常溫低氨氮SBR亞硝化啟動策略研究

李 冬,劉麗倩,吳 迪,張功良,高偉楠,張 昭,張 杰,2 (.北京工業大學,水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室,北京 0024；2.哈爾濱工業大學,城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 50090)

亞硝化-厭氧氨氧化是近幾年來出現的一種新型生物脫氮技術.與傳統生物脫氮技術相比,具有耗氧量低、無需外加碳源、運行費用低等諸多優勢[1-2].亞硝化,作為厭氧氨氧化的的前處理工藝,對于其能否成功應用于常溫條件下的生活污水具有重要意義.近年來國內外學者對亞硝化生物脫氮研究取得了很多成果.但是大部分以消化上清液[3-4]、垃圾滲濾液[5]等高溫、高氨氮的污水[6-7]為研究對象.隨著亞硝化工藝的廣泛推廣應用,其在常溫、低氨氮污水方面的研究也值得深入探索.本試驗以常溫、低氨氮的污水為研究對象,研究了不同接種污泥、不同啟動策略以及不同水質下亞硝化的啟動效率及效果對比,以期為常溫下低氨氮污水亞硝化的快速啟動提供技術方法及基礎數據.

1 材料與方法

1.1 試驗方案

試驗采用 5個柱形有機玻璃容器,徑深比約為 1:1,體積均為 35L,通過對比實驗,研究不同接種污泥、不同限氧策略、不同水質對于常溫低氨氮條件下亞硝化啟動的影響,具體如表 1 所示.

表1 試驗用反應器及試驗方案Table 1 The parameters of four reactors

1.2 試驗用水

試驗中1#、2#、3#反應器用水為人工模擬的污水,在自來水中投加(NH4)2SO4、NaHCO3(補充堿度)以及適量微量元素.4#反應器用水為北京市某小區化糞池水經A/O除磷工藝處理后出水,5#反應器用水為北京市某小區化糞池出水.各水質如表2所示.

表2 試驗用水水質(mg/L)Table 2 The water quality of the influent (mg/L)

1.3 分析項目與方法

氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等均采用國標法測定.反應器設置在線監測儀器,實時監測、控制溶解氧(DO)、pH等.DO、pH值、ORP、電導率等采用WTW便攜式測定儀Multi3430i及在線監測儀Oxi296、pH296等.反應器每天運行2個周期,通過實時監控系統控制,利用氨氮完全氧化出現 pH值拐點[8],在氨氮完全氧化時停止曝氣,結束周期,以防止延時曝氣.

定義亞硝化率為反應過程中生成的亞硝酸鹽氮與生成的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮之和的比值,計算公式如(1)所示.以亞硝化率連續7個周期超過90%作為亞硝化啟動成功標志.

式中:Δ CNO2?,Δ CNO3?分別為進出水亞硝酸鹽氮,硝酸鹽氮的濃度差,mg/L.

定義氨氮轉化負荷為單位質量的污泥單位時間內,轉化為亞硝酸鹽或者硝酸鹽的氨氮質量,單位為 kgN/(kgMLSS?d).

周期實驗及接種污泥初始亞硝化率按如下方法進行:取少量接種污泥于 1L燒杯中,加入自來水 1L、(NH4)2SO4、NaHCO3(補充堿度)適量,攪拌均勻,使污泥濃度達到 3000mg/L左右,氨氮濃度為(75.0±5.0)mg/L,pH 值在 7.50～8.00范圍內,溫度為室溫(22.1±2.0)℃.在燒杯底部安置連接氣泵的曝氣砂頭若干,打開氣泵曝氣并控制燒杯內溶解氧濃度為0.30mg/L,每隔0.5h取水樣測定氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度,并實時監測pH值、DO的變化直到氨氮完全消耗后停止曝氣,其亞硝化率作為接種污泥的初始亞硝化率.

2 結果與討論

2.1 反應器運行效果

反應器1#～5#運行效果如圖1～圖5所示.

圖1 1#反應器運行效果Fig.1 The operational performance of reactor 1

圖2 2#反應器運行效果Fig.2 The operational performance of reactor 2

1#反應器接種污泥來自北京市A污水處理廠硝化污泥,采用人工配水,接種后直接限氧運行,控制溶解氧濃度為0.30mg/L.其接種污泥初始亞硝化率為50%,說明該接種污泥具有一定的亞硝化性能.可利用AOB與NOB對溶解氧的親和力不同,通過限氧控制,實現初步的亞硝酸鹽氮積累.在 1～14周期里,污泥處于低氧條件的適應期,沉降效果下降,處理效果并不穩定.隨著在限氧條件下的持續馴化,亞硝化率逐漸升高.在經過14個周期(7d)的馴化后,氨氮基本完全氧化,同時亞硝化率從初始的50%上升至 90%,并此后一直穩定維持在 90%以上,氨氮轉化負荷從0.181kgN/(kgMLSS?d)上升到0.381kgN/(kgMLSS?d).1#反應器通過人工配水,進水氨氮濃度(85.0±5.0)mg/L,在全程限氧的啟動策略下,實現了常溫條件下 21個周期(10d)的亞硝化快速啟動.這比彭趙旭等[9]試驗中SBR反應器通過接種初始亞硝酸鹽積累率為28%的活性污泥,控制低溶解氧及反應時間,運行60個周期后達到 50%以上的亞硝化率,160個周期后接近80%的亞硝化率要快很多.

圖3 3#反應器運行效果Fig.3 The operational performance of reactor 3

圖4 4#反應器運行效果Fig.4 The operational performance of reactor 4

圖5 5#反應器運行效果Fig.5 The operational performance of reactor 5

2#～5#反應器接種污泥均來自北京市B污水處理廠硝化污泥.接種污泥初始未發現亞硝酸鹽氮的積累,初始亞硝化率幾乎為0%,為全程硝化污泥.

2#采用與 1#相同的配水方案與啟動策略,在限氧(DO為0.30mg/L)條件下運行.然而在經過了58個周期的培養,未見出水中有亞硝酸鹽氮積累.在周期試驗里,也未見亞硝酸鹽的積累現象.氨氮轉化負荷也較低,在 0.028～0.069 kgN/(kgMLSS?d)范圍內.2#反應器通過人工配水,進水氨氮濃度(85.0±5.0)mg/L,在全程限氧的啟動策略下,歷經58個周期(29d)仍未實現亞硝化啟動.

3#反應器接種污泥與 2#相同,但采用高-低梯度限氧的啟動策略.在初期的污泥馴化中,控制溶解氧濃度為0.70mg/L.然而在20個周期的運行中,出水中并沒有出現亞硝酸鹽氮的積累,氨氮全部轉化為硝酸鹽氮.從第 21周期開始降低溶解氧濃度至0.30mg/L,出水中隨即出現少量的亞硝酸鹽氮積累(6.03mg/L).隨后,出水中亞硝酸鹽氮的濃度呈遞增趨勢,出水中硝酸鹽氮的濃度則越來越小.運行至第54周期,亞硝化率穩定在60%以上,運行至第77周期,亞硝化率達到 90%以上,標志著亞硝化啟動的成功.此后3#反應器一直穩定的維持在90%以上的高亞硝化率.溶解氧的降低并未使氨氮轉化負荷下降,3#反應器在110個周期的運行中氨氮轉化負荷一直穩定維持在 0.100kgN/(kgMLSS?d)左右.3#反應器接種全程硝化污泥,采用人工配水,進水氨氮濃度(85.0±5.0) mg/L,在高-低梯度限氧的啟動策略下,在 21個周期出現了初始的亞硝化效果,在 84個周期(42d)運行后實現了常溫條件下亞硝化啟動.張璐[10]在常溫 SBR反應器全程硝化污泥的馴化中運行40多個周期都未出現亞硝酸鹽的積累,而后通過提高反應器溫度至28～30℃,在21d后達到最大亞硝化率85%.本試驗在常溫下通過采用高-低梯度限氧的啟動策略使亞硝化率在 77周期后達到 90%以上,節省了能源,縮短了啟動周期,達到了高效穩定的亞硝化率.

4#反應器采用北京某小區化糞池水經 A/O除磷工藝處理出水作為進水啟動亞硝化,進水中COD 為(43.05±12.35)mg/L.在限氧條件(DO 為0.30mg/L)下運行32個周期后出水未出現亞硝酸鹽氮的積累.周期試驗中,也未檢測到亞硝酸鹽的積累.4#反應器采用A/O二級出水,進水氨氮濃度(85.0±5.0)mg/L,在全程限氧的啟動策略下,16d(32個周期)內未能實現亞硝化啟動.

5#反應器采用北京某小區化糞池水啟動亞硝化,進水中 COD 達到(303.12±35.00)mg/L.仍采用限氧(DO為0.30mg/L)策略馴化污泥.運行至第3周期亞硝化率達到60%,運行至第2d第4個周期后達 90%以上.郭建華等[11]采用 SBR反應器,接種全程硝化污泥,以家屬區化糞池污水為處理對象,通過實時控制策略經 30d的培養亞硝化率達到90%以上.本試驗采用限氧(DO為0.30mg/L)啟動的策略更加高效.此后的近 30個周期,一直穩定維持 95%以上的高亞硝化率.5#反應器采用北京某小區化糞池水,成功并且迅速地在常溫、低氨氮條件下啟動了亞硝化.

2.2 初始接種污泥性狀對亞硝化啟動的影響

1#反應器在低氧條件下短期內迅速達到了穩定而高效的亞硝化率,而 2#反應器在同樣條件下下經過了 29d58個周期的培養后一直未出現亞硝酸鹽的積累.比較兩組實驗的異同發現,1#反應器接種污泥初始亞硝化率約為 50%;2#反應器接種污泥初始亞硝化率幾乎為 0%,為全程硝化污泥.可見,接種污泥的初始亞硝化率對于亞硝化啟動的快慢具有決定性因素.初始亞硝化率高,其組分中 AOB/NOB已占據優勢,在 DO為0.30mg/L的適宜 AOB生存條件下培養,可在極短的時間內獲得亞硝化的成功啟動.

一般條件下,硝化活性可定義為單位污泥在單位時間內氧化的NH4+-N和NO2--N的量[12],因此可以用氨氮轉化的污泥負荷來衡量硝化活性.在相同溶解氧下,1#反應器在經過 10個周期的培養后氨氮轉化負荷維持在 0.250～0.380kgN/(kgMLSS·d),而 2#反應器氨氮污泥負荷僅為0.028～0.069kgN/(kgMLSS·d),遠遠小于 1#,說明 2#與 1#反應器接種污泥相比硝化活性很低或者硝化細菌的數量少.而限氧條件更抑制了 2#反應器內活性污泥中硝化細菌的增殖及活性的提高,從而導致2#反應器在近60個周期的培養中未出現亞硝化效果.可見,接種污泥的氨氮轉化負荷對于亞硝化的啟動,亦具有重要影響.

對比結果說明接種污泥初始亞硝化率和氨氮轉化負荷對于亞硝化的實現起重要作用.若接種污泥初始就有亞硝化效果且氨氮污泥負荷較高,說明污泥中硝化細菌活性較高,在低溶解氧條件下很快就能啟動亞硝化;若接種污泥表現出沒有硝酸鹽的積累,而且氨氮污泥負荷較低,可能是其硝化細菌含量少且活性不高,僅通過簡單的低溶解氧條件下馴化中很難啟動亞硝化.

2.3 啟動策略對亞硝化啟動的影響

2#和 3#反應器接種污泥相同,均來自北京市 B污水廠.在相同的配水條件下運行,但在溶解氧的控制上采取了不同的策略.2#反應器在運行期間一直維持低溶解氧(DO 為 0.30mg/L)的限氧模式,而3#反應器在運行期間經歷了高(DO 為 0.70mg/L)-低(DO為0.30mg/L)梯度限氧2個階段.

2#反應器在 29d58個周期的低氧馴化中未出現亞硝化效果.而 3#反應器在高氧階段的馴化恰恰改善了接種污泥的初始缺點.Bernet等[13]的研究表明,在低溶解氧條件下,AOB和NOB的增長率都受到了限制,但在相同溶解氧條件下,AOB的增長率總是大于 NOB的增長率.在 DO為 0.30mg/L時,AOB的增長速率為其最大生長率的50%左右,NOB的增長速率為其最大生長率的20%左右;而DO為0.70mg/L時,AOB的增長速率提升至其最大生長率的70%左右,NOB的增長速率僅提升至其最大生長率的 35%左右.當DO≥1.00mg/L后NOB的生長率超過其最大生長率的 50%,而 AOB的生長率并沒有得到更大的提高.因此選擇適中溶解氧濃度0.70mg/L作為3#反應器篩選微生物的主要控制條件.在本試驗中,3#反應器在DO為0.70mg/L的條件下運行的10d20個周期中,污泥的硝化活性顯著提高,AOB和 NOB的增長率都得到了提高,數量逐漸增多,這表現為氨氮污泥負荷的逐漸提高.但 AOB的增長速率大于 NOB的增長速率,正常穩定的硝化系統中建立的AOB和NOB的平衡關系正在逐漸被打破.當在第21周期降低溶解氧至DO為0.30mg/L,對溶解氧具有更強親和力的AOB優先獲得了溶解氧,NOB由于缺少溶解氧使硝化作用減弱,從而限制了硝酸鹽的產生,出現了亞硝酸鹽的積累現象.試驗中從降低溶解氧的第11d(第21周期)開始出現6mg/L的亞硝酸鹽積累.在隨后的低氧馴化中每個周期的亞硝酸鹽積累量呈遞增趨勢,直至第39d第77周期亞硝化率達到90%,標志著亞硝化的成功啟動.也說明此時在 3#反應器內與NOB相比,AOB已成為優勢菌種.

Dangcong[14]等的研究表明,AOB具有承受溶解氧的波動的能力,而 NOB并不能.這也可能是本試驗中 3#在經過溶解氧的波動后而造成亞硝酸鹽氮積累的一個原因.

對于初始亞硝化率和氨氮轉化負荷較低的接種污泥,可通過高-低梯度溶解氧的控制策略,實現亞硝化的啟動.

2.4 C/N比對亞硝化啟動的影響

以 2#、4#和 5#反應器為對象,分析不同 C/N比進水對亞硝化的啟動的影響.

由表1和表2的數據可以看出,2#反應器配水運行,COD值為0.4#反應器所用A/O生物除磷工藝二級出水C/N比為0.40～0.93,5#反應器所用北京某小區化糞池出水 C/N 比為 3.50～5.34.反應器 2#和4#在多個周期培養后未出現硝酸鹽的積累,而 5#反應器在 1～2個周期后成功啟動亞硝化并能穩定運行的結果說明對于接種全程硝化的污泥,高C/N比的化糞池出水比低C/N比的AO生物除磷工藝二級出水及無COD的污水更有利于亞硝化的實現.

在生物脫氮過程中,微生物的活性對脫氮效率有很大影響.合適的營養物質濃度能促進微生物的良好生長,提高其活性進而提高脫氮效率.在影響微生物的各類營養元素中,碳和氮尤其關鍵,其比值對微生物的生長也有直接的關系.

有機負荷的提高,異養菌因生物合成作用增加了氨氮攝取量,導致硝化細菌可利用的底物減少,活性降低;而且隨著異養菌的增殖和活性的提高,硝化細菌與氨氮的親和力下降;隨著異養菌的迅速增殖,硝化菌被大量的異養菌包裹在污泥顆粒內部,使得氨氮向亞硝化菌之間的傳遞阻力增大[15].以上這些機理都能導致亞硝化速率的下降.而 Steinmüller等[16]在研究中發現有機物對硝化細菌的活性有激發作用.Mosquera-Corral等[17]也發現,當 SHARON反應器中進水加入醋酸濃度為0.2gTOC/L時,出水中亞硝酸鹽氮百分比增大;當加入醋酸濃度為 0.3gTOC/L時出水中亞硝酸鹽氮百分比下降 10%.閻佳[18]研究表明有機碳源對亞硝酸鹽氮氧化菌的抑制作用明顯強于對好氧氨氧化菌的抑制作用,因此,在一定濃度范圍內,有機碳源的存在將有利于亞硝酸鹽氮的積累.

以上研究表明進水中保持合適濃度的有機物將有利于亞硝酸鹽氮的積累.有機物濃度過高,造成異養菌大量增殖確會嚴重減少污泥中硝化菌的比例,而且在對底物和溶解氧的競爭中使硝化細菌處于劣勢,從而導致亞硝化率的下降.保持合適濃度的有機物,不僅不會降低氨氮的轉化率,而且會使氨氧化菌的活性高于硝化菌,提高亞硝化率.但對于合適有機物濃度的界定并不一致.

3 結論

3.1 在低氧(DO為0.30mg/L)、人工配水為低氨氮[(85.0±5.0)mg/L]及COD值為0的條件下,接種具有一定亞硝化效果污泥的反應器能在短期內成功啟動亞硝化;接種初始亞硝化率接近0的硝化污泥,采用直接限氧策略在短期內不能實現亞硝化.應采用高低梯度限氧(DO為0.70,0.30mg/L)的啟動策略,使硝化細菌大量增殖后再控制低氧條件以達到淘汰NOB富集AOB的目的,實現亞硝化的快速啟動.

3.2 在低溶解氧(DO 為 0.30mg/L)條件下,接種全程硝化污泥,采用C/N比在3.50～5.34范圍內的污水作為進水能實現亞硝化的快速啟動.而采用C/N比在0.40～0.93范圍內的A/O生物除磷工藝二級出水及COD值為0的水作為進水在短期的馴化中不能實現亞硝化.

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