基于內循環折流式反應器的同步硝化反硝化

陸曉婭,徐 華,徐 晨,黃瓊琳,賈楚楚,張永明

(上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234)

但傳統的生物反應系統中,反硝化過程相比硝化過程較難實現,這是因為在一個反應系統內很難保證擁有穩定的缺氧區.因此,對于一個能實現同步硝化反硝化功能的反應器來說,首先要求其具有較好的反硝化功能.通常同步硝化和反硝化的實現有2種主要方式:一種是基于微生物群落的微觀分布,即在一個生物反應體系中,通過控制反應器的溶解氧分布,使硝化菌和反硝化菌能共存于同一個反應器內.但這一方法往往會受到廢水濃度及負荷等外界因素的波動而導致微生物群落的變化,進而影響同步硝化反硝化的效果[9-10].另一種方式則是基于反應器的結構,即通過反應器的設計,通過控制操作條件在宏觀范圍使其能在同一個反應器中同時具有好氧區和缺氧區,從而實現硝化和反硝化.相比較而言,通過反應器的結構設計來實現同步硝化和反硝化較為容易抵抗外界因素的干擾.張萃逸等[11]采用氣升式內循環反應器實現了在同一個反應器內硝化和反硝化.但氣升式反應器存在的問題是,當曝氣量增大時,容易導致整個反應器處于好氧狀態;而曝氣量較小時,反應器內溶液循環效果較差導致傳質效率較低.

基于以上分析,采用內循環折流式的生物反應器(Internal circulating baffled bioreactor,ICBBR),來實現在同一個反應器內的好氧與缺氧區共存,進而實現同步硝化和反硝化,以克服氣升式內循環反應器的不足.在具體研究過程中,首先考察ICBBR的反硝化功能,重點探討氮素的去除規律,為該反應器的實際應用,尤其為城市生活污水的深度處理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 反應器

圖1 折流式內循環生物反應器示意圖

實驗所用的內循環折流式生物反應器如圖1所示.該反應器中的工作體積為2500 mL,由一塊隔離板將反應器分為上部和下部兩部分,上下部的體積分別為500 mL和2000 mL.在反應器的下部上下交錯安裝排列有14塊多孔陶瓷板作為生物膜的載體,同時又構成折流通道.在反應器下部還安裝有一個潛水泵,驅動溶液在反應器內的上下部循環流動.在反應器的上部,從水泵流出的水流由于湍動,導致溶解氧量增加.當溶液進入反應器下部時,由于生物反應,其中的溶解氧逐漸消耗,因此在反應器下部的折流區域內自右至左由好氧區向缺氧區過渡,由此可以在同一個反應器內形成好氧區和缺氧區.該反應器結構為實現同步硝化和反硝化打下了基礎.

1.2 生物膜的培養和馴化

將取自從上海市龍華污水處理廠二沉池的活性污泥加入到反應器中,讓多孔陶瓷浸沒于活性污泥中5 h,然后將剩余污泥倒出,通過吸附初步形成生物膜.隨后加入配制的模擬污水于反應器中,馴化1周.期間每天更換新配制的溶液.當溶液中的氨氮和總氮的去除率達到穩定之后,則認為已形成了穩定的生物膜.

1.3 模擬廢水的配制

所用試劑主要包括:葡萄糖(C2H12O6·H2O)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鈉(NaNO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)、磷酸二氫鉀(KH2PO4).即由葡萄糖提供碳源,氯化銨或硝酸鈉提供氮源,而磷酸二氫鉀提供磷源.配水時,將這些試劑溶解于自來水中,配制成C/N比從5～30不同比例的溶液,以考察C/N對總氮或氨氮去除率的影響.在實驗過程中N/P的比例均為5.

1.4 廢水處理

實驗采用間歇方式進行.首先進行反硝化的驗證實驗,以檢驗ICBBR的反硝化功能.此時利用硝酸鈉提供氮源,即以硝酸鹽作為氮源.后續的實驗采用氯化銨提供氮源,并比較不同C/N比對總氮去除速率的影響.實驗時,每次加入2500 mL的模擬廢水溶液,每間隔一定時間取樣分析溶液中硝酸鹽、氨氮和總氮濃度.

1.5 分析方法

2 結果與討論

2.1 基于作為氮源的反硝化過程

表1 C/N比與NO3--N去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

表2 以為氮源時C/N比與TN去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

圖2 基于的反硝化實驗中的去除速率

圖3 基于的反硝化實驗中TN的去除速率

2.2 基于作為氮源的反硝化

圖4 基于的反硝化過程中的去除速率

圖5 基于的反硝化過程中TN的去除速率

表3 C/N比與去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

表4 以為氮源時C/N比與TN去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

此外,比較表2、4可以看出,對于總氮的去除速率,當以亞硝酸鹽為氮源時,總氮的去除速率比以硝酸鹽作為氮源時稍微快些.這是因為,硝酸鹽在反硝化過程中,通常是先轉化為亞硝酸鹽后,再轉化為氮氣等而使總氮得以有效去除的.但這個速率非常接近,表明硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽的速率非常快.

2.3 同步硝化反硝化過程

上述的實驗結果證明,ICBBR具有良好的反硝化功能.后續的實驗以氯化銨作為氮源,分別配制不同C/N比的溶液進行同步硝化反硝化實驗,其中氨氮的去除速率如圖6所示.同樣,它的去除規律也符合分數級動力學,經過試差法求解其反應級數也為0.88級.相應的動力學常數如表5所示.圖6和表5中的結果表明,隨著C/N比的增加,其氨氮的降解速率逐步增加.這是因為,隨著C/N比增加,微生物可以獲得能量而增長,生物量的增加導致氨氮的去除速率得以提高.同時也證明了在該反應器內也存在硝化反應.

圖6 不同C/N比所對應的去除速率

表5 C/N比與氨氮去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)0.12·h-1

圖7 以為氮源時,C/N與TN去除速率的關系

經試差法求解,對于3級的動力學參數如表6所示.同樣的,總氮的去除速率也與C/N成正比.

表6 C/N比與總氮去除速率(k)的關系

k單位為(mg/L)-2·h-1

圖8 氨氮與總氮降解速率的比較

將表5與表1、3進行比較可以發現:同樣的C/N比條件下,氨氮的去除速率比硝酸鹽和亞硝酸鹽的去除速率要慢許多.這表明,在ICBBR系統的上部由于湍動,溶解氧濃度為2～3 mg/L,進入下部的生物降解區,溶解氧濃度逐步降低,硝化反應要比反硝化速率慢.

由于反應級數不同,不能簡單地通過反應速率常數比較氨氮和總氮的去除速率.為此,以C/N=5和C/N=30為例,比較氨氮和總氮的去除速率,結果如圖8所示.從圖8中可以看出,在以氨氮作為氮源時,總氮的去除速率明顯的低于氨氮的去除速率.這進一步說明以氨氮為氮源時,氨氮需要經歷硝酸鹽和亞硝酸鹽之后,總氮才能有效法去除.因此,總氮的去除速率要明顯低于氨氮的去除速率.

3 結 論

當采用硝酸鹽或亞硝酸鹽為氮源模擬廢水進行生物除氮時,內循環折流式生物反應器可以順利地實現反硝化.硝酸鹽、亞硝酸鹽的去除速率與總氮的去除速率相近,此時氮素的去除可以分數級動力學進行擬合.當以氨氮作為氮源時,通過該反應器可以實現同步硝化和反硝化.此時總氮的去除與硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮有關,符合3級動力學方程.在相同C/N條件下,根據動力學計算可知,硝酸鹽和亞硝酸鹽的去除率遠高于氨氮的去除速率.

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