環境溫度下SBR實現穩定部分亞硝化研究

張 敏,姜 瀅,溫婧玉,汪瑤琪,陳重軍,2,3,4*,沈耀良,2,3

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環境溫度下SBR實現穩定部分亞硝化研究

張 敏1,姜 瀅1,溫婧玉1,汪瑤琪1,陳重軍1,2,3,4*,沈耀良1,2,3

(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215009；2.江蘇省水處理技術與材料協同創新中心,江蘇 蘇州 215009；3.江蘇省環境科學與工程重點實驗室,江蘇 蘇州 215009；4.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

采用SBR反應器建立了一套通過特定pH終值調控曝氣停止點,以實現穩定部分亞硝化的策略,整個運行過程分為3個階段,階段Ⅰ啟動亞硝化,階段Ⅱ在穩定亞硝化的同時探索pH終值的設定規律,階段Ⅲ采用pH終值設定規律實現穩定部分亞硝化,通過跨越夏、冬季(7~35℃)共148d的運行,考察SBR系統內有機物、氮素的轉化規律,并分析不同溫度(23、18、13℃)對部分亞硝化反應過程的影響.結果表明,在低DO(0.2~0.4mg/L)和MLSS為4000mg/L的條件下,控制pH終值為(7.73±0.02),使出水FA在0.5~1.2mg/L,可穩定部分亞硝化期間的出水NO2－-N/NH4＋-N值在1~1.4之間,出水亞硝積累率(NAR)維持在85%以上,有機物去除率在60%以上.比氨氧化速率、比亞硝態氮氧化速率、比COD去除速率均隨溫度下降而降低,但降低趨勢較緩,且反應均能穩定完成.

環境溫度；部分亞硝化；控制策略；pH終值

實現部分亞硝化是厭氧氨氧化(Anammox)過程必須的前提反應,是指在短程硝化的基礎上,控制進水NH4+-N的轉化率使出水NO2--N/NH4+-N比值滿足1~1.32,以適應Anammox的過程[1].然而,在實際應用中因為溫度等環境因素的影響難以維持穩定的部分亞硝化,成為Anammox實際應用的瓶頸之一.SBR反應器常作為實現部分亞硝化的首選反應器,其獨特的間歇運行方式有利于功能菌氨氧化菌(AOB)的富集和競爭菌亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的淘洗,同時自動化實時控制SBR反應器為部分亞硝化的實現提供了保障[2],調控參數包括溶解氧(DO)[3-5]、pH值[6]、游離氨(FA)[7]、堿度[8]、水力停留時間(HRT)[9],具有較強的靈活性、適應性及準確性.然而單因素實時控制很難長久維持穩定的部分亞硝化.另外,溫度是影響部分亞硝化維持穩定的重要因素之一,AOB適宜生長溫度是20~35℃[10],但在工程應用中溫度波動較大,環境溫度的不穩定對AOB活性和出水基質比有破壞性影響.因此,在單因素控制條件及環境溫度中實現穩定部分亞硝化,對Anammox的推廣應用具有重要意義.

對于部分亞硝化,大多數研究都基于亞硝化來實現.在過程控制參數中,pH值的控制具有簡單方便的特點而被廣泛應用.SBR系統開始曝氣時先進行除碳反應,異養微生物對有機底物的分解代謝和合成代謝形成的CO2被吹脫出,pH值不斷上升,至頂點后由于硝化過程產出H+而不斷下降,當氨氧化結束后pH值出現最低點——“氨谷點”,故pH值曲線最高點和最低點可用于判斷硝化反硝化終點,而pH值一階[11]或二階[12]微分信號(dpH/d、d2pH/d2)常用于維持短程硝化、短程硝化反硝化的穩定[3].然而目前對在環境溫度波動下運用簡易的控制方法實現穩定部分亞硝化的研究尚少,因此,本研究選用pH終值(反應過程中pH值指示特征點而設置的“停曝點”,既控制反應結束點以達到目標出水,還可防止過度曝氣為NOB氧化NO2--N成NO3--N提供條件)作為單因子間接控制參數,通過pH值的變化判斷反應進程,從而確定環境溫度下實現部分亞硝化長期穩定的控制策略和脫氮除碳性能,以期為Anammox在常、低溫環境下的實際應用提供理論基礎和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 接種污泥及進水水質

接種污泥取自蘇州某城市生活污水處理廠曝氣池硝化污泥,其污泥濃度(MLSS)為4000mg/L, MLVSS/MLSS為65%,接種量為2.5L.污水采用人工配水,進水水質指標如表1所示.

表1 進水水質

1.2 試驗裝置及運行方式

圖1 反應器裝置示意圖

圖2 SBR系統實時控制策略流程

采用的SBR反應器由有機玻璃制成,如圖1所示.反應器為圓柱形,直徑15cm,高45cm,有效容積為6.2L,H/D=3,排水比為50%,側壁設間隔為7.5cm的3個取樣口,用以取水或取泥;以曝氣砂頭作為微孔曝氣,采用鼓風曝氣,轉子流量計調節DO濃度為0.2~0.4mg/L;反應器放置室溫條件下進行,監測反應過程中的pH值和DO.

SBR反應周期分為進水、曝氣、沉淀、排水、排泥5個階段,其中,進水5min,曝氣實時控制,沉淀40min,排水3min,排泥2min,反應期間系統每隔1min讀取一次pH信號值,運行模式如圖2所示.該過程中,設置5個時間變量15,單位為min,系統啟動后,進水泵開啟,經過時間1后,進水停止,開始曝氣反應階段;曝氣開始后先經過屏蔽時間2,屏蔽在線pH儀中繼器連接口的觸點吸合,阻止自動停止曝氣;到達屏蔽時間2后,根據在線pH儀監測的pH值判斷是否停止曝氣,當檢測到的pH值低于或等于設定的pH值,連接在線pH儀的中繼器觸點會吸合導致斷電,以控制停曝點,并進入下一工序;沉淀、排水、排泥階段分別通過時間3、4和5來控制,排泥時間t后自動重復整套反應.

研究過程由2017年8月9日~2018年1月23日,共計148d,跨越夏季和冬季,反應器水溫由35℃逐步下降為7℃,SBR工藝運行工況見表2.部分亞硝化的實現過程分3個階段:階段Ⅰ采用提高反應結束剩余FA濃度的方法將pH終值設定在“氨谷點”前實現亞硝化的快速啟動;階段Ⅱ期間確定溫度變化下pH終值的設定規律及FA對AOB、NOB的抑制閾值;階段Ⅲ,直接設定能實現目標出水NO2--N/NH4+-N的pH終值,利用上一階段確定的pH值設定規律及FA濃度閾值完成對系統在環境溫度下的調控.

表2 SBR各階段運行參數

1.3 分析方法

每天采集反應器進出水水樣,測定項目主要包括NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、MLSS、MLVSS. NH4+-N:納氏試劑分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:紫外分光光度法;COD:快速消解-分光光度法; MLSS、MLVSS:重量法測定[13]. DO測定采用HACH便攜式溶氧儀,pH值測定采用JENCO在線pH計.

為了分析不同溫度下典型周期內各污染物的降解情況,分別在不同溫度(23、18、13℃)下做批次實驗,周期內間隔10min取樣,檢測三氮濃度、COD濃度隨時間變化,直至反應結束(數據測定3次取平均值),根據公式(1)、(2)計算比氨氧化速率(SAOR, mgN/mgMLSS·d)和比亞硝態氮氧化速率(SNOR, mgN/mgMLSS·d).

式中:為時間,d;[NH4+-N]0、[NO3--N]0為氨氮和硝態氮初始濃度,mg/L;[NH4+-N]、[NO3--N]為反應時間后氨氮和硝態氮濃度,mg/L;MLSS為污泥濃度,mg/L.本研究中均采用Origin作圖法對數據進行處理.

2 結果與分析

2.1 SBR反應體系長期運行效果

如圖3(a)、(c)所示,運用pH終值進行實時控制,保證反應器內的生物量為4000mg/L、出水FA閾值為0.5~1.2mg/L的策略,SBR系統自啟動至連續運行的140d內,溫度在7~33℃范圍內波動,反應器出水NO3--N濃度一直處于15mg/L以下,階段Ⅱ的出水NH4+-N濃度為10~35mg/L左右,NAR維持在90%以上,階段Ⅲ期間,NAR維持在85%左右且出水NO2--N/NH4+-N值基本穩定在1~1.4,說明SBR系統在整個運行期間效果穩定.部分亞硝化穩定期的NAR比亞硝化穩定期低的原因是環境溫度的波動使出水FA降低,NOB受到的抑制性減弱導致出水NO3--N濃度稍有增加,但在環境溫度下仍達到較高的NAR,表明了控制策略的可行性和優越性.

圖3(b)為SBR系統運行148d期間的COD去除情況.整個運行期間,有機負荷為0.09~0.15kgCOD/ (kgMLSS·d),平均進水COD/NH4+-N為1.1,出水COD濃度穩定在60mg/L以下,去除率在60%以上.鄭雅楠等[14]和趙夢月等[15]的研究中,不同環境條件(溫度、pH、DO)均對部分亞硝化及反硝化效果出現負面影響,而本研究中階段Ⅲ期間,隨著環境條件的變化,出水COD:NO2--N:NH4+-N值僅在(1.2~1.8): (1~1.4):1波動,該現象表明SBR系統內不僅具有穩定的部分亞硝化反應,還具備良好的除碳效果,且各階段的轉換和穩定未影響有機物的去除.

圖3 環境溫度下SBR反應器長期運行效果

(a)各工況下氮素進出水的變化;(b)各工況下COD去除情況;(c)各工況下隨溫度變化,NAR、出水基質比的變化;(d)各工況下出水FA、pH終值的變化

2.2 環境溫度下系統穩定出水的原因分析

本研究通過pH終值有效地控制反應進程.在階段Ⅰ,將pH終值設定在“氨谷點”前,反應剩余NH4+-N濃度為6~20mg/L,出水FA為0.1~0.6mg/L.一方面將反應進程控制在未完成狀態,給予AOB足夠的基質迅速增殖,另一方面在幾個周期的運行后,剩余FA對NOB的選擇抑制作用逐步加強,使系統在第5d出現80%以上的NAR,連續7個周期NAR達85%以上,耗時8d實現了亞硝化的快速啟動,NAR達到90%以上.階段Ⅱ,環境溫度在22~33℃波動,當出水FA低于0.5mg/L,出水NO3--N濃度>10mg/L,造成NAR下降至90%以下;出水FA高于0.5mg/L, NAR回升至90%以上;然而,當FA高于1.2mg/L,反應不完全,出水NH4+-N濃度過高,NH4+-N轉化率下降,出水NO2--N濃度降低,偏離出水目標值.由圖3(a)可知,當出水FA<0.5mg/L或>1.2mg/L時,出水NO3--N濃度的波動呈現滯后性,若及時恢復理想出水FA值,系統將維持較高NAR(>90%),說明控制策略具有良好的可控性.同時,階段Ⅱ期間溫度持續降低,反應pH終值的設定由7.34升至7.63,出水FA維持在0.16~1.5mg/L,NH4+-N濃度為10~35mg/L左右, NAR幾乎維持在85%以上;而FA<0.5mg/L時,NAR低于85%,進一步表明剩余FA是維持NAR較高水平的關鍵[16].

由圖3(d)中可看出前50d,反應體系未排泥, MLSS由4000mg/L增至7680mg/L的同時,pH終值一直在改變,且波動較大,由7.24增至7.54.第50d后開始排泥,維持泥量在4000mg/L,pH終值便于第52~66d(24~27℃)期間維持在7.56,且出水1.2mg/L> FA>0.5mg/L,NAR>85%.接著,溫度繼續下降(22~ 24 ℃),為維持一定的剩余FA,pH終值增加至7.63,此時泥量恒定,該值穩定9d(27個周期).階段Ⅲ直接將pH終值設定在使出水NO2－-N/NH4+-N為1~ 1.32處,并采用階段Ⅱ中探索出的pH終值設定規律,使反應在7~23℃的條件下,實現穩定出水基質比的同時具備較高的亞硝積累效果(NAR>85%),期間pH終值的設定維持在(7.73±0.02),出水FA維持在0.5~ 1.2mg/L左右.由于反應期間測得的pH值不僅受微生物生長繁殖等的生化反應、外加化學物質引起的化學反應影響,還與各種反應的協同作用有關[17],當SBR內泥量未穩定在設定值(4000mg/L),污泥負荷改變,系統內異養菌與自養菌、AOB與NOB的微觀生長繁殖環境發生變化而出現數量的失衡,若要維持出水比,便需要改變pH終值.因此,通過將系統盡量維持在一個“穩態”,保證反應器內固定的生物量,是使pH終值下穩定出水NO2--N/ NH4+-N的關鍵.

系統在環境溫度下實現并穩定各階段出水的原因有:①FA對NOB和AOB產生抑制作用的濃度分別是0.1~1.0mg/L和10~150mg/L[18],利用出水剩余FA(0.5mg/L~1.2mg/L)對菌種的選擇抑制是使AOB快速富集的有效手段[19].②僅通過pH終值反映的剩余FA濃度優化硝化菌的種群結構是不夠的[7],NOB較強的環境適應性對反應系統的穩定存在威脅[20],故在NOB受到抑制的同時,將其不斷淘洗出反應器,固定生物量是系統維持穩定的決定性因素.③低DO環境下AOB較NOB具有更強的氧親和力,是維持亞硝化工藝性能的有利條件之一[14],該值過低會使硝化反應難以進行,過高會使有機物分解過快導致微生物缺乏營養,也容易造成活性污泥的老化和結構松散[21].現階段對部分亞硝化實現的研究多在低DO條件下進行,Lan等[9]在低DO(0.5~ 0.75mg/L)條件下調控HRT使反應出水NO2－-N/NH4+-N維持在1.04~1.47;Liang等[22]在DO為0.5~0.8mg/L的微氧環境下調控堿度使反應出水NO2－-N/NH4+-N維持在1左右.本研究在DO為0.2~0.4mg/L的環境下,利用出水剩余FA濃度給予NOB雙重抑制,實現部分亞硝化的穩定.

2.3 不同溫度的SBR典型周期分析

為了比較不同溫度下SBR反應器部分亞硝化的穩定性及有機物和氮素的轉化情況,分別在環境溫度為23℃(第71d)、18℃(第87d)、13℃(第136d)時進行批次試驗.由圖5可看出,隨著溫度的降低,SBR系統的反應時間相差不大,分別為310、365、360min,且出水各基質比例差別較小,NO2--N/ NH4+-N分別為1.26、1.37和1.17.根據公式(1)、(2)可計算出上述溫度下的SAOR、SNOR,如圖4所示,SAOR均高于SNOR,23℃下,SAOR分別是18和13℃時的1.5倍和1.8倍;SNOR為18和13℃時的1倍和0.8倍.而楊慶等[23]在研究不同溫度下SBR脫氮系統,發現25℃時平均SAOR比12℃時高2.57倍,與本研究結果不同,表明在本文的控制策略下能較好的控制溫度對優勢菌群AOB的抑制,縮小常、低溫時SAOR和SNOR的差距.但是,SAOR隨溫度的降低而降低,表明低溫確實對AOB造成影響,SNOR隨溫度的降低而升高也驗證了NOB在環境沖擊下因適應性增強而更具競爭性[24]的特點.顧升波等[25]在11~16℃下實現短程硝化反硝化,發現AOB的比增長速率低于NOB,認為低溫對AOB和NOB活性存在消極影響.溫度是影響微生物生長和代謝的重要環境條件,理論上,低溫環境(10~15℃)中NOB的活性較AOB高[26],導致出水NO3--N濃度升高,是破壞部分亞硝化系統穩定的主要原因,但本文中SAOR始終高于SNOR,表明SBR系統在低溫條件下AOB依舊競爭過NOB,且為優勢菌種.不同的結論進一步的驗證了控制策略的可行性,也說明了逐步降低溫度較直接低溫更有利于反應體系抗擊溫度造成的負面影響,維持AOB優勢菌種地位.

SBR系統在開始曝氣時先進行除碳反應,pH值不斷上升,同時NO2--N和NO3--N逐漸降低,此時段COD去除速率最快,且反硝化菌對NO3--N的利用率大于NO2--N,見圖5.不同溫度下比COD去除速率見圖4,其中,劃分pH值上升至頂點為第Ⅰ段,頂點至反應結束為第Ⅱ段.23℃時Ⅰ段的比COD去除速率是Ⅱ段的15倍,18和13℃時Ⅰ段是Ⅱ段的7倍,Ⅱ段去除速率變緩是因為NO3--N濃度的降低導致微生物可利用的底物減少,而反硝化中間產物NO2--N生成,其反硝化所需碳源量較少,促使耗碳速率降低[27].鄧仕槐等[28]研究實時控制下短程硝化反硝化反應中,隨著pH值上升至頂點,COD去除率持續增加至83%以上.趙夢月等[15]對典型周期內的部分亞硝化進行分析,結果表明隨pH值上升至頂點后,除碳反應也基本結束.而本研究中Ⅰ段反應結束后, COD濃度仍在不斷下降,且Ⅰ段COD去除量僅占總的30%~40%.COD去除規律與溫度、周期進水時NO--N濃度、周期運行過程的設置有關,無論是亞硝酸型反硝化,還是硝酸型反硝化,溫度越高(一定范圍內),去除相同量COD所需時間越短[27],當SBR運行周期設置的過程、時間長短不同,異養菌利用基質進行反硝化的機會和時間長短也就不同,導致COD去除規律的差異.

圖4 不同溫度下的SAOR、SNOR和比COD去除速率

(a)溫度為23℃;(b)溫度為18℃;(a)溫度為13℃

本文進水HCO3-/NH4+-N比值為2,為SBR脫氮系統提供充足的堿度,進水pH值在7.5~8左右,數值波動受上一周期停曝pH值影響.從圖(a)、(b)、(c)中可看出,隨著溫度的降低,pH值升至最高點所需的時間有所不同,依次為10、25、30min.同時,Ⅰ段的pH值增量也有所不同,分別為?0.45、?0.41、?0.38.當系統中NO--N消耗至最低,pH值曲線出現折點,隨著反應的進行,Ⅱ段pH值曲線變緩,其中23℃下前110min pH值下降0.45,后140min下降0.2;18℃下前140min pH值下降0.33,后266min下降0.15;13℃下前145min pH值下降0.37,后220min下降0.16.此時,COD降解速率也呈現先大后小的趨勢.pH值本身受溫度影響,中性條件下緩沖溶液的pH值隨溫度降低而升高,且徹底反硝化用時變長[27],所以溫度越低,pH值增量越小,升至最高點所需的時間也越長.

3 結論

3.1 以pH值作為單因子控制參數,建立了一套基于SBR工藝實現長期穩定部分亞硝化的控制策略.在控制策略中,設置5個可調變量,通過固定泥量下穩定的pH終值判斷氨氧化程度,可解決溫度對工藝的影響.

3.2 運用建立的調控策略,經歷亞硝化的啟動及穩定后,最終在pH終值為(7.73±0.02)下,DO為0.2~ 0.4mg/L,出水FA為0.5~1.2mg/L,MLSS為4000mg/L的條件中實現部分亞硝化,反應出水NO2--N/NH4+- N比穩定在1~1.4,NAR達85%以上,有機物去除率在60%以上.

3.3 溫度為7~35℃時,亞硝化及部分亞硝化均能完全進行,且穩定出水.隨著溫度的降低,SAOR、SNOR及COD比去除速率均會降低,但下降趨勢較緩,且SAOR始終高于SNOR,不同溫度下的在線pH曲線趨勢相同,上升和下降的曲線斜率隨溫度的降低而變緩.

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Achieving stable partial nitrification in SBR at ambient temperature.

ZHANG Min1, JIANG Ying1, WEN Jing-yu1, WANG Yao-qi1, CHEN Chong-jun1,2,3,4*, SHEN Yao-liang1,2,3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou 215009, China；3.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou 215009, China；4.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)., 2018,38(12)：4509~4515

The SBR reactor was used to establish a strategy of stabilizing partial nitrification by controlling the stopping point of aeration through a specific pH final value. The whole operation process was divided into 3phases, which were phase I starting nitrosation, phase II exploring the setting rule of the pH final value while stabilizing the nitrosation and phase III adopting the setting rule of pH final value to achieve stable partial nitrification. Across the summer and the winter (7~35℃) operation of a total of 148days, the transformation of organic matter and nitrogen in the SBR system was investigated and the effects of different temperatures (23, 18, 13℃) on partial nitrosation were analyzed. The results showed that under low DO concentratin (0.2~0.4mg/L) and MLSS of 4000mg/L, the NO2--N/NH4+-N value of the effluent was between 1and 1.4during stabilizing partial nitrification,and by controlling the pH final value which was (7.73±0.02), the effluent FA reached 0.5~1.2mg/L, the accumulation rate of nitrosation (NAR) was maintained at 85% and the removal rate of organic matter was above 60%. Specific ammonia oxidation rate, specific nitrite oxidation rate and specific organic matter removal rate declined with the drop of temperature, but the decreasing trend was slow and the reaction could be completed stably.

ambient temperature；partial nitrification；control strategy；pH endpoint

X703

A

1000-6923(2018)12-4509-07

張 敏(1995-),女,廣東大埔人,碩士研究生,主要從事污水控制與理論研究.發表論文3篇.

2018-05-07

國家自然科學基金資助項目(51508366,51578353);江蘇省厭氧生物技術重點實驗開放基金資助項目(JKLAB201701)

* 責任作者, 副教授, chongjunchen@163.com