AOB溶解氧親和力低于NOB條件下序批反應器中NOB淘汰的實現機制

吳 軍,張 悅,徐 婷,嚴 剛 (揚州大學環境科學與工程學院,江蘇 揚州 225000)

AOB溶解氧親和力低于NOB條件下序批反應器中NOB淘汰的實現機制

吳 軍*,張 悅,徐 婷,嚴 剛 (揚州大學環境科學與工程學院,江蘇 揚州 225000)

經精確測定AOB和NOB的溶解氧半速度常數及其他動力學參數,研究在AOB溶解氧親和力低于NOB條件下,在序批反應器中短程硝化實現機制.測得AOB和NOB的溶解氧半速度常數分別為0.46 和0.14mg O2/L.在這種條件下,AOB的最大比生長速率高于NOB是實現短程硝化的重要特點,測得的AOB和NOB最大比生長速率分別為0.65和0.45d-1.兩級硝化數學模擬的結果表明,在AOB的溶解氧親和力低于 NOB條件下,低溶解氧和高泥齡都不利于短程硝化實現,而較高溶解氧和低泥齡的組合條件有利于短程硝化實現.在序批反應中的實驗結果驗證了數學模擬結論的正確性.

短程硝化；數學模擬；溶解氧親和力；污泥齡；溶解氧濃度

氨氮的硝化反應過程是一個兩級反應,如下面反應方程式所示,首先在 AOB (氨氧化菌) 的作用下,NH4+被氧化成NO2-,再在NOB(亞硝酸鹽氧化菌)作用下,被氧化成 NO3-.通過控制反應條件,淘汰 NOB,可以實現短程硝化.具有節省曝氣量和反硝化碳源的優點[1],并且和厭氧氨氧化工藝結合,可以實現全自養菌脫氮,大大減少污泥產量[2].

淘汰NOB一般是通過設定低溶解氧濃度來實現.這種做法的理論依據在于 AOB的溶解氧親和力高于 NOB(也即溶解氧半速度常數KO,NOB＞ KO,AOB);在低溶解氧條件下,NOB的生長更容易被抑制[3].然而目前并沒有統一的證據表明 NOB的溶解氧半速度常數大于 AOB.存在AOB溶解氧親和力低于NOB的情況[4-8],并且也可以實現短程硝化[6,8].因此,僅用溶解氧親和力的理論來解釋短程硝化機理并不完整.因此,本文將針對NOB溶解氧親和力高于AOB的條件下,短程硝化的實現展開研究.通過精確測定KO,AOB、KO,NOB以及其他反應動力學參數,應用兩級硝化過程的數學模型,研究序批反應器中短程硝化的實現機理,并對數學模擬的結果進行實驗驗證.

1 材料與方法

1.1 實驗反應器

應用兩個體積均為 8L的序批反應器(SBR)于:1)培養硝化動力學測定所需的硝化菌; 2) 測定硝化動力學參數;3)對數學模擬所得短程硝化條件進行實驗驗證.

在前期100d的硝化菌培養過程中,兩個序批反應器按照進水30min、反應120min、沉淀60min和30min出水時間安排運行,充水比為50%.采用當地CASS工藝污水廠曝氣池的污泥為接種污泥.進水中包含40mg N/L的氨氮、以NaHCO3形式提供的堿度,另外微量元素的添加參考[9].在曝氣階段,反應器內溶解氧維持在3.0mg O2/L 以上;通過自動滴定0.1M的HCl和NaOH,維持pH值在7.8±0.1.硝化菌培養階段,反應器泥齡控制在 20d,以保證AOB和NOB的生長.

反應器的其它兩項功能見后續方法介紹部分.

1.2 兩級硝化數學模型

通過建立表 1所示的兩級硝化過程數學模型,可以對氨氮的去除和亞硝酸鹽氮的累積過程進行定量界定,主要包括AOB和NOB的生長以及內源呼吸過程.本文主要研究低氨氮濃度下的短程硝化,沒有考慮游離氨和游離亞硝酸(FA和HNO2)對AOB和NOB的生長抑制.模型的固體組分X包括AOB、NOB和惰性物質,溶解性組分S包括溶解氧、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度.

模型的計量學參數主要包括AOB和NOB的產率系數(YAOB和YNOB),微生物的氨氮含量iXB,動力學參數包括AOB和NOB的最大比生長速率(μAOB和μNOB,d-1)、溶解氧半速度常數(KO,AOB和 KO,NOB,mg O2/L)、內源呼吸速率(bAOB和bNOB,d-1)、AOB的氨氮半速度常數KNH(mg N/L)和NOB的亞硝酸鹽氮半速度常數KNO2(mg N/L).模型參數的定義見表5.

表1 硝化過程數學模型矩陣Table 1 Model matrix for the nitrification process

表 1所示的兩級硝化數學模型將應用于SBR反應器的數學模擬.在SBR反應器中,每個周期包含進水、反應、沉淀和出水4個階段.進水、反應、沉淀和出水的總時間分別為 0.5,2,1, 0.5h,每天運行循環次數N為6次.SBR反應器充水比為50%.進水氨氮濃度恒定為40mg N/L.為取得穩定條件下的模擬結果,模型的運行時間為泥齡的50倍.在曝氣階段,SBR反應器內的溶解性組分S和固體組分X的物料平衡公式可以表示為:

rs和rx為根據表2確定的反應速率.反應器中溶解氧設定為定值,在 SBR反應器充水比為50%條件下,、、和固體組分X在每次循環反應階段的起始濃度如下:

1.3 模型參數的測定

本文主要介紹AOB和NOB的溶解氧半速度常數的測定(KO,AOB和 KO,NOB).其他模型參數的測定參考文獻[8].

采用兩個完全一致的序批反應器A和B,將同一批的含AOB和NOB的8L污泥完全混合,均分為 4L的兩份,分別放入兩反應器內,再分別加入同樣的4L NH4+溶液, NH4+的濃度的濃度足夠高,不限制 AOB的生長.在兩反應器內通過維持不同的N2和空氣比例,獲得不同的溶解氧濃度SO1和 SO2.另外維持 N2和空氣總流量相同,以保持相同的混合強度.通過這些操作,可以在兩反應器保證除溶解氧以外的所有條件都相同,提高了測試的精確性.

每隔10min,測定反應器中NH4+的濃度,來測定其去除速率 (dNH4+/dt).根據莫諾特公式, 反應器A中的氨氮去除速率dNH4+/dt可以表示為

由于反應器A和反應器B中的微生物濃度和特征相同,因此可以采用與反應器 A相同的來計算反應器B中的氨氮去除速率:

將公式(7)和(8)結合,可得公式(9)

式(9)中兩反應器的氨氮去除速率為實際測定,溶解氧濃度為設定的已知值,通過求解式(9)方程,就可以得到AOB的溶解氧半速度常數KO,AOB.

用同樣的方法,在兩反應器中加入 NO2-,通過求解式(10)方程,就可以得到NOB的溶解氧半速度常數KO,NOB

理論上來說,只需要在反應器A和B中設計一組溶解氧組合(SO1和SO2)實驗,就可以測定 KO,AOB(KO,NOB).為提高測定準確性,反應器A的溶解氧設定為2.5,3,4,5mg/L的4種濃度,反應器B的溶解氧設定為0.6、0.8和1.5mg/L的3種濃度.這樣就可以產生12種溶解氧組合,分別用于KO,AOB和KO,NOB的測定,每種組合的測定重復3次.

1.4 模擬結果的實驗驗證

表2 驗證數學模擬結論的兩種實驗工況A和BTable 2 Experimental conditions A and B used for model verification

據數學模擬的結果,得出在溶解氧親和力AOB低于NOB時,短程硝化的優化操作條件,如DO濃度、SRT、HRT和氨氮負荷等,對數學模擬結果進行驗證設計如表2所示,A、B兩種工況,取用于前述動力學參數測定的硝化菌作為接種污泥,分別在兩種序批反應器內對數學模擬的結論進行實驗驗證.測定兩種工況條件下的NO2-累積情況.除表2所列條件外,兩序批反應器序批反應器內的其它條件與數學模擬的應用條件相同.NO2

-、NO3-、NH4+的測定采用標準方法[10].溶解氧的測定采用哈希LDO溶解氧探頭測定.

2 結果與討論

2.1 模型參數的測定結果

圖1 (a)為0.8和4mg O2/L 組合條件下計算KO,AOB的一個示例;圖1 (b)為0.6 和5mg O2/L組合條件下計算KO,NOB的一個示例.在4mg O2/L溶解氧濃度條件下,NH4+的去除曲線要比 0.8mg O2/L溶解氧的去除曲線陡很多,而在0.6和5mg O2/L溶解氧條件下,NO2-的去除曲線卻比較相似.說明在本次實驗中,NH4+的去除要比 NO2-的去除更容易受到溶解氧濃度的影響.即 AOB的溶解氧半速度常數要比 NOB大.利用式(9)和(10),可以分別算出KO,AOB和KO,NOB.

圖1和在不同溶解氧濃度下的去除Fig.1 The removal ofandunder different DO concentration

表3 利用不同溶解氧組合測定的KOAOB(A和B分別為兩反應器中的溶解氧濃度mg O2/L)Table 3 KO,AOBmeasured under different combination of DO concentration

表 3和表 4為不同溶解氧濃度組合條件下測定的KO,AOB,KO,NOB值及其標準偏差.可以看到KO,AOB要低于KO,NOB,這與文獻[5-8]的測定結果相符.測定結果表明 NOB對溶解氧的親和力要比 AOB大.在這種條件下,降低溶解氧對AOB的抑制要大于NOB,對實現短程硝化不利.

表4 利用不同溶解氧組合測定的KO,NOB(A和B分別為兩反應器中的溶解氧濃度mg O2/L)Table 4 KO,NOBmeasured under different combination of DO concentration

另外,與文獻[6,8]測定結果相比,本文中測定KO,AOB和 KO,NOB值都較低.這是因為生物固體的底物半速度常數不但會受到微生物的本質特征的影響,也會受物理擴散阻力的影響.不同微生物絮體尺寸具有不同的擴散阻力,因此一般測定半速度常數都是其“表觀”值.在本文中,用于測定半速度常數的兩反應器總微生物起始狀態完全相同,具有相同的擴散阻力,因此擴散阻力對測定效果的影響可以排除.測定結果也更能夠反應微生物本身的溶解氧半速度常數.

表5 硝化模型的動力學和計量學參數值Table 5 The parameter values used for the nitrification model

其他模型參數的測定結果見表 5,注意到μAOB要比μNOB高,這可能是SBR反應器中硝化污泥的一個重要特征,在 SBR反應器中,特別是在反應的起始階段,AOB處于較高的NH4+底物濃度環境,有利于快速生長的AOB,如Nitrosomonas等(一般稱為r-策略AOB菌)的生長[12-13].在AOB溶解氧親和力低于NOB的條件下,AOB的最大比生長速率高于NOB是實現短程硝化的重要條件.通過對各參數的精確界定,可以對兩級硝化過程進行定量分析.

2.2 兩級硝化模擬結果

應用兩級硝化數學模型和表 5所列的模型參數,可以對序批反應器中的硝化過程進行數學模擬.圖 2為不同溶解氧(DO)條件下,泥齡(SRT)對AOB和NOB濃度、氨氮去除率和短程硝化率的影響的數學模擬結果.短程硝化率定義為產生的NO2

-占 NO2

-與 NO3

-和的百分比.在較低溶解氧(0.6mg O2/L)條件下(圖 2(a,b)),當泥齡低于5.d時,AOB和NOB的濃度較低,氨氮去除率也很低,此時短程硝化較高,但是由于氨氮去除率極低,不能滿足應用要求.在泥齡高于 6d時,AOB和NOB濃度同步增加,此時氨氮去除率提高,而短程硝化率卻下降較多.整個泥齡范圍內,不存在同時具備較高氨氮去除率和短程硝化率的泥齡.此數學模擬的結果表明,在 AOB溶解氧親和力低于 NOB的條件下,低溶解氧的方式并不是短程硝化的合適條件.

當溶解氧為1.5,5mg O2/L時(圖2(c, d, e, f)),提高泥齡后, AOB濃度有較大提高,但是NOB濃度增加卻在泥齡為3～5d的范圍(圖2(c, e))表現滯后.當泥齡為 5,4.5d左右時,分別可以在溶解氧為1.5和5mg O2/L時,同時取得較高的氨氮去除率和短程硝化率(圖2(d, f)).此數學模擬的結果表明,在AOB溶解氧親和力低于NOB條件下,可以通過應用較高的溶解氧濃度,并且在較低的泥齡條件下,在序批反應器中實現短程硝化.此結論與 Regmi等[6]在連續流反應器中的研究相符,當測定 AOB和NOB溶解氧半速度常數分別為1.16和0.16mg O2/L時,該作者在溶解氧為1.5mg O2/L和污泥齡為4～8d條件下,在連續流反應器中實現短程硝化.

圖2 不同溶解氧(DO)條件下,泥齡(SRT)對AOB和NOB濃度(a, c, e)、氨氮去除率和短程硝化率(b, d, f)影響的數學模擬Fig.2 The impact of SRT on AOB and NOB concentration (a, c, e)、ammonium removal rate and partial nitrification rate

圖3 不同泥齡(SRT)條件下,溶解氧(DO)對AOB和NOB濃度(a, c)、氨氮去除率和短程硝化率(b, d)影響的數學模擬Fig.3 The impact of DO on AOB and NOB concentration (a, c)、ammonium removal rate and partial nitrification rate (b, d) under different SRT from simulation results

本文數學模擬得出的低泥齡和較高溶解氧的短程硝化實現條件,和 SHARON反應器類似

[12,14],在SHARON反應器中,在SRT=1d的低泥齡條件下運行,并且 AOB的最大生長速率要高于 NOB,屬于生長較快的 r-策略 AOB (Nitrosomonas)[15-16].在本文中,測得的AOB的最大生長速率同樣高于NOB,是在短泥齡條件下實現短程硝化的重要條件

圖 3為不同泥齡(SRT)條件下,溶解氧(DO)對AOB和NOB濃度、氨氮去除率和短程硝化率的影響的數學模擬結果.在低泥齡(SRT=5d)時,在溶解氧濃度1.2～1.5mg O2/L的范圍內,可以同時取得較高的氨氮去除率和短程硝化率.而在較高泥齡(SRT=10d)時,在整個溶解氧范圍內,AOB和 NOB的濃度和溶解氧濃度無關,并且都能完全去除氨氮,短程硝化率接近為 0.此數學模擬的結果表明,在AOB溶解氧親和力低于NOB時,采用高泥齡對實現短程硝化不利[17].

2.3 對數學模擬的實驗驗證

圖2和圖3的數學模擬結果表明,在AOB溶解氧親和力低于 NOB時,低溶解氧和高泥齡都不利于實現短程硝化,而低泥齡和高溶解氧的組合對實現短程硝化有利.為驗證此數學模擬的結論,采用表2所示的兩種工況進行實驗驗證.由圖4(a)可見,在低泥齡(SRT=5d)和較高溶解氧(DO = 1.5mg O2/L)條件下,出水氨氮濃度逐漸下降,經過將近40d(8倍泥齡)的運行,實現了將近85%的亞硝酸鹽氮累積率,另外后續穩定運行時間約為 8倍泥齡.在高泥齡(SRT=15d)和較低溶解氧(DO = 0.6mg O2/L)條件下,出水氨氮濃度迅速下降,除在反應起始20d內有少量NO2-累積之外,氨氮被完全轉化為NO3-.圖4的實驗結果,驗證了數學模擬的結論.表明數學模型是研究短程硝化的重要工具,并且提供優化的運行條件[18-20].

圖4 (a) SRT=5d,DO=1.5mgO2/L條件下的實驗出水、和濃度;(b) SRT=15d, DO=0.6mgO2/L條件下的實驗出水、和濃度Fig.4 (a) The effluent concentration of,andunder SRT =5d,DO=1.5mgO2/L. (b) The effluent concentration of,andunder SRT =15d, DO=0.6mgO2/L

3 結論

3.1 本實驗測得 AOB的溶解氧親和力要比NOB 低,在這種條件下,AOB的最大比生長速率高于NOB是實現短程硝化的重要條件.

3.2 兩級硝化數學模擬的結果表明,在AOB的溶解氧親和力低于 NOB條件下,低溶解氧和高泥齡都不利于短程硝化實現,而較高溶解氧和低泥齡組合有利于短程硝化實現.

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Mechanisms of partial nitrification in sequencing batch reactor under the condition of AOB oxygen affinity lower than NOB.

WU Jun*, ZHANG Yue, XU Ting, YAN Gang (School of Environmental Engineering and science, Yangzhou University, Jiangsu, Yangzhou, 225000). China Environmental Science, 2016,36(12)：3583～3590

The mechanisms of partial nitrification in sequencing batch reactor was studied under the condition of AOB oxygen affinity lower than NOB by calibrating the kinetic parameters of nitrification accurately. The measured DO half saturation constants for AOB and NOB were 0.46 and 0.14mg O2/L respectively. Under the condition, the higher AOB specific growth rate than NOB was an important feature for achieving partial nitrification. The AOB and NOB specific growth rates were measured at 0.65 and 0.45 d-1respectively. The two-step nitrification model simulation indicated that the low DO and high SRT (sludge retention time) conditions were detrimental for achieving partial nitrification, which could be more readily achieved under the combined condition of relative high DO and low SRT. The experimental result verified the simulation results.

partial nitrification；mathematical simulation；oxygen affinity；sludge retention time；dissolved oxygen concentration

X703.1

A

1000-6923(2016)12-3583-08

吳 軍(1979-),男,江蘇靖江人,副教授,博士,主要從事污水生物處理與資源化研究.發表論文20篇.

2016-05-03

國家自然科學基金資助項目(51478410);揚州大學高端人才項目

* 責任作者, 副教授, j.wu@yzu.edu.cn