集成模塊系統同步硝化反硝化處理低碳氮比污水的試驗

鄧時海,李德生,盧陽陽,曾琪靜 (北京交通大學土建學院,北京 100044)

集成模塊系統同步硝化反硝化處理低碳氮比污水的試驗

鄧時海,李德生*,盧陽陽,曾琪靜 (北京交通大學土建學院,北京 100044)

以模擬低 C/N比污水為研究對象,采用集成模塊式污水處理裝置與技術,在反應器主反應區實現了同步硝化反硝化(SND),研究了在不同 DO、HRT、C/N比、pH值下污水氨氮、總氮的去除,研究結果表明,DO=1.2～1.4mg/L,總 HRT=20h(主反應區 HRT=8h),原水C/N=5:1,pH=7.5時,NH3--N可以從15mg/L降至2.5mg/L,總氮可以從20mg/L降至4mg/L,去除率可以達到83%和80%;主反應區SND動力學模型求解得出集成模塊式污水處理SND動力學方程及反硝化過程中硝酸鹽氮飽和常數 KNO?3?N=1.55mg/L,遠高于普通活性污泥反硝化過程中的飽和常數0.06～0.2mg/L.集成模塊式污水處理技術能高效去除低C/N比污水中的總氮,且具有運行穩定和抗沖擊等優點.為中小城鎮生活污水深度脫氮提供了技術支持和理論基礎.

集成模塊式污水處理裝置；同步硝化反硝化(SND)；低碳氮比(C/N)污水；深度脫氮；動力學模型求解

隨著我國農村城鎮化建設進程的加快,農村居民聚居點發生很大變化[1-2].由于居民環保意識不強、排水系統和污水處理系統不完善,導致大多中小城鎮生活污水和企業工業廢水直接排入水體,引發大量環境問題[2].中小城鎮污水具有點多、面廣、量小、分散、碳氮比(C/N)低等特征[2-3],直接采用城市污水處理系統在經濟上和技術上均不可行.

為適應中小城鎮污水水量小的特點,小型化污水處理技術不斷出現,其中以膜生物反應器、曝氣生物濾池、升流式污泥厭氧床為主.小型化工藝能高效去除污水中有機污染物的、部分地脫氮除磷,同時減小了征地面積,減少了處理設施數量和運行人員數量,降低了中小城鎮污水處理成本,在中小城鎮水處理上取得了一定效果[2-3].但對于低C/N比小水量污水,已有小型化設備仍存在碳源不足、污泥濃度低、抗沖擊負荷能力差等問題,難以實現高效深度脫氮[3-7].

本研究針對中小城鎮污水低 C/N比、水量小的特征,開發出“集成模塊式污水處理技術及裝置”[8].該系統將好氧、缺氧(厭氧)進行技術集成使污水始終處在一個好氧、缺氧(厭氧)交替的環境中,原水在進入系統時合理分配,并在整個系統中不斷循環,使碳源在整個反應器中合理分配,避免了脫氮過程中碳源不足,同時該系統實現了同步硝化反硝化,進一步提高了碳源的利用效率

[9-11],實現了污水脫氮的一體化,達到在無外加碳源條件下低C/N比污水高效深度脫氮的目的.通過對該技術同步硝化反硝化脫氮機理分析和研究,為小水量低C/N比污水的深度脫氮提供技術依據.

1 材料與方法

1.1 試驗用水及水質

本試驗采用人工配置模擬廢水,以乙酸鈉為碳源,氯化銨和硝酸鉀為氮源,磷酸氫二鉀為磷源.進水COD濃度及氮化合物濃度根據不同試驗設計要求進行配制,試驗原水 CODCr、NH4+-H、NO3

--N、TN 為(40～200),(15±2),(5±1),(20±3) mg/L, pH值為7.1±0.1.為保證所培養的微生物生長、繁殖需要,每1L水中加入1mL微量元素溶液[13],各微量元素濃度組成見表1.

表1 微量元素成分(g)Table 1 Trace elements in the solvent (g)

1.2 試驗裝置

本研究試驗裝置采用集成模塊式污水處理設備[8],如圖1所示.該反應器由有機玻璃制成,設備總容積為 120L,有效容積為 100L,主反應區有效容積40L.反應器分上下兩部分,上部為同心圓,從內向外依次為主反應區、導流區和泥水分流區,下部的錐形結構便于污泥的收集和排放.在主反應區與泥水分離區分別裝填集較強吸附性與生物親和性特征于一體的碳纖維復合聚氨酯生物活性載體,該載體通過在聚氨酯泡沫發泡過程中添加改性活性碳纖維和微生物培養基制備而成,尺寸2cm×2cm×2cm,堆積密度28kg/m3,比表面積2100m2/m3,孔隙率98%.

集成模塊式污水處理設備為機械強化污水提升循環式,與國內普通一體化裝置的不同點是其混合區和好氧反應室合二為一,污水從內圈中下部的圓環形配水槽沿切線方向進入主反應區,在機械攪拌提升和曝氣的共同作用下,污水、空氣與回流污泥在主反應室迅速均勻混合,充分接觸傳質,同時菌膠團在氣、水的沖擊下,不斷破碎、分裂、更新與擴大傳質表面,獲取新的氧源和碳源,進行高效的生物降解.污水經過主反應區后通過狹縮的導流區,脫氣后進入泥水分離區,泥水分離區生物填料阻擋污泥,保證了出水水質,避免了污泥流失,同時該區為厭氧環境,可進行反硝化降低出水硝酸鹽氮濃度,進一步脫氮.完成泥水分離后,出水溢流入集水槽排出.另一部分混合液由泥水分離區底部進入下部錐形結構,大部分污泥在主反應區底部被機械攪拌循環提升,少部分污泥經過沉降后由反應器底部的排泥管定期排出.

集成模塊式污水處理設備曝氣沉淀一體的形式避免了另建二沉池和污泥回流系統,同時保證了系統的污泥濃度.設備底部傾斜底板保證了污泥的下滑和濃縮,同時與下部曝氣區構成一個與水流循環對流形狀相吻合的空間,避免了死角的產生,可有效防止污泥膨脹.設備底部圓臺型設計,池深較大,通過縱向曝氣和機械提升攪拌使水流在池中池體中構成水流的循環,保證了氣、水、污泥的三相傳質效率,設備采用中部進水,碳源合理分配,可提高系統碳源利用效率,可改善低碳氮比污水中碳源不足的問題.該設備不受池型及處理量大小制約,僅需調節曝氣量和機械攪拌強度,同時其池型可不受地形條件限制,可為地面式、地下式或半地下式,對中小城鎮分散、不同水量污水適應性強.集成模塊式污水處理設備內的生物填料對污水有吸附過濾作用,同時為活性污泥提供了良好的附著場所,形成生物膜,使細菌的分解功能得到加強,提高了系統對不同水質污水的適應性.

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.3 水質指標分析及方法

主要污水水質指標及測定分析方法參照《水和廢水監測分析方法》[13],TN采用過硫酸鉀分光光度法,氨氮(NH4+-N)采用納氏試劑光度法, NO3--N 采用酚二磺酸光度法,NO2--N 采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,SS采用重量法,DO和溫度采用YSI便攜式溶解氧儀進行檢測,pH值、ORP分別采用WTW和HANA電極進行檢測.試驗過程中主要分析儀器為紫外-可見分光光度計(UV 2102C, UNICO company; USA)、TN快速測定儀[5B-3BN (V8), Lian-hua Tech. Co. Ltd; China]、CODCr快速分析儀[5B-3C(V7), Lian-hua Tech. Co. Ltd; China].試驗藥品均為分析純,測定過程用水均為去離子水.

2 結果與討論

2.1 DO對集成模塊裝置SND脫氮效果的影響

根據中小城鎮生活污水低C/N比的特點,控制進水中的CODCr濃度100mg/L,NH4+-N濃度15mg/L,NO3--N濃度5mg/L,C/N為5:1,試驗配水氮源均為無機氮.反應器在常溫條件下以連續進水的方式運行,通過調節曝氣量分別控制主反應區溶解氧濃度在<0.5,0.6～0.8mg/L,0.9～1.1mg/L, 1.2～1.4mg/L,1.5～1.7mg/L,>2mg/L,進水流量4L/h,主反應區停留時間為10h,總水力停留時間為25h,利用接種培訓馴化法培養出處理污水的微生物群落,通過控制溶解氧濃度、碳源的供給和機械循環周期在反應器主反應區內實現同步硝化反硝化.變換運行參數并每天對 COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、pH值、DO進行監測,待每一參數運行穩定以后再監測3d.觀察溶解氧濃度對同步硝化反硝化的影響,結果見圖2.

由圖2可見,COD、NH4+-N、TN在主反應區就已達到出水濃度,實現了脫氮,表明該處理系統在主反應區實現了同步硝化反硝化.當 DO<0.5,0.5～0.7,0.8～1.1,>1.2mg/L 時,氨氮去除率分別達到34.97%、47.21%、62.5%和>83%,表明在該反應器中DO濃度對硝化效率影響較大.當DO>1.2mg/L時,溶解氧系統中的DO充足,DO對生物絮體的穿透力增強促進硝化反應[14],氨氮濃度降至3.0mg/L以下.

圖 2(c)表明該系統中出水 NO2--N 低于0.3mg/L,未實現NO2--N積累,可忽略短程硝化反硝化反應.由圖 2(d)可知,當 DO<0.5,0.5～0.7, 0.8～1.1mg/L,出水 TN 濃度分別為 10.1,7.41, 7.33mg/L,平均去除率為 48.28%、62.06%和64.19%. DO較低時,主反應區易形成缺氧環境,反硝化效率提高,NO3--N去除較徹底,因而此時出水TN的組成以氨氮為主;DO控制在1.2～1.4, 1.5～1.7mg/L范圍內時,TN的出水平均去除率達73.39%和 79.31%,出水 TN平均濃度為 5.24, 4.04mg/L;DO增加到2mg/L以上時,TN的出水平均去除率僅為 34.41%,出水 TN平均濃度為12.81mg/L,TN的組成以NO3--N為主,分析原因是,DO濃度高硝化細菌活性高,硝化能力強,氨氮基本全部去除,去除率在 97%以上,同時,氧分子在生物膜內傳質推動力增大,使系統內好氧區體積增大,缺氧區的體積受到壓縮,反硝化細菌受到抑制.故該系統最適DO為1.2～1.4mg/L.

圖2 DO對集成裝置SND脫氮效果的影響Fig.2 Effect of DO on SND in the integrated device

2.2 HRT對集成模塊裝置SND脫氮效果的影響

計算設計反應器停留時間 HRT分別為 50, 25,20,12.5h,相應主反應區停留時間為20,10,8,5h,進水流量分別為 2,4,5,8L/h.將 DO控制在 1.2～1.4mg/L,考察不同HRT下,反應器對于低C/N比生活污水SND脫氮效率影響情況.模擬污水中的COD=100mg/L,NH4+-N=15mg/L,NO3--N=5mg/L.試驗結果如圖3所示.

由圖3(a)可知,COD去除率隨HRT的縮短而降低,HRT為 12.5h時 COD的去除率僅為63.94%,HRT由20h增至50h時,COD去除率穩定在 90%～95%且增加不明顯,分析原因是試驗中以易降解的乙酸鈉為碳源,適當延長HRT可使微生物與營養物質充分擴散、接觸并降解, HRT=20h時碳源已基本耗盡,繼續延長水力停留時間去除率不再增加;在相同條件下 HRT對NH4+-N的去除率如圖3(b),當氨氮進水濃度一定時,NH4+-N的去除率隨HRT延長去除率增加,當HRT為20h時,出水NH4+-N濃度為2.52mg/L,去除率達到 85%,已能滿足排污標準;在一定HRT范圍內,TN的去除率隨著HRT的延長而升高,當HRT>25h時出水TN濃度升高,分析原因是,隨著HRT的增大, NH4+-N與生物膜有足夠的接觸時間被徹底氧化,NO3--N進入生物膜內部缺氧區進行反硝化從而脫氮,而當 HRT過高時,大量有機物消耗造成碳源不足,甚至導致生物膜死亡脫落

[15-16],生物降解效率大幅下降.當 HRT> 20h時,TN去除率大于 78%,出水 TN濃度為2.78～4.03mg/L.因此在集成模塊式反應器中, HRT=20h為最佳運行狀態.

圖3 HRT對集成裝置SND脫氮效果的影響Fig.3 Effect of HRT on SND in the integrated device

2.3 C/N對集成模塊裝置SND脫氮效果的影響

為考察C/N比對集成系統SND脫氮的影響,試驗保持進水TN值(NH4+-N=15mg/L,NO3--N= 5mg/L)不變,主反應區 HRT=2h,DO=1.2～1.4mg/L,通過改變進水的 COD濃度分別控制C/N=10:1、7:1、5:1、3:1和1:1,如圖4所示.由圖4可見,隨著C/N比的增加,出水COD濃度都在 30mg/L以下,COD均>85%;當 DO為 1.4～1.6mg/L時,隨著C/N的增加,NH4+-N的去除率逐漸降低,C/N比由2增至7時,NH4+-N去除率由90%下降至77.20%,C/N比增至10時, NH4+-N平均去除率僅為67.99%,對應出水NH4+-N濃度為5.06mg/L;由圖4(c)可知,TN去除率先隨C/N比的升高而逐漸提高,而當C/N>7時TN去除率明顯下降,不同C/N比條件下TN的平均去除率分別為44.93%、80.75%、82.86%和63.5%.

圖4 C/N對集成裝置SND脫氮效果的影響Fig.4 Effect of C/N on SND in the integrated device

傳統污水處理技術進水C/N比(COD/TN)大于6～7時,則認為碳源充足,能滿足生物脫氮的需求,無需額外添加碳源[17-18],C/N>6時則影響系統脫氮.發生反硝化反應的兩個前提條件是生物膜內缺氧區的形成和基質(電子供體和硝態氮)的獲得[19],當進水有機物不足時,電子供體為硝態氮還原提供足夠電子,無法保證反硝化的徹底進行,同時低 COD導致有機物擴散作用減弱,無法為生物膜內部的反硝化菌提供足夠的碳源,導致出水TN以硝酸鹽氮為主.此外,碳源不足時好氧區異養菌對氧氣的消耗減小,大量的剩余氧氣具有更強的穿透能力,導致系統中缺氧區壓縮而不利于反硝化的進行.而當C/N過高時,異養微生物活躍,硝化菌爭奪氧氣而抑制硝化作用的進行[20-21],導致 TN 去除率降低,此時 TN 主要為NH3--N.因此,在集成模塊式污水處理設備中實現同步硝化反硝化,通過控制 DO濃度在系統內形成適量的好氧生物膜層和缺氧生物膜層,同時使碳源在系統內合理分配,減少異養菌對碳源的消耗,提高反硝化菌比例,從而達到低C/N比污水SND高效脫氮.結果表明,該集成系統最佳C/N比為5:1.

2.4 進水pH對集成裝置SND脫氮效果的影響

為考察 pH值對集成模塊式處理系統 SND脫氮的影響,控制 DO=1.4～1.6mg/L,進水流量5L/h, HRT=20h,C/N=5,利用H2SO4和NaOH分別調節進水pH值為6、7、8和9.

由圖5可見, pH值為7～8時氨氮去除率為81.2%～86.62%,TN去除率在72.93%～76.24%;當pH值為6時,去除率下降至55.01%,TN去除率降至44.18%;pH值為9時,氨氮去除率為67.62%, TN去除率為64.18%.分析其原因,氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的適宜 pH值分別為 7.0～8.0和6.5～7.5,反硝化菌最適宜的pH值是7.0～8.5[22],當不在最佳pH值的范圍時,氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和反硝化菌的活性受到抑制,導致處理效率下降.故該集成系統SND最佳pH值為7.5.

圖5 pH值對集成裝置SND脫氮效果的影響Fig.5 Effect of pH on SND in the integrated device

2.5 集成模塊式SND動力學模型及求解

依據氨氧化菌和硝化菌比增長速率 Monod方程、反硝化過程中的反硝化菌的增殖速率和底物去除Monod方程[23],同時根據假設忽略系統中硝化和反硝化過程中的同化作用, 推導得集成模塊式SND動力學模型:

式中:

C為濃度,mg/L;K為飽和常數,mg/L;DO為溶解氧濃度,mg/L;Y為產率系數,gVSS/gNH4+-N;μ為細菌比增長速率,h-1;P、Q均為方程(1)中動力學常數.

設反應器的反應區有效體積為 V,進、出水流量為q, NH4+-N反應速率為r(N),通過建立反應器內氮轉化的物料衡算方程,利用反應器進、出水氨氮和硝酸鹽氮連續監測數據,作圖并進行線性回歸,求解得 P=0.488,Q=0.379, KNO3??N= 1.55.將動力學常數 P、Q和 KNO?3?N代入式(1)可得集成模塊式SND動力學方程:

集成模塊式SND系統反硝化過程中硝酸鹽氮飽和常數 KNO?3?N為 1.55,遠高于單級活性污泥反硝化過程中的飽和常數 0.06～0.2mg/L[23].SND的實現主要依賴于好氧/缺氧的微環境,同時反硝化過程為速控步驟,而 KNO?3?N的大小表示硝酸鹽氮在反硝化過程中的傳質效率及反硝化微生物的還原效率.因此,集成模塊式污水處理設備SND脫氮效率高,適于低C/N污水的深度脫氮.

4 結論

4.1 由主反應區、泥水分離區、導流區等集成的SND模塊式污水處理系統結構設計合理.

4.2 集成模塊式污水處理裝置同步硝化反硝化脫氮,處理效果受DO、HRT、C/N和pH值影響顯著,主反應區溶解氧濃度及原水碳氮比對同步硝化反硝化的實現及深度脫氮效率的保證尤為重要,在主反應區DO=1.2～1.4mg/L,總HRT=20h (主反應區HRT=8h),原水C/N=5:1,pH=7.5時,氨氮可以從 15mg/L降至 2.5mg/L,總氮可以從20mg/L降至4mg/L,去除率可以達到83%和80%以上.

4.4 集成模塊式污水處理技術及裝置可實現低C/N比、小水量污水的深度脫氮,為中小城鎮生活污水深度脫氮提供了技術支持和理論依據.

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Performance characteristics of simultaneous nitrification and denitrification (SND) for low carbon to nitrogen (C/N) ratio wastewater in an integrated device.

DENG Shi-hai, LI De-sheng*, LU Yang-yang, ZENG Qi-jing

Ammonia and total nitrogen (TN) removal efficiencies of SND in an integrated device and its influence factors, such as DO concentration, HRT, C/N ratio, influent pH, etc., were studied and analyzed. Dynamic model of SND in the system was established and solved. The results showed that total nitrogen was decreased to 4mg/L from 20mg/L (80%), ammonia to 2.5mg/L from 15mg/L (83%) by the SND in the integrated device at conditions of DO 1.2～1.4mg/L, HRT 20h (8h in the first reaction zone), C/N ratio 5:1, influent pH 7.5.KNO3??N1.55, which was well above that of traditional active sludge process (0.2～0.5mg/L), was obtained by solving dynamic model of SND in the system. The results indicated that nitrogen in low C/N ratio wastewater could be efficiently removed by this technology. The integrated wastewater treatment technology was of operation stability and the ability to resist shock loading, and could be a basis for advanced nitrogen removal of low C/N ratio small discharge from small town.

integrated wastewater treatment device；simultaneous nitrification and denitrification (SND)；low C/N ratio wastewater；deep denitrogen；dynamic model solving

X703

A

1000-6923(2014)09-2259-07(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2259～2265

鄧時海(1989-),男,四川資陽人,北京交通大學博士研究生,主要從事水污染控制理論與技術研究.發表論文4篇.

2014-01-03

國家自然科學基金項目(51278034);鐵道部科技研究開發計劃項目(2011Z003-A,2010Z003-B)

* 責任作者, 教授, dsli@bjtu.edu.cn