的影響

1材料和方法1.1進(jìn)水、恒壓測試安裝如圖1所示。SBR反應(yīng)器的總?cè)莘e為5L(有效容積為4L),其進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水等操作由程序自動控制,采用瞬時(5min)進(jìn)水、恒定供氣的運(yùn)行方式。1.2結(jié)合ceona3h2o、kh2po4及微量元素的nh3-p原水為人工配制,成分為:NH4HCO3、NaHCO3、CH3COONa·3H2O、KH2PO4及微量元素,其中NH+4-N為300mg/L,COD為400~600mg/L,PO3?443--P為3mg/L;接種污泥取自西安北石橋污水處理廠的氧化溝。1.3分析設(shè)計(jì)和方法氨氮:納氏試劑比色法;亞硝態(tài)氮:N-1-萘基乙二胺比色法;硝態(tài)氮:紫外分光光度法;COD:重鉻酸鉀法;其他指標(biāo)按標(biāo)準(zhǔn)方法測定。2結(jié)果與討論2.1進(jìn)水氨氮濃度對反應(yīng)器的影響采用逐漸提高進(jìn)水氨氮濃度的方法對污泥進(jìn)行馴化、培養(yǎng),為了加快培養(yǎng)速度保持反應(yīng)器溫度在28~32℃。由于污泥本身具有硝化能力,在進(jìn)水氨氮濃度為50~100mg/L時,經(jīng)過兩天的適應(yīng)就可使出水氨氮濃度<5mg/L。但當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度從100mg/L增加到200mg/L時出水氨氮濃度明顯增加,說明反應(yīng)器受硝化菌數(shù)量的限制,不能將氨氮完全轉(zhuǎn)化。又經(jīng)過10d的馴化、培養(yǎng),硝化細(xì)菌數(shù)量增加,出水氨氮濃度再次降低到5mg/L以下,反應(yīng)器的氨氮去除負(fù)荷達(dá)到0.62kg/(m3·d),氨氮轉(zhuǎn)化率為98%,標(biāo)志著高氨硝化污泥馴化、培養(yǎng)的結(jié)束。2.2反應(yīng)器內(nèi)的do和ph值分布SBR的工作周期為6h,其中進(jìn)水5min、曝氣295min、沉淀30min、排水15min、閑置15min,采用曝氣量恒定的供氧方式(曝氣量為70~80L/h)。圖2是一個周期內(nèi)含氮化合物的濃度變化情況。由圖2可知,在進(jìn)水(氨氮濃度為150mg/L)結(jié)束后氨氮濃度隨著反應(yīng)的進(jìn)行先呈直線下降(在5~180min時段),而后緩慢下降(在180~240min時段),最后基本保持不變(在240~300min時段)。這是序批式反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)濃度變化的典型特征,它反映了氨氧化反應(yīng)遵循Monod方程,即氨氮濃度>15mg/L時氨氧化反應(yīng)屬零級反應(yīng),反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān),反應(yīng)以最大反應(yīng)速率進(jìn)行;當(dāng)氨氮濃度<15mg/L以后氨氧化轉(zhuǎn)為一級反應(yīng),反應(yīng)速率因受到氨氮濃度的限制而越來越小,由于反應(yīng)器內(nèi)微生物的基質(zhì)利用速率隨著時間的變化而變化,而供氧速率保持不變,故反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度必定發(fā)生變化。反應(yīng)器內(nèi)的DO和pH值的變化如圖3所示。圖2、3表明:①前期反應(yīng)速率較大,使得微生物對氧的利用率大于供氧速率,所以反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度很低;當(dāng)氨氮濃度<15mg/L以后反應(yīng)速率逐漸減小,微生物對氧的利用率逐漸降低,而供氧速率不變,故反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度不斷上升,直至硝化菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段(溶解氧水平高達(dá)6mg/L)。②由于硝化反應(yīng)是一個產(chǎn)酸過程,為了維持反應(yīng)器內(nèi)的pH值在進(jìn)水中加入一定量的NaHCO3,反應(yīng)20min后pH值開始不斷下降,但當(dāng)硝化反應(yīng)結(jié)束后pH值又不斷上升。pH值的這種變化是合理的,因?yàn)殚_始時由硝化反應(yīng)產(chǎn)生的H+多于由曝氣作用引起的H+減少(CO2被吹脫所致),當(dāng)硝化反應(yīng)結(jié)束后曝氣的持續(xù)進(jìn)行使得CO2吹脫仍然存在,所以pH值呈上升趨勢。③反應(yīng)的前20min內(nèi)在氨氧化的同時硝態(tài)氮的濃度也在下降,此時pH值有所升高,說明反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化。2.3降壓器運(yùn)行情況首先控制曝氣量在70~80L/h,使SBR反應(yīng)階段的溶解氧濃度呈現(xiàn)高、低交替的方式(見圖3),稱之為溶解氧變化的第一種模式;然后降低曝氣量為50~60L/h,使整個周期內(nèi)的溶解氧都保持在很低的水平(0~0.2mg/L),稱之為溶解氧的第二種模式;最后提高曝氣量(恢復(fù)為第一種溶解氧變化模式)。在此過程中系統(tǒng)內(nèi)氨氮氧化和亞硝態(tài)氮積累的情況分別如圖4、5所示。由圖4、5可知,當(dāng)SBR在第一種溶解氧模式下運(yùn)行時,出水氨氮濃度<5mg/L,亞硝態(tài)氮積累率由最初的73%上升到90%左右,反應(yīng)器處在良好的短程硝化狀態(tài);當(dāng)SBR轉(zhuǎn)為第二種溶解氧模式運(yùn)行時,前8天出水氨氮及亞硝氮積累率基本沒有變化,此后出水氨氮濃度增加到80~140mg/L(高氨出水狀態(tài)持續(xù)了12d),出水亞硝態(tài)氮減少了約50%,出水硝態(tài)氮由原來的10mg/L下降到5mg/L左右,說明硝化過程在持續(xù)低溶解氧條件下受到了嚴(yán)重抑制;提高曝氣量使SBR再次以第一種溶解氧模式運(yùn)行,4d后系統(tǒng)即恢復(fù)正常。經(jīng)分析,第一種溶解氧變化模式對氨氧化、亞硝酸鹽積累的影響主要由3種原因所致。反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽菌和亞硝酸菌爭奪do在反應(yīng)前期,由于需氧量大于供氧量,故反應(yīng)器內(nèi)的DO水平很低。此時,亞硝酸菌和硝酸菌共同爭奪DO,由于亞硝酸菌對氧的親和力大于硝酸菌,因此反應(yīng)器內(nèi)的氧首先被亞硝酸菌利用,硝酸菌由于得不到氧而停止呼吸,使得亞硝態(tài)氮在反應(yīng)器內(nèi)積累下來。高、低溶解氧交替氧化速率調(diào)整曝氣量,控制反應(yīng)后期反應(yīng)器內(nèi)的高溶解氧時間分別為10、60、120min,測定氨氧化速率和亞硝態(tài)氮氧化速率及出水中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度,結(jié)果見表1。由表1可知,亞硝酸菌在高、低溶解氧交替的環(huán)境下能夠保持較高的活性,氨氧化速率較大并且有隨著高溶解氧時間的增加而增加的趨勢,說明高溶解氧有利于亞硝酸菌恢復(fù)活性,提高氨氧化速率。而硝酸菌在此條件下則活性受到明顯抑制,亞硝態(tài)氮氧化速率比氨氧化速率小一個數(shù)量級,所以亞硝態(tài)氮得以積累。隨著高溶解氧時間的加長則會有更多的NO-2轉(zhuǎn)化為NO-3,但硝酸菌的活性也會隨著高溶解氧時間的增加而增加,所以高溶解氧階段不宜過長,試驗(yàn)中控制在30min左右為宜。碳源對亞硝酸菌的影響活性污泥系統(tǒng)中的微生物會經(jīng)常遇到物質(zhì)充足和缺乏的情況,碳氧化菌為適應(yīng)碳源充足、缺乏的環(huán)境而發(fā)展了特定的代謝方式——飽食饑餓特性,即碳源充足時細(xì)菌在體內(nèi)儲存聚合物(如PHB),但并不直接用于其生長,碳源缺乏時細(xì)菌才利用PHB。研究表明,亞硝酸菌與碳氧化菌一樣具有飽食饑餓特性,即能夠適應(yīng)溶解氧的周期性波動。亞硝酸菌在前期的低溶解氧下,利用有限的氧氧化氨氮進(jìn)行呼吸(低氧飽食階段);當(dāng)SBR進(jìn)入高溶解氧且氨氮濃度很低的階段(高氧饑餓階段)后亞硝酸菌處于內(nèi)源呼吸狀態(tài),其活性在這一時期得到恢復(fù),硝酸菌則因不具有飽食饑餓特性而不能適應(yīng)溶解氧高、低交替的環(huán)境,逐漸被淘汰。細(xì)菌計(jì)數(shù)表明,反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行兩個月后亞硝酸菌與硝酸菌的數(shù)量比為103∶1,證明SBR反應(yīng)期內(nèi)高、低溶解氧交替模式是獲得短程硝化的關(guān)鍵條件,這與亞硝酸菌的飽食饑餓特性有關(guān)。2.4cod濃度及投加方式對同步硝化反硝化效率的影響在低溶解氧下的短程硝化過程中發(fā)現(xiàn)有總氮減少的現(xiàn)象,即反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化。分析試驗(yàn)條件(高氨低碳水質(zhì)、溶解氧水平很低、污泥絮體顆粒較大),可以推斷總氮減少是由于溶氧擴(kuò)散的限制而在污泥絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度造成的。在污泥絮體外部亞硝酸菌利用氧把氨氧化成了亞硝酸鹽,在內(nèi)部的缺氧區(qū)異養(yǎng)菌又把部分亞硝酸鹽還原成了氮?dú)狻Ｑ芯勘砻?溶解氧濃度、有機(jī)碳源和污泥絮體結(jié)構(gòu)是影響同步硝化反硝化的三個重要因素,其中有機(jī)碳源作為反硝化過程的電子供體,對同步硝化反硝化體系起著至關(guān)重要的作用。為此筆者考察了COD濃度及投加方式對同步硝化反硝化效率的影響。試驗(yàn)采用了三種碳源投加方式:在反應(yīng)器進(jìn)水期一次性加入(瞬時加入);在好氧反應(yīng)期用蠕動泵連續(xù)投加碳源;在好氧反應(yīng)期每隔一小時加一次碳源(半連續(xù)加入)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示(氨氮濃度為300mg/L)。由表2可知,在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)COD濃度對總氮去除率影響不大,而不同COD投加方式時的脫氮率明顯不同,當(dāng)采用一次性投加方式時COD很快就降解到較低值,隨后由于碳源缺乏而使得反硝化受阻,總氮去除率只有50%~60%;當(dāng)采用連續(xù)投加方式時總氮去除率提高到70%左右,這種投加方式保證了反應(yīng)過程中始終都有COD存在,但反應(yīng)器內(nèi)碳源濃度太低,故滲透到絮體內(nèi)部缺氧區(qū)的碳源有限,所以這種碳源投加方式也有局限性;半連續(xù)投加結(jié)合了上述兩種碳源投加方式的優(yōu)點(diǎn),能保證總氮去除率>80%。利用表2中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出每種COD濃度及投加方式下用于脫氮的COD與碳氧化的COD的量(反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)以亞硝化反硝化為主,理論上去除1g的NO-2-N需消耗1.71g的COD),其中反硝化去除的COD所占之比例依次為5.71%、9.26%、18.56%、10.85%、37.82%、26.33%。反應(yīng)器內(nèi)的COD一部分用于反硝化,一部分被氧化,因此要提高同步脫氮的效率,就需提高反硝化去除COD的比例,而采用半連續(xù)投加方式時反硝化碳源所占比例最高,故其脫氮效率最高。2.5污泥沉降性能低溶解氧下短程硝化成功的例子并不多見,原因是此時污泥易發(fā)生絲狀菌膨脹,但筆者的試驗(yàn)過程中不僅沒有發(fā)生絲狀菌膨脹而且污泥沉降性能極好(污泥容積指數(shù)由接種時的160mL/g降至50~60mL/g)。鏡檢(反應(yīng)器運(yùn)行第55天的污泥)顯示,污泥絮凝密實(shí)并形成了較大的顆粒:污泥的平均粒徑為200μm,最大可達(dá)543μm。這也說明正是由于污泥顆粒比較大而溶解氧又比較低,故在膠團(tuán)內(nèi)部形成了缺氧區(qū),所以發(fā)生了同步脫氮現(xiàn)象。3碳源投加對亞硝酸菌全氧代酸鹽系總氮去除能力的影響①在溫度為21~25℃、進(jìn)水氨氮濃